Плюсы и минусы твердотельных аккумуляторов

Технология твердотельных батарей считается следующим большим шагом для электромобилей, поскольку они позволят увеличить запас хода и менее подвержены повреждениям в отличие от жидких электролитов. По этой логике компании должны вкладывать в эту технологию как можно больше средств. Однако факты о жизнеспособности этого типа батарей крайне противоречивы.

В январе 2024 года учёные из Гарвардского университета разработали новую твердотельную батарею, которую можно зарядить за 10 минут без ущерба для срока службы. Один из главных недостатков EV-батарей заключается как раз в том, что они деградируют со временем.

В апреле 2024 года основатель и генеральный директор крупнейшего производителя батарей CATL заявил, что твердотельная технология небезопасна, и считать её спасением нельзя.

Оба источника заслуживают доверия, но кто же из них прав?

StoreDot: твердотельные аккумуляторы в электрокарах появятся через 10 лет

Бывший инженер Tesla: у твердотельных батарей нет перспектив

Базовая конструкция твердотельной батареи

В большинстве электронных устройств используется литийионный аккумулятор. В нём находится жидкий электролит с текущими в нём ионами. При зарядке ионы движутся в одном направлении, а при разрядке — в другом. Общая идея твердотельных батарей заключается в том, чтобы заменить жидкость твёрдым веществом. Это самое простое объяснение.

Твердотельные батареи технически не должны полагаться на токсичный литий. Вместо него могут использоваться сульфиды или керамика. Однако большинство разрабатываемых в настоящее время твердотельных батарей всё ещё используют углерод, титанат, фосфаты и металлический литий.

Твердотельные аккумуляторы — это не новейшее открытие современного мира. Твёрдые электролиты открыл ещё Майкл Фарадей в первой половине 19 века. Затем в 1986 году Кейичи Канехори создал тонкоплёночную твердотельную батарею, но она не могла питать ничего, что было больше по размеру, чем часы. Отцом твердотельной батареи считается Джон Гуденоу, который в 2017 году представил первый в мире надёжный твердотельный аккумулятор. С 2018 года было создано несколько компаний, специализирующихся на этой технологии. Среди них Solid Power, Quantumscape и Marata Manufacturing.

Почему твердотельные аккумуляторы лучше литийионных

Плюсы твердотельных аккумуляторов

Более длительный срок службы

Компания Volkswagen, которая является частью совместного предприятия с Quantumscape, получила прототипы твердотельных батарей в 2023 году. После 1 000 циклов зарядки и полумиллиона километров батарея потеряла всего лишь 5% своей ёмкости.

В настоящее время приемлемым стандартом является потеря 20% ёмкости после 700 циклов зарядки.

Volkswagen ID.4 может проехать 468 км на одном заряде. Применяя текущий стандарт, 700 зарядок приведут к 327 823 км пробега. Но когда батарея потеряет 20% своей ёмкости, то одного заряда хватит всего на 374 км. Если же в тот же автомобиль установить твердотельную батарею, то 1000 зарядок позволят проехать 468 319 км. После этого батарея потеряет всего 5% своей ёмкости, и одного заряда будет хватать на 445 км.

Большая энергетическая плотность

Плотность — количество энергии, получаемой на кг. Верхний предел для традиционных литийионных батарей составляет 350 Вт/ч на 1 кг. В то же время твердотельные батареи могут обеспечить до 500 Вт/ч на 1 кг. Это означает, что автомобиль может проехать на 30% дольше на одном заряде при том же весе батареи.

Аккумуляторный блок Tesla Model Y Long Range весит 771 кг, это позволяет электромобилю проехать 500 км между зарядками. Если Tesla заменит текущую батарею на твердотельную, которая весит столько же, автомобиль получит дополнительно ещё 150 км дальности хода. Что ещё более важно, даже после всего срока эксплуатации у Model Y с твердотельной батареей останется больше запаса хода, чем у нынешнего автомобиля.

Более компактные батареи

Среднестатистический автомобилист проезжает около 67 км за день. Поэтому производители должны делать ставку не на увеличение дальности хода, а на развитие инфраструктуры и скорость зарядки.

Существует большая вероятность того, что автопроизводители будут использовать твердотельные технологии для уменьшения размеров и веса электромобилей. Так как их тяжесть — один из главных врагов всей EV-индустрии. Тяжёлый автомобиль требует больше энергии для движения, у него больше сопротивление качению, что приводит к быстрому износу шин. Уменьшение веса EV выгодно не только владельцу, но и отрасли в целом.

IIHS планирует запретить электромобилям ездить на высоких скоростях

Stellantis считает, что вес батареи электромобилей должен быть уменьшен вдвое

Уменьшение веса

GMC Hummer EV является примером проблемы, от которой страдают все электромобили. В нём используется аккумуляторная батарея ёмкостью 205 кВт/ч, что примерно в два раза больше, чем у стандартного электромобиля. Из-за этой массивной батареи он весит более 4 тонн. Если прибавить к этому время разгона до ста за 3,6 секунды, то получится внушительный блок металла, способный нанести приличный ущерб менее чем за четыре секунды.

Страховой институт дорожной безопасности (IIHS) начал обновлять системы краш-тестов для тяжёлых электромобилей, включая Hummer, Ford F-150 Lightning и Rivian R1T. Организация призвала снизить ограничения скорости, поскольку электромобили слишком тяжёлые и из-за этого более опасные в случае ДТП.

Быстрая зарядка

Среднее время зарядки электромобиля составляет примерно 20−40 минут. Сторонники EV говорят, что это время можно использовать, чтобы перекусить и размять ноги, но люди так не путешествуют. Этот аргумент работает только в том случае, если вы предполагаете, что вам захочется поесть каждые 400 км. Большинство людей, путешествующих на дальние расстояния, просто хотят сделать это с минимальными временными затратами и за день проехать максимальное количество километров без вынужденных остановок каждые пару часов и ожидания зарядки.

В этом случае твердотельная батарея, которая заряжается за 10 минут, выглядит намного привлекательнее. Это намного ближе к пятиминутной заправке автомобиля с ДВС.

Безопасность для окружающей среды

Компания Transport & Environment, специализирующаяся на анализе жизненного цикла сырья, обнаружила, что твердотельные батареи могут снизить углеродный след электромобиля на 39%. Не существует автомобиля с нулевым уровнем выбросов. Как только первая тяжёлая техника начинает копаться в земле, будущий электромобиль уже начинает выбрасывать вредные вещества. Очевидно, что меньший по размеру аккумулятор требует меньше сырья, но экономия скорее связана с добычей полезных ископаемых. Для твердотельной батареи потребуется на 35% больше лития, но меньше графита и кобальта.

Надёжность

Жидкие электролиты легко воспламеняются и являются основной причиной теплового разряда. Пожары в EV уже стали одним из основных аргументов противников электромобилей. В твёрдом состоянии эти электролиты не воспламеняются и могут выдерживать более высокие температуры. Поэтому твердотельные батареи должны обеспечить электромобилям лучшую репутацию.

Чем отличаются друг от друга типы аккумуляторов электромобилей

Минусы твердотельных батарей

Феномен твёрдого тела

Одной из главных причин задержки в работе твёрдых тел является явление под названием «электрический двойной слой». Это микроскопическая дисперсия частиц одного типа в другом веществе. То есть между положительным электродом и твёрдым электролитом существует электрическое сопротивление, которое усиливается при контакте с воздухом. Учёные пока не понимают, что за этим стоит.

Слишком дорогая разработка

Как и для большинства новых технологий, для снижения стоимости требуется время. Мир уже более десяти лет работает с традиционной технологией электромобилей, а до ценового паритета пройдёт ещё долгие годы. Чтобы твердотельные батареи стали доступными, необходимо резко увеличить объёмы производства. Но этого не произойдёт в ближайшее время. Первая партия автомобилей с твердотельной технологией будет состоять из нескольких десятков тысяч машин. Это может показаться много, но за год среднестатистический крупный автопроизводитель выпускает десятки миллионов машин.

Причины, по которым Toyota не верит в успех электромобилей

Холодные температуры — слабое место

Традиционные литийионные батареи не могут оптимально работать в холодную погоду, но твердотельные батареи добавляют ещё один уровень сложности. В настоящее время автопроизводители используют системы терморегулирования для поддержания оптимальной рабочей температуры аккумуляторных блоков. Использование таких же систем в твердотельных аккумуляторах невозможно, поскольку компоненты должны храниться под огромным давлением — более 2,5 тыс. кг на квадратный сантиметр.

Кристаллизация

Литий в твёрдом состоянии склонен к росту кристаллов. Это неравномерный рост, который может идти в любом направлении, при этом он достаточно острый, чтобы проткнуть другие части батареи.

Гарвардские учёные, которые изобрели быстрозаряжаемую твердотельную батарею, заявляют, что их прототип более устойчив к образованию кристаллов, поскольку использует частицы кремния микронного размера в местах, где ионы прикрепляются во время зарядки. Но масштабирование этой технологии до уровня, необходимого для перехода всей автомобильной промышленности на твердотельные батареи, — совсем другая задача.

Нюансы безопасности для окружающей среды

Твердотельные батареи могут снизить углеродный след EV на 39%, но это произойдёт только в том случае, если правительства стран смогут договориться о нормативных актах, которые позволят очистить производство лития. Существуют и более новые модели добычи, например, геотермальные скважины. Этот метод оказывает гораздо меньшее воздействие на окружающую среду, но Китай — крупнейший в мире производитель лития, и у него уже есть огромная инфраструктура по добыче твёрдых пород.

Евросоюз хочет внедрить систему устойчивого получения лития, но ЕС не может контролировать Китай. Все эти идеи хороши, но они ничего не стоят, если не все страны перейти на одну технологию добычи ископаемых.

Учёные выяснили, что автономные автомобили убивают экологию

Нюансы надёжности

Генеральный директор компании CATL наделал шуму, когда заявил, что твердотельные батареи непрактичны и небезопасны. По его словам, у твердотельных батарей есть проблемы с давлением, что представляет опасность при зарядке, поскольку батареи расширяются во время питания. При этом инженеры не могут обойти проблему давления из-за кристаллизации.

И хотя эти батареи не могут загореться, они представляют большую угрозу для водителей и пассажиров. Если батарея будет пробита в случае аварии, её содержимое вступит в реакцию с кислородом, образуя гидроксид лития, который токсичен для человека. По сути, пассажиры в перевёрнутом автомобиле будут висеть вверх ногами в пузырьке токсичных паров, и спасатели не смогут добраться до них из-за этого.

Гарвардский университет