Press "Enter" to skip to content

Большие ставки на твердотельные батареи — эффект не за горами

Производители автомобилей ожидают, что в ближайшие годы электромобили станут мейнстримом, заменив автомобили с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Для этого электромобиль должен иметь такой же уровень запаса хода, как и нынешние автомобили с ДВС, что означает увеличение емкости аккумулятора электромобиля.

Есть два способа увеличить емкость. Первый — увеличить количество аккумуляторов, но затем стоимость аккумуляторов на одно транспортное средство возрастет, и аккумуляторы будут занимать слишком много места в автомобиле. Альтернативой является переход к твердотельной батарее от существующих литий-ионных батарей, где во время зарядки и разрядки аккумулятора электрически заряженные частицы (или ионы) лития переходят от одного электрода к другому через жидкий электролит.

Твердотельные батареи обладают значительными потенциальными преимуществами по сравнению с обычными литий-ионными батареями. Твердотельный аккумулятор обещает быть легче, иметь большую плотность энергии (проще говоря, чем выше плотность, тем выше выходная мощность), быстрее заряжаться и быть более стабильным при экстремальных температурах. Материалы, предлагаемые для использования в качестве твердых электролитов в твердотельных батареях, включают керамику (например, оксиды, сульфиды, фосфаты) и твердые полимеры.

Исследовательская организация Yole Développemen ожидает, что коммерциализация твердотельных аккумуляторов начнется примерно в 2025 году. По данным Yole, к 2027 году рынок твердотельных аккумуляторов будет составлять около 2,36 ГВтч, за чем последует более ускоренный рост.

Твердотельный аккумулятор для электромобиля реальность или очередной пиар ход?

Во всем мире стремительно растет число исследовательских центров, работающих над новыми соединениями, которые будут служить и электродами, и электролитом будущих твердотельных батарей. По мере продолжения технического прогресса на рынке, вероятно, появятся несколько типов полностью твердотельных батарей. Первый тип — это твердотельные батареи с анодами на основе графита, обеспечивающие улучшенные энергетические характеристики и безопасность. Со временем, более легкие технологии твердотельных батарей с использованием металлического литиевого анода должны стать коммерчески доступными.

Помимо исследований материалов, эксперименты сосредоточены на улучшении производственного процесса с целью увеличения масштабов производства. Давайте посмотрим на последние события.

Последние достижения в области твердотельных батарей

Toyota, крупнейший в мире автопроизводитель, заключила партнерское соглашение с Panasonic и объявила, что прототип твердотельного аккумулятора дебютирует уже в этом году. Toyota также заявила о своем намерении инвестировать к 2030 году более 13,5 миллиардов долларов в разработку аккумуляторов следующего поколения, включая твердотельные.

Toyota стремится обогнать конкурентов на рынке твердотельных батарей. Что ей ответят конкуренты?

Toyota стремится снизить стоимость своих аккумуляторов на 30% и более, работая над улучшением используемых материалов и структурой элементов. Компания разрабатывает твердотельные батареи через Prime Planet Energy Solutions Inc., совместное предприятие с Panasonic, которое начало работу в апреле 2020 года и насчитывает около 5100 сотрудников, в том числе 2400 в китайском филиале.

Южнокорейский Hyundai вкладывает 100 миллионов долларов в SolidEnergy Systems (SES), дочернюю компанию Массачусетского технологического института. Компания SES, основанная в 2012 году, занимается разработкой безанодных литий-металлических батарей и планирует начать серийное производство твердотельных аккумуляторов уже в 2030 году.

По заявлению компании, благодаря усовершенствованию материалов для аккумуляторов SES они стали вдвое более энергоемкими, при этом сохраняя безопасность, сопоставимую с современными литий-ионными аккумуляторами. SES запустит пилотную производственную линию по производству прототипов, которые войдут в настоящие электромобили. Прототипы представлены в версиях на 50 и 100 А.

Volkswagen инвестировал в QuantumScape Corp., американскую компанию по производству аккумуляторов, поддерживаемую Биллом Гейтсом и SAIC Motors, которая намерена представить свою батарею в 2024 году для электромобилей VW. VW заявляет, что батарея будет предлагать на 30% больший запас хода, чем батарея с жидким электролитом, и будет заряжаться до 80% емкости за 12 минут, что вдвое меньше, чем у самых быстрых литий-ионных аккумуляторов, доступных сейчас.

QuantumScape заявляет о других существенных преимуществах по сравнению с литий-ионными аккумуляторами, включая более низкую стоимость производства из-за отсутствия необходимого материала анода. По оценкам компании, производственные затраты на ее батареи будут на 17% ниже, чем у литий-ионных. Улучшение дальности на 50-80%; и более продолжительное время автономной работы. Однослойные элементы фирмы показали более 1000 циклов заряда / разряда со средней задержкой энергии более 90%.

Toyota оснастила рабочую версию своего концептуального автомобиля LQ полностью твердотельными батареями

QuantumScape рассчитывает предоставить образцы прототипов к 2022 году. Компания также объявила о планах довести продукт до серийного производства в партнерстве с Volkswagen к 2024 году.

Литий-металлические аноды, часто используемые в твердотельных батареях, склонны вызывать рост дендритов, что может вызывать нежелательные побочные эффекты, снижающие срок службы батареи и ее безопасность. Компания Samsung разработала прототип аккумуляторной батареи, которая, как утверждается, способна обеспечить запас хода электромобиля на расстояние до 800 км без подзарядки и имеет срок службы более 1000 зарядов.

Исследователи Samsung предложили использовать композитный слой серебро-углерод (Ag-C) в качестве анода. Исследовательская группа обнаружила, что включение слоя Ag-C в прототип пакетного элемента позволило батарее поддерживать большую емкость и более длительный срок службы, а также повысить общую безопасность. Нанокомпозитный слой Ag-C толщиной всего 5 мкм позволил команде уменьшить толщину анода и повысить плотность энергии до 900 Втч / л. Это также позволило им сделать свой прототип примерно на 50% меньше по объему, чем обычный литий-ионный аккумулятор.

Ранее в этом году передовой технологический институт Samsung показал результаты исследования твердотельной батареи, которую можно заряжать / разряжать более 1000 раз с пробегом 800 км без подзарядки. Samsung ожидает, что прототип полностью твердотельных аккумуляторных батарей будет готов к 2025 году и начнет массовое производство в 2027 году.

BMW и Ford инвестируют 130 миллионов долларов в Solid Power, стартап по производству твердотельных батарей в Колорадо. Сообщается, что BMW получит в начале 2022 года испытательные ячейки для твердотельных батарей от Solid Power, которая заявляет, что ее твердотельная технология может обеспечить на 50% большую плотность энергии, чем нынешние литий-ионные аккумуляторы.

Solid Power расширяет свои производственные мощности и возможности по производству твердотельных аккумуляторов для электромобилей. Компания переезжает в здание площадью 75 000 квадратных футов (7000 м2), что дает ей возможность значительно увеличить производство электролитов на основе сульфидов, необходимых для их батарей.

Новое здание позволит Solid Power производить около 2 500 кг (около 5 500 фунтов) электролита в месяц по сравнению с нынешними 100 кг в месяц. Компания производит элементы на 20 Ач и вскоре начнет производство элементов на 100 Ач, которые будут использоваться в аккумуляторах электромобилей.

Еще не все процессы производства твердотельных батарей полностью отработаны. Сакуу из Калифорнии рассматривает 3D-печать как средство создания тонких (менее 50 мкм) керамических слоев. Компания считает, что единственный способ сделать это — использовать 3D-печать, а не обычный метод рулонной печати, поскольку керамика хрупкая и склонна к растрескиванию, когда электролит расширяется и сжимается во время использования. По оценкам Сакуу, для печати одного элемента батареи потребуется 30 секунд или меньше, а для 8000 элементов в аккумуляторной батарее мощностью 75 кВт потребуется максимум шесть часов.

Консорциум твердотельных аккумуляторов

Консорциум из семи британских организаций разрабатывает прототип технологии твердотельных аккумуляторов для автомобильных приложений и использует масштабируемые производственные технологии. Институт Фарадея — британский независимый институт исследований в области электрохимического накопления энергии — возглавит его развитие.

Твердотельные аккумуляторные батареи Технологический прорыв или очередной маркетинговый ход?

В консорциум также входят следующие организации, занимающиеся исследованиями, разработкой и производством аккумуляторов:

  • Britishvolt — британский разработчик Gigaplant.
  • E + R (Emerson & Renwick) — ведущий разработчик производственного оборудования.
  • Johnson Matthey- ведущий поставщик материалов для аккумуляторов в Великобритании.
  • Оксфордский университет — возглавляет проект Института Фарадея по производству твердотельных батарей (SOLBAT). Проект SOLBAT стартовал в марте 2018 года и недавно был продлен до апреля 2023 года.
  • Центр индустриализации аккумуляторов Великобритании — предприятие по разработке производства аккумуляторов, позволяющее наращивать производство аккумуляторов в Великобритании.
  • Уорикский университет — НИОКР по аккумуляторным батареям.

Твердотельные батареи могут существенно увеличить удельную энергию и улучшить другие параметры аккумуляторов. Практически очевидно, что твердотельный аккумулятор необходим для того, чтобы электромобили могли двигаться дальше и работать безопасно.

Создать твердый электролит, который был бы стабильным, химически инертным и при этом хорошо проводил бы ионы между электродами, непросто. Но учитывая количество автопроизводителей, академических институтов и стартапов, вкладывающих время и деньги в технологии, вопрос, скорее в том, когда, а не в том, окажутся ли их усилия успешными.

Оставьте комментарий

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *