Твердотельные vs литий-ионные аккумуляторы: битва за будущее электромобилей
Твердотельные аккумуляторы (ТТА) в плане их использования на электромобилях, с первого взгляда кажутся более предпочтительными, чем распространённые ныне литий-ионные батареи. И действительно, скорость зарядки меньше, запас хода обеспечивают больший, в случае повреждений электролит из них не вытекает.
По логике, производители должны активно вкладываться в технологии твердотельных аккумуляторов, чтобы кто-то стал первым в гонке за прибылью. Но этого не происходит. Почему?
Непонятные противоречия
В январе минувшего года учёные Университета Гарварда заявили об окончании разработки ТТА, который заряжается за десять минут и имеет более продолжительный срок службы по сравнению с литий-ионными батареями. Одна из проблем последних — сравнительно быстрая деградация, потеря ёмкости со временем.
С другой стороны, весной того же года глава CATL, крупнейшего концерна по производству аккумуляторов, внезапно заявил, что технология создания твердотельных батарей небезопасна. Оба источника — авторитетные, поэтому в нюансах сущности ТТА стоит разобраться подробнее.
Кто был у истоков идеи?
Новейшим открытием твердотельные батареи назвать никак нельзя. Ещё в начале XIX века Фарадей открыл электролиты, способные находиться в твёрдом состоянии. Однако дальнейшего развития идея не получила, и к ней вернулись лишь в 1986 году, когда К. Канехори изобрёл тонкоплёночный аккумулятор. Но его энергии хватало разве что для питания часов. Звёздное время ТТА настало в 2017-м. Дж. Гуденоу (его по праву считают отцом технологии) продемонстрировал твердотельный аккумулятор, пригодный к практическому использованию. Уже в следующем году появилось несколько компаний, специализирующихся на разработке технологий создания ТТА. Это
- Marata Manufacturing из Японии,
- американская Solid Power,
- Quantumscape (США).
Причём в эти компании вкладывали средства такие известные автопроизводители, как
- BMW,
- Hyuhdai,
- Mazda,
- Mitsubishi,
- WV
и другие.
Плюсы твердотельных аккумуляторов
И ведь игра стоила свеч! Давайте посмотрим, какие основные плюсы у твердотельных батарей.
Эксплуатационный ресурс
Компания Quantumscape, которую спонсировал Volkswagen, в 2023-м представила прототип нового аккумулятора с твёрдым электролитом. После тысячи зарядок батарея потеряла только 5% ёмкости. Для сравнения — сегодня считается очень хорошим результатом, если АКБ после 700 циклов заряжания утратит 20%. Проще говоря, твердотельного аккумулятора хватит как минимум на десять лет использования, чего нельзя сказать о литий-ионной конструкции.
Плотность энергии
Плотность энергии измеряется в Вт/ч на килограмм веса. У традиционных батарей (лучших образцов) она достигает 350 Вт/ч на один килограмм. ТТА гарантируют 500 Вт/ч*1 кг. То есть электрокар на одной зарядке при одинаковом весе проедет на 30% дальше. Например, у Tesla Model Y Long Range аккумуляторы в сумме весят 771 килограмм. Если их заменить на твердотельные с такой же массой, электрокар проедет на одной зарядке не 500, а 650 километров. Даже когда у самой машины кончится срок службы, ТТА обеспечат больший запас хода, чем обычные АКБ.
Компактность и вес
Батареи, которые используют сегодня на электромобилях, занимают основной процент от массы всей машины. В погоне за лучшими характеристиками техники производители делают больше ёмкость АКБ, что приводит к увеличению веса электрокара. В итоге повышается сопротивление качению, покрышки быстро изнашиваются, для разгона машины требуется больше энергии.
Дело дошло до того, что для тяжелых электрокаров типа Ford F-150 Lightning стали разрабатывать новые краш-тесты. Поэтому меньший вес и габариты ТТА при той же емкости — важный аргумент в их пользу.
Скорость зарядки
Электрокары с традиционными АКБ восполняют ёмкость в течение 20-40 минут. Это немало, если учесть, что, например, в РФ инфраструктура зарядных станций развита слабо. А если ещё и очередь?
Впрочем проблески тут есть. Недавно глава кабинета министров Михаил Мишустин подписал постановление, согласно которому на вновь строящихся АЗС их владельцы обязаны установить зарядную станцию мощностью не менее 44 кВт постоянного тока. Твердотельный аккумулятор восполняет ёмкость на 100% за десять минут, что сравнимо со временем, затрачиваемым на заправку бензином.
Безопасность
При ДТП или механическом повреждении жидкий электролит может разлиться, нанести вред здоровью водителя и пассажиров. ТТА такое не грозит.
Теперь об экологии. Сторонники твердотельной технологии уверяют, что авто с такими АКБ снижает углеродный выброс на 39% (требуется меньше кобальта и графита). При изготовлении аккумуляторов добываются полезные ископаемые: как только экскаватор начинает рыть землю, можно сказать, что ещё не построенный электрокар начал загрязнять атмосферу углеродом.
Минусы твердотельных аккумуляторов
А что же минусы? Их тоже хватает.
Дороговизна
Чтобы стоимость ТТА упала, нужно время. В мире сегодня действует налаженная технология производства традиционных аккумуляторов. В одночасье "перейти на другие рельсы" не получится: потребуется резкое увеличение производства, а этого пока не происходит (см. далее).
Низкая температура и кристаллизация
Это одно из слабых мест твердотельных батарей. В литий-ионных АКБ производители применяют терморегулирование жидкого электролита. В ТТА такое сделать нельзя, так как их элементы находятся под давлением свыше 2500 килограммов на квадратный сантиметр.
Литий, когда он в твёрдом состоянии, начинает "расти", формируя новые кристаллы по самым разным направлениям. Суть опасного явления в том, что эти кристаллы могут проткнуть другие части аккумулятора. В случае ДТП начнут выделяться токсичные пары, вредные для человека. К тому же, из-за этого батарея немного расширяется при зарядке, что небезопасно. Так что будущее твердотельных аккумуляторов пока под вопросом.
Уточнения
Электрический аккумулятор — вторичный химический источник тока многоразового действия, который может быть вновь заряжен после разряда. Для заряда аккумулятора электрический ток пропускается в направлении, обратном направлению тока при разряде.