Твердотельные батареи: что это такое и как изменят электромобили

Автопроизводители давно ищут альтернативу привычным литий-ионным батареям для электрокаров, а самой перспективной считается технология с твёрдым электролитом. Бренды регулярно объявляют об испытаниях прототипов с твердотельными ячейками, но серийное производство откладывается более десяти лет. Рассказываем о достоинствах и недостатках батарей, которые могут изменить образ массового автомобиля.

Особенности конструкции твердотельной батареи

Твердотельный аккумулятор отличается от привычных аналогов отсутствием жидкого электролита между электродами. Для проведения ионов используется твёрдые электролиты: они совместимы с более эффективными анодными материалами и не воспламеняются даже в случае повреждения. Ещё твердотельный аккумулятор легче и отличается более высокой плотностью энергии по сравнению с аналогами на жидких электролитах. 

Первые упоминания о применимости твердотельных батарей в автопроме появились в начале 2010-х, а к концу прошлого десятилетия за авторством Toyota, BMW, Honda, Hyundai, Nissan и Volkswagen появились сотни патентов. Раскрывать свои ноу-хау автогиганты не спешат: о химическом составе аккумуляторов информации нет. Зато описаний потенциальных преимуществ в достатке: вот-вот совершить прорыв обещают по обе стороны океана.

Преимущества твердотельных батарей 

1. Большая удельная энергоёмкость и меньший объём

Современные литий-ионные батареи с жидким или гелевым электролитом отличается удельной энергоёмкостью 350 Вт·ч на килограмм. Исследователи ScienceDirect считают, что технология достигла своего пика, и качественного рывка уже не случится. Для батарей с твёрдым электролитом заявлена удельная энергоёмкость до 500 Вт·ч на килограмм. 

У популярного электрокара Tesla Model Y Long Range батарея весит 770 килограммов, а заявленный запас хода составляет 499 километров. Если бы на кроссовере использовался твердотельный аккумулятор той же массы, то автономность увеличилась бы на 150 километров. Альтернатива — борьба с «лишним» весом электромобилей. В случае с Tesla Model Y Long Range экономия без потери характеристик могла бы составить по меньшей мере 230 килограммов, что означает меньшую нагрузку на шины и тормоза, а также улучшение динамики.

Ещё один аргумент в пользу твердотельных батарей — меньшие габаритные размеры. Расстояние между положительными и отрицательными электродами сокращается до нескольких десятков микрометров, а ячейки становятся очень тонкими. В теории это сулит компоновочные преимущества.

Больше всего от перехода на твердотельные батареи могут выиграть крупные электромобили, например, GMC Hummer EV. Сейчас аккумулятор пикапа весит 1,3 тонны, а снаряжённая масса перевалила за 4000 килограммов! Американский страховой институт дорожной безопасности (IIHS) даже задумался над ужесточением краш-тестов для таких электромобилей.

2. Быстрая зарядка

Опыты Toyota показали, что твердотельный аккумулятор можно полностью зарядить всего за десять минут, а в лабораторных условиях инновационная батарея брала заряд в пять-шесть раз быстрее традиционной литий-ионной. Однако сегодня уже используются «суперчарджеры», которые позволяют решить проблему медленной зарядки даже для обычных электрокаров. Лидеры сегмента из Китая заряжаются с 5 до 90% немногим медленнее.

3. Безопасность и устойчивость к возгоранию

Переход к твёрдому электролиту снижает остроту проблемы образования дендритов: токопроводящих отложений на электродах, которые могут привести к короткому замыканию. Также твердотельные батареи устойчивы к тепловому разгону при высоких температурах и возгоранию из-за повреждений или попадания воды. Поэтому риски взрывов и пожаров сведены к минимуму.

4. Меньшая деградация по мере старения

Для аккумуляторов современных электромобилей считается допустимой деградация на 20% после 1500 циклов зарядки. Для твердотельных батарей этот показатель может быть в три-четыре раза ниже. Однако факторы, влияющие на деградацию батарей, ещё не до конца изучены. Оптимизм разработчиков ячеек с твёрдым электролитом пока не подтверждён в реальных условиях эксплуатации, ведь пула подержанных машин с такими батареями попросту нет.

5. Большая экологичность

По оценкам европейской федерации Transport & Environment твердотельные батареи могут уменьшить углеродный след электромобилей на 39%. Для производства ячеек потребуется меньше кобальта и графита, но больше лития. Однако всерьёз оценивать вклад твердотельных аккумуляторов в экологию можно будет после начала массового производства по полному циклу и отладки процесса утилизации таких батарей.

Недостатки твердотельных батарей 

В перспективах успешного применения батарей с твёрдым электролитом неожиданно усомнился крупнейший производитель аккумуляторов CATL! Пока MG и Dodge обещают выпустить серийные электромобили с такими ячейками в 2025–2026 году, а Mercedes-Benz показывает прототипы с дальнобойностью свыше 1000 километров, важнейший поставщик батарей настроен скептически. Основатель CATL Робин Цзэн считает технологию сырой, не приспособленной к массовому использованию и небезопасной.

Аргументы весомые. Во-первых, у твердотельных батарей должны быть аноды из чистейшего лития, а оптимальная работа возможна только в вакуумном корпусе под высоким давлением. Во-вторых, даже в лабораторных условиях литий начинает термически расширяться, что приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик. Наконец, при повреждении оболочки батареи литий вступает в реакцию и выделяется токсичный гидроксид лития, который чрезвычайно вреден для людей.

Инженерам CATL можно доверять, ведь твердотельными аккумуляторами компания занимается более десяти лет. Перспективной китайцы считают другую концепцию: с полутвердотельными ячейками и натрий-ионным химическим составом. Среди других причин, препятствующих распространению твердотельных батарей, — ограниченность температурных режимов и высокая стоимость производства.

Дороговизна объясняется сложностью создания качественного твёрдого электролита, а также прочного и герметичного корпуса. Это важно для защиты от механических повреждений и работоспособности при низких температурах. В мороз твердотельные батареи ведут себя непредсказуемо: учёные ещё не разобрались в закономерностях химических процессов в электролите. Также твердотельные батареи страдают от отсутствия «эффекта масштаба»: в промышленных объёмах такие аккумуляторы для электрокаров никто не делал.

По оценкам экспертов, при текущем развитии технологий твердотельная батарея окажется в 2–4 раза дороже аналогичного литий-ионного жидкостного аккумулятора. Однако крупнейший производитель электрифицированных автомобилей — китайский BYD — планирует выпустить премиальные модели с такими батареями в 2027 году, а к 2032 году масштабировать производство и уравнять твердотельные аккумуляторы с аналогами на «жидком» электролите.

_{Фото на обложке: BMW}