Поиск экономичной и эффективной твердотельной батареи для электромобилей может оказаться эквивалентным поиску золотого руна в греческой мифологии. Согласно легенде, любой, кто обладал золотым руном, считался истинным правителем. Согласно нынешней технологии, любой, кто мог бы разработать экономичную и эффективную твердотельную батарею, управлял бы миром электромобилей.
Разработка практичной твердотельной аккумуляторной батареи вызвала значительный интерес со стороны автомобильных компаний (изображение свинца показывает потенциальную реализацию твердотельных батарей для Audi e-tron). Например, Volkswagen недавно увеличил свою долю в QuantumScape, разработчике твердотельных аккумуляторных батарей.
Доктор Аксель Хайнрих из Volkswagen отмечает: «Мы хотим ускорить коммерциализацию твердотельных аккумуляторов QuantumScape. И мы объединили усилия, чтобы использовать опыт Volkswagen, как специалиста по производству автомобилей, и лидерство в технологии QuantumScape. Таким образом, Volkswagen делает еще один шаг к устойчивой мобильности с нулевым уровнем выбросов для наших клиентов в будущем». Инвестиции Volkswagen в основанный США QuantumScape, делает его крупнейшим акционером среди всех производителей автомобилей.
С 2012 года Volkswagen Group Research уже тесно сотрудничает с QuantumScape. Основанная в 2010 году, QuantumScape со штаб-квартирой в Сан-Хосе, Калифорния, имеет около 200 патентов и патентных заявок на технологию твердотельных аккумуляторов. Ее опыт делает компанию ведущим «пионером» в разработке этой формы хранения энергии.
QuantumScape и Volkswagen будут работать вместе в недавно образованном совместном предприятии с целью обеспечения промышленного уровня производства твердотельных батарей. Одной из долгосрочных целей является создание производственной линии для твердотельных аккумуляторов к 2025 году.
«Тайный аккумулятор»
К сожалению, характеристики аккумуляторной батареи для использования в электромобилях еще не описаны, поскольку никто не выпустил такой аккумулятор соответствующего размера и стоимости для электромобиля.
«Именно в этом и есть проблема», — говорит д-р Милан Розина, старший аналитик силовой электроники и источников питания, в подразделении Power & Wireless. «Мы можем описывать различные подходы, как на материалах, так и на уровне производства, но нам нужно больше данных при тестировании ячеек всего аккумулятора, а также о конструкции и компонентах батареи (включая управление температурой, контроллер заряда (BMS) и прочее).
«Однако разработка различных технологических модулей не может быть выполнена полностью параллельно. Это означает, что сначала нам нужно разработать стек ячеек (исправить выбор материалов для электролита и электродов) и способ изготовления, а затем мы можем продвинуться дальше, оптимизируя процесс изготовления и компоненты аккумуляторной батареи. Вкратце, мы можем описать различные подходы, а не один «универсальный» подход. В зависимости от материала и используемого процесса, характеристики будут различны».
Универсальный подход пока еще не придуман, но многие крупные игроки рынка усиленно работают над этим.
«Оценка уровня готовности технологии в основном полагается на отзывы, полученные от R & D и промышленных игроков», — говорит Розина. «Это позволяет составить картину о развитии технологий и времени выхода на рынок, что гораздо более реалистично по сравнению с тем, что мы обнаружили в публичных заявлениях некоторых компаний».
«Перекрестная проверка информации от разных игроков (R & D, поставщиков материалов, автомобильных производителей) позволяет получить объективную картину. Для оценки начала коммерциализации твердотельной батареи также хорошо позиционировать эту новую технологию с очень хорошо зарекомендовавшей себя традиционной литий-ионной технологией с точки зрения безопасности, производительности и затрат. Кроме того, у Li-ion еще есть неиспользованный потенциал для дальнейшего улучшения производительности и снижения затрат — твердотельная батарея должна сравниваться с движущейся мишенью».
Твердотельное состояние похоже на самый лучший вариант
Сегодня твердотельная технология аккумуляторных батарей рассматривается как наиболее перспективный подход к электронной мобильности будущего. Например, твердотельная батарея увеличила бы расстояние для Volkswagen E-Golf примерно до 750 км, по сравнению с нынешними 300 км.
Эта технология имеет дополнительные преимущества по сравнению с существующей литий-ионной технологией: более высокая плотность энергии, повышенная безопасность, более быстрая зарядка и, прежде всего, занимают значительно меньше места. Твердотельная батарея такого же размера, как и обычный автомобильный аккумулятор, имеет значительно большую емкость, что позволяет ей выдавать намного больше энергии.
Но, несмотря на то, что данный подход имеет большие перспективы, прогресс был достигнут, но ни один другой производитель батарей не смог достичь производительности, необходимой современному электромобилю. Volkswagen успешно протестировала твердотельные батареи QuantumScape на ранней стадии в Германии, работающие на электромобильных мощностях питания — в первую очередь в промышленности.
В течение последних нескольких лет многочисленные игроки делали заявления о готовности прототипов и ожидаемого начала коммерциализации, только чтобы рассмотреть их и, в конечном счете, отменить или отложить. И, несмотря на десятилетия развития, многие технологические проблемы остаются нерешенными.
Исследование технологии твердотельных батарей относится к концу 1950-х годов. Технология твердотельных аккумуляторов обнаружила применение в виде микробатарей в качестве источника питания в микроэлектронике для датчиков и других элементов. К сожалению, материалы и методы производства, используемые для изготовления микробатарей, чрезвычайно трудно перевести на производство аккумуляторов большого объема на рентабельной основе.
Согласно анализу Yole, нынешний импульс для растущего интереса к твердотельным батареям — сильное влияние мировых автопроизводителей электромобилей и гибридных автомобилей. В настоящее время гибридные и подключаемые электрические автомобили используют различные технологии аккумуляторов, включая литий-ионный, никель-металлгидридный (NiMH), свинцово-кислотный и электрический двухслойный конденсатор (или ультраконденсатор), при этом многие производители автомобилей принимают литий-ионные решения для своих предложений электротранспорта.
Развитие аккумуляторных батарей стимулируется развитием электромобильного транспорта
Многие технологические модули участвуют в разработке технологии создания твердотельных аккумуляторов, включая экранирование электролитного материала, усиление ионной проводимости, стабильность интерфейса электролита / электрода, литиевый металлический анод, сепараторное покрытие, методы изготовления ячейки и упаковки, контроллер заряда ячейки (BMS) и дизайн самого аккумулятора.
Yole Development заявляет, что более 100 компаний и R & D игроков участвуют в разработке твердотельных батарей. Для новой технологии может показаться удивительным, что только 14 из 68 промышленных компаний идентифицируют себя как компании-стартапы (Ionic Materials, NEI Corp., QuantumScape и другие). Эти стартапы в основном занимаются экранированием и разработкой электролитного материала (рисунок выше).
В число ведущих фирм, занимающихся такими же исследованиями и разработками, входят Toyota, BMW, Volkswagen, Renault-Nissan-Mitsubishi Alliance и Hyundai. Лидер здесь считается Toyota с огромной историей развития и более 200 инженерами, работающими над твердотельными аккумуляторами.
Реальное участие производителей гибридных автомобилей и электромобилей чрезвычайно важно для коммерциализации твердотельных батарей. Помимо огромного рыночного потенциала, они привносят ноу-хау в соответствие с потребностями батареи электромобилей и гибридных автомобилей, сборкой, тестированием и квалификацией аккумуляторной батареи. И, на самом деле, упрощение конструкции аккумуляторных батарей и их компонентов улучшит конкурентоспособность твердотельных аккумуляторов по сравнению с обычными литий-ионными батареями.
Сегодня большая часть разработок на твердотельных батареях осуществляется с помощью партнерств (рисунок ниже). Среди игроков — обычные литий-ионные аккумуляторы (например, Samsung SDI, LG Chem, A123 Systems), поставщики различных решений для аккумуляторных батарей (Asahi Kasei) и поставщики материалов (Solvay, Umicore и так далее).
Согласно прогнозу Yole Développement, массовое производство твердотельных аккумуляторных батарей начнется к 2022 году и составит менее 1% от спроса на литий-ионную батарею к 2025 году. Это может объяснить относительный низкий интерес со стороны поставщиков оборудования, который может измениться, когда крупные твердотельные аккумуляторы выйдут на рынок.
Оставьте комментарий