Твердотельные аккумуляторы – революция на рынке электромобилей или просто видение далекого будущего?

Твердотельные батареи – революция на рынке электромобилей или лишь видение далекого будущего?

Электромобильная индустрия за последнее десятилетие претерпела стремительный рост. Одной из ключевых причин этого стало постоянное совершенствование технологий аккумуляторов. В настоящее время большинство электромобилей используют литий-ионные батареи, которые стали важным технологическим прорывом для EV-рынка. Однако их недостатки, такие как ограниченная плотность энергии, более длительное время зарядки и риск возгорания, побуждают искать более продвинутые альтернативы. Одной из наиболее перспективных инноваций являются твердотельные батареи. Эта технология обещает значительный скачок в эффективности электромобилей. Но готова ли она к революции на рынке или пока остается лишь концепцией будущего?

Что такое твердотельные батареи?

Твердотельные (solid-state) батареи по своей конструкции мало отличаются от традиционных литий-ионных аккумуляторов. Их основное отличие – использование твердого электролита, благодаря чему они получили свое название. Первые эксперименты с твердыми электролитами начались еще в середине XIX века, но создать стабильную и эффективную структуру удалось лишь в 2011 году. Именно тогда автопроизводители начали активно исследовать возможности электромобилей.

Современная твердотельная батарея состоит из анода, катода и электролита, но все эти элементы находятся в твердом состоянии. Литий чаще всего используется в качестве анода, а различные оксиды или сульфиды – в качестве катода, что позволяет увеличить плотность заряда. Твердый электролит служит идеальным проводником для литий-ионов.

Ожидается, что твердотельные батареи станут важной инновацией, значительно улучшая эксплуатационные характеристики электромобилей и увеличивая их запас хода.

Преимущества твердотельных батарей

По мнению ученых, преимущества твердотельных аккумуляторов перед литий-ионными очевидны. Внедрение этой технологии позволило бы электромобилям конкурировать с автомобилями с ДВС не только с точки зрения экологии, но и по практичности и стоимости. Основные преимущества твердотельных батарей:

• Увеличенный запас хода – если литий-ионные батареи позволяют проехать 300–500 км на одной зарядке, то твердотельные аккумуляторы могут удвоить или даже утроить этот показатель, делая электромобили подходящими для дальних поездок.
• Быстрая зарядка – за счет лучшей плотности энергии и высокой скорости движения ионов зарядка может занимать всего 10–15 минут, что значительно ускорит процесс по сравнению с существующими технологиями.
• Меньший вес – твердотельная батарея на 80 кВт·ч будет примерно на ⅔ легче аналогичного литий-ионного аккумулятора, что снизит энергопотребление и увеличит запас хода.
• Долговечность – срок службы твердотельных батарей значительно выше, что уменьшает эксплуатационные расходы и увеличивает остаточную стоимость электромобиля.
• Безопасность – в отличие от литий-ионных аккумуляторов, твердотельные батареи практически не подвержены возгоранию, что снижает страховые и гарантийные риски для производителей.
• Экологичность и простота переработки – благодаря более простой структуре твердотельные батареи легче поддаются вторичной переработке, снижая затраты на производство и утилизацию.

Вызовы и препятствия на пути к массовому производству

Теоретическая разработка технологии – это одно, но ее масштабное внедрение – совсем другое. В лабораторных условиях твердотельные батареи показывают отличные результаты, но их массовое производство сталкивается с рядом проблем. Одной из главных трудностей является их чувствительность к высокой влажности и окислению при контакте с кислородом. Требуется дополнительное тестирование в реальных условиях эксплуатации, чтобы устранить эти недостатки.

Несмотря на трудности, крупнейший мировой производитель аккумуляторов – китайская компания CATL (Contemporary Amperex Technology Co Ltd) – в апреле 2023 года представила полутвердотельный аккумулятор (Semi-Solid State Battery). В нем по-прежнему используется жидкий, но с высокой плотностью электролит, который приближается по характеристикам к классическим литий-ионным батареям.

Развитие технологий твердотельных батарей является важным фактором для дальнейшего роста электромобильного рынка и продвижения экологичного транспорта. Хотя на данный момент эта технология находится на стадии разработки, ожидается, что в ближайшие десятилетия твердотельные аккумуляторы станут основным типом энергосистемы для электромобилей, сделав их более эффективными, доступными и безопасными. Однако пока это скорее перспектива будущего, чем реальность, так как еще предстоит преодолеть множество технических и производственных барьеров.