Твердотельный — это эпитет, который описывает самый ключевой момент в истории аккумуляторных технологий, если он, конечно, когда-нибудь случится.
В последние пару лет большинство автопроизводителей так или иначе высказывались о них. Но что же это такое и почему это должно вас волновать? Вот всё, что вам нужно знать об этой революционной технологии, вплоть до того, когда она появится в наших электромобилях.
Что такое твердотельный аккумулятор?
Это аккумулятор, который использует твердый электролит вместо жидкого или гелевого. Электролит — это та самая часть посередине, между катодом и анодом.
Почему твердотельные аккумуляторы — это следующая большая веха для электромобилей?
Композиции твердотельных аккумуляторов сделают батареи меньше и более энергоемкими. Это означает, что электромобиль сможет либо проезжать дальше с большим количеством батарей, либо иметь тот же запас хода, но быть более легким и, что крайне важно, более дешевым с меньшим количеством батарей.
Кроме того, эта технология лучше поддерживает быструю зарядку благодаря своей способности не так сильно нагреваться. Только представьте весь потенциал для углеродно-нейтрального автоспорта.
Хорошо, как всё это работает?
Давайте упростим: представьте прямоугольник шириной 10 см. Первые два сантиметра — это анод (положительный электрод), обычно сделанный из графита, а последние два сантиметра — это катод (отрицательный электрод), сделанный из фосфата лития-железа (LFP) или оксида лития-никель-марганца-кобальта (NMC).
(*испытываются и другие материалы, но мы вернемся к этому позже)
Между анодом и катодом находится жидкий или гелевый электролит. Посередине находится сепаратор — своего рода солевая мембрана, которая катализирует химическую реакцию, способствует перемещению электронов между двумя электродами и предотвращает соприкосновение электродов.
Им определенно не положено соприкасаться.
Вы абсолютно правы. Все перезаряжаемые аккумуляторы страдают от явления, называемого дендритным образованием. Это что-то вроде зубного налета, но для электродов. Многократная зарядка и разрядка вызывают образование длинных колючих структур из ионных частиц на поверхности электрода. Если они станут такими длинными, что встретятся, это может вызвать короткое замыкание аккумулятора или, что еще хуже, возгорание. Отсюда и необходимость в сепараторе.
Понятно. Как это изменится в твердотельном аккумуляторе?
Заменив электролит на стеклянный, керамический или твердый полимерный, можно достичь нескольких полезных вещей.
Во-первых, можно избавиться от жидкой субстанции, которая плещется внутри аккумулятора. Стекло, конечно, не плещется, да это и не особенно стабильно, а автомобили, по своей природе, имеют свойство двигаться. Неудивительно, что автопроизводители любят стабильность. Твердые электролиты более стабильны (а также менее горючи, что является еще одним плюсом в сторону меньшей пожароопасности).
Во-вторых, твердый электролит может выполнять и роль катализирующего сепаратора. Отказ от сепаратора и жидкого электролита означает, что ваш 10-сантиметровый прямоугольник теперь шириной всего 6 сантиметров. Двухсантиметровый электролит, зажатый между двухсантиметровым анодом и двухсантиметровым катодом — твердотельный бутерброд высшей пробы.
Хорошо, теперь он меньше, значит, он более энергоемкий?
Именно так, энергетическая плотность аккумулятора уже увеличивается за счет уменьшения размера. Но использование твердотельных электролитов означает, что графитовый анод можно заменить на литиевый. Литиевый анод мог бы улучшить энергетическую плотность элемента на целых 40 процентов.
И подождите, это еще не всё. Сегодняшние аккумуляторы требуют серьезного терморегулирования. Медленная зарядка, даже в быстром режиме, включается на 50-80% заряда, чтобы предотвратить перегрев. Таким образом, вы редко используете всю батарею по максимуму, а зарядка занимает больше времени.
Твердотельные аккумуляторы способны выдерживать больше тепла, поэтому их можно заряжать быстрее, и при этом используются все ячейки более полно.
Более того, исследователи обнаружили, что тепло, выделяемое при быстрой зарядке, увеличивает «ионную проводимость». Это, по-видимому, подавляет рост наших колючих врагов — дендритов. Некоторые исследования даже показывают, что при определенных температурах дендриты «самозаживляются», то есть структура становится менее колючей и короче. Дико, правда?
Почему их еще нет на рынке сегодня?
Отличный вопрос. Хотя теоретически твердотельные аккумуляторы будут более долговечными, ученые в белых халатах еще не совсем довели их до этого момента.
Это, в сочетании с трудностями и затратами, связанными с масштабированием новых технологий, означает, что пройдет еще немного времени, прежде чем твердотельные аккумуляторы появятся в наших автомобилях. Некоторые нишевые/премиальные модели, возможно, будут оснащены ими к концу этого десятилетия.
Плюс, при нынешнем производстве аккумуляторов, если ученые хотят изменить материалы анода и/или катода, это довольно просто. Однако переналадка оборудования для замены электролита не так проста — изменения влекут за собой расходы, а автопроизводители как раз пытаются снизить себестоимость, так что вот.
Что-то еще, что мне следует знать?
Твердотельные аккумуляторы — вовсе не новое изобретение. Майкл Фарадей, крестный отец многих принципов электромагнетизма и электрохимии и изобретатель тезоименитой клетки Фарадея, экспериментировал с этим материалом задолго до нашего времени.
