Несмотря на растущую популярность электромобилей, их пробег остается ограниченным — например, Tesla Model 3 проезжает около 350 миль до необходимости подзарядки. Кроме того, сохраняются опасения по поводу безопасности литий-ионных аккумуляторов, доминирующих на рынке.
В стремлении создать более безопасные и дальнобойные батареи для электромобилей стартап Solid Power работает над твердотельными аккумуляторами. Их цель — упаковать больше энергии в меньший объем.
Компания сделала важный шаг к тестированию технологии в реальных автомобилях, запустив крупномасштабную пилотную производственную линию. Эта линия призвана изготавливать элементы питания, в которых жидкий электролит, используемый в современных литий-ионных батареях, заменен на керамические слои. Полноразмерные элементы, которые сойдут с этой линии, будут размером с небольшой ноутбук — это тот же формат, в котором они в конечном итоге будут объединены для питания электромобилей.
Эта технология твердотельных батарей пока далека от коммерциализации — Solid Power планирует нарастить производство до уровня, достаточного для 800 000 автомобилей в год к 2028 году. Однако если технология докажет свою практичность, она сможет значительно повысить производительность электромобилей.
Генеральный директор Дуг Кэмпбелл отмечает, что Solid Power не будет производить и продавать готовые аккумуляторы. Вместо этого компания будет поставлять твердотельный электролит другим производителям батарей.
Электролит отвечает за перенос заряда внутри батареи в процессе ее зарядки или разрядки. В литий-ионных аккумуляторах, используемых сегодня, электролит жидкий. Твердотельные батареи используют твердый слой электролита, который плотно прижимается между другими слоями элемента для передачи заряда.
Такой подход открывает новые возможности для химического состава батарей. В частности, литий-металлические и кремниевые химикаты нестабильны или небезопасны при контакте с жидким электролитом, но теоретически могут быть использованы, если заменить жидкость на твердое тело.
В результате можно получить аккумулятор, который вмещает больше энергии в меньшем пространстве, что позволит автомобилям проезжать большее расстояние до разрядки. Кэмпбелл утверждает, что батареи Solid Power в конечном итоге смогут увеличить плотность энергии по сравнению с существующими литий-ионными на целых 50%. Таким образом, автомобиль, который раньше мог проехать 350 миль, сможет преодолеть более 500 миль на одном заряде.
Отказ от жидкости также упростит создание более безопасных элементов, добавляет Кэмпбелл. Хотя литий-ионные батареи оснащены множеством систем защиты от возгорания или взрыва, устранение жидкости позволит отказаться от этих дорогостоящих дополнений. Батарейные блоки, состоящие из множества ячеек, станут более компактными, поскольку системы контроля внутренней температуры и безопасности будут занимать меньше места.
Концепция удаления жидких электролитов из элементов питания не нова, говорит Лэй Чэн, химик и исследователь аккумуляторов из отдела материалов Аргоннской национальной лаборатории. Однако на протяжении многих лет большая часть исследований твердотельных аккумуляторов была сосредоточена на использовании органических полимеров, таких как полиэтиленоксид.
Такие материалы были бы дешевыми и простыми в производстве, но пока их производительность оставляет желать лучшего. Именно поэтому различные исследовательские группы и стартапы, включая QuantumScape, предпринимают шаги к коммерциализации твердотельных батарей, использующих материалы с более высокой проводимостью, такие как сульфиды и оксиды.
Тем не менее, остаются вопросы о том, смогут ли компании, производящие твердые электролиты, выпускать их в промышленных масштабах. По словам Чэна, неорганические материалы, такие как сульфиды, которые использует Solid Power, могут быть хрупкими, и их перемещение во время производства, когда они наносятся тонкими слоями на крупные производственные линии, может быть затруднено.
Ещё одна проблема твердотельных аккумуляторов — их способность противостоять деградации с течением времени, особенно перед лицом дендритов, ветвящихся структур лития, которые часто образуются внутри батарей и могут ухудшать их характеристики.
Джефф Чемберлен, генеральный директор Volta Energy Technologies, одного из крупных инвесторов компании, признает, что Solid Power сталкивается с серьезными проблемами масштабирования. Однако Volta заинтересована в компании не только из-за многообещающей технологии, но и потому, что команда с самого начала думала о масштабировании производства, говорит Чемберлен. Как он выразился: «Лучшая технология — это та, которую можно изготовить».
Остается открытым вопрос: войдут ли твердотельные аккумуляторы в эту категорию.
