Твердотільні батареї: боротьба за трансформацію електромобілів
Компанії змагаються у розробці наступного покоління акумуляторних технологій.
Більшість з них знайомі з літій-іонним акумулятором, вперше комерціалізованим компанією Sony в 1990-х роках для живлення своїх портативних музичних плеєрів. З цих скромних початків літій-іонні акумулятори стали королем, живлячи мобільні телефони, ноутбуки і - в їхньому найпотужнішому застосуванні - електромобілі.
Згідно з аналізом McKinsey, до 2030 року світовий ринок літій-іонних акумуляторів виросте до 400 мільярдів доларів. Але тепер, коли літій-іонна технологія добре вивчена, ті, хто прагне трансформаційних змін, все частіше звертають увагу на твердотільні акумулятори.
Доктор Рорі Макналті, старший аналітик Benchmark Minerals Intelligence, каже, що ажіотаж навколо твердотільних акумуляторів зростає відтоді, як французька компанія Blue Solutions представила першу комерційну твердотільну батарею у 2015 році.
Їхній акумулятор був розроблений для використання в електронних автобусах, але мав конструктивні обмеження і час зарядки чотири або більше годин - ілюстрація того, наскільки складним може бути процес розробки навіть для такої компанії, як Toyota.
У липні минулого року світовий автомобільний гігант оголосив про прорив у розробці твердотільних акумуляторів, який, як він стверджував, дозволить вдвічі зменшити розмір, вагу і вартість їх виробництва.
Ця заява була зустрінута як з ентузіазмом, так і зі скептицизмом, частково через те, що Toyota вкладала гроші в розробку твердотільних батарей з 2006 року, а також через небажання брати на себе зобов'язання виробляти повністю електричні транспортні засоби протягом останнього десятиліття.
За цією подією незабаром послідувала інша - у жовтні: Toyota і японська нафтова компанія Idemitsu заявили, що мають намір розробити і виготовити твердотільний електроліт і вивести його на ринок до 2028 року.
Toyota - не єдина компанія, що працює в цій галузі. У січні Volkswagen оголосив про успішне тестування твердотільного акумулятора, розробленого QuantumScape, який витримав понад 1 000 циклів заряджання і зберіг 95% своєї ємності.
Тим часом китайські компанії, такі як WeLion і Nio EV, об'єднали зусилля, щоб прискорити випуск твердотільної батареї - хоча і з менш амбітною хімією - до 2024 року, але Макналті каже, що західним країнам доведеться почекати до кінця десятиліття.
Основна перспектива твердотільних батарей - це більше енергії, що генерується меншою батареєю. Зусилля, спрямовані на розробку цієї технології, мали кілька підходів, але, за словами Ху, основна увага громадськості зосереджена на двох матеріалах: кремнії та літій-металах.
З кількох існуючих варіантів твердотільних акумуляторів значну увагу привертають літій-металеві анодні акумулятори як потенційна високопродуктивна технологія майбутнього.
У чому підступ? Їх розробка зіткнулася з проблемою, відомою як "дендрити".
Дендрити утворюються, коли іони літію "наносяться" на чистий металевий анод, залишаючи на поверхні крихітні відростки.
Лі Фінніер, виконавчий директор Li-S Energy та директор-засновник Ради з передових матеріалів та акумуляторів, каже, що коли ці недосконалості з часом збільшуються, вони діють "як найвища точка на будівлі у великому місті під час удару блискавки".
"Іони літію намагаються знайти найкоротший шлях до анода, - каже він. "Якщо на аноді є якісь відхилення або якась висока точка, вона буде притягувати більше іонів, які потім відкладатимуться у вигляді літію, збільшуючи високу точку".
Залежно від того, наскільки великими виростають ці дендрити, вони можуть пробити матеріал, що відокремлює анод від катода, і спричинити коротке замикання.
Існують й інші проблеми, але їх вирішення може бути складним і дорогим, тому інші вважають за краще працювати з кремнієвими анодами, в основі яких лежить матеріал, схожий на той, що використовується у фотоелектричних сонячних панелях.
Оскільки кремній має високу провідність, вважається, що чим більше кремнію використовується в аноді, тим більше покращується його продуктивність.
Кремнієві аноди діють як губка, що вбирає воду, розширюючись і стискаючись з кожним циклом заряду. Додавання кремнію збільшує ступінь розширення анода, і чистий кремнієвий анод може розширюватися до чотирьох разів.
Без втручання анод врешті-решт подрібниться на порох.
Один з варіантів вирішення проблеми полягає у структуруванні кремнію в особливий спосіб, інший - у пошуку добавок, які змінюють його поведінку.
Вирішити ці проблеми можливо, але зробити такі батареї комерційно доступними для використання в електромобілях поки що складно.
Оскільки технології майбутнього потребують перебудови виробничих ліній і вирішення проблем з ланцюжком поставок, зокрема тому, що наразі ніхто не виробляє достатньої кількості чистої літій-металевої фольги для забезпечення виробників автомобільних акумуляторів.
Будь-який прорив, який вирішить ці проблеми і знизить собівартість виробництва твердотільних акумуляторів, буде революційним, але Toyota поки що стримано розповідає про матеріали, з якими вона працює в своїх анодах.
На запитання, представник австралійського офісу Toyota відповів, що вони не можуть розголошувати цю інформацію, оскільки "дослідження і розробки проводяться материнською компанією".
Як би там не було, представники галузі в приватних розмовах кажуть, що краще просто припустити, що компанія займається "всім".
"Люди забувають, що ми говоримо про науку, - каже Фінніер. "Ми говоримо про те, як переконати електрони, іони та хімічні речовини робити те, що їм кажуть; це не розробка програмного забезпечення, це не те, через що можна запрограмувати свій шлях.
