Press "Enter" to skip to content

Твердотельные аккумуляторы продвигаются к обещанной быстрой зарядке, длительному сроку службы и более безопасному использованию

Разработка литиевых батарей нового поколения на основе твердых электролитов может в корне решить некоторые ключевые проблемы электромобилей (EV):

  • Запас хода: большинство электромобилей имеют запас хода не более 500 км (300 миль).
  • Время зарядки: для зарядки существующих аккумуляторных блоков требуется более часа, а для зарядки электромобиля, оснащенного твердотельной батареей, потребуется около 10 минут.
  • Потеря заряда: элементы могут потерять почти треть своей емкости в течение десятилетия.
  • Безопасность: обычные жидкие электролиты, содержащие ионы лития между электродами, представляют серьезную угрозу безопасности из-за используемых легковоспламеняющихся материалов.

Всего несколько недель назад несколько стартапов и существующих OEM-производителей, пытающихся разработать твердотельные батареи, объявили об инновациях, которые могут ускорить внедрение электромобилей, предоставив автопроизводителям более безопасную и дешевую альтернативу литий-ионным аккумуляторам.

Например, QuantumScape, которая является стратегическим партнером Volkswagen, объявила многообещающие результаты испытаний твердотельного элемента. В то же время шестилетний стартап под названием Solid Power показал, что он создал функционирующий твердотельный элемент и производит прототип батарей с 10 сложенными слоями на пилотном заводе в Колорадо.

Кроме того, Toray Industries создала непористый сепаратор для литий-ионных аккумуляторов, который может значительно увеличить емкость аккумулятора за счет повышения безопасности литий-металлических анодов, а Toyota заявила, что планирует использовать технологию твердотельных аккумуляторов в своих производственных автомобилях к 2025 году.

Давайте рассмотрим эти события по очереди.

QuantumScape

В сообщении для прессы QuantumScape, 10-летний стартап из Сан-Хосе, Калифорния, представил технические результаты лабораторных испытаний твердотельной батареи компании. Раньше твердотельные батареи, работающие с металлическим литием на высоких уровнях мощности, страдали коротким сроком службы и медленной скоростью зарядки. Но согласно данным QuantumScape, его НЕГОРЮЧИЙ элемент может заряжаться до 80% емкости за 15 минут, сохранять более 80% своей емкости после 800 циклов зарядки и имеет объемную плотность энергии более 1000 ватт-часов на литр, что почти в два раза больше, чем плотность энергии коммерческих литий-ионных элементов.

Катод, или положительный полюс QuantumScape, состоит из оксида никель-марганца и кобальта, который часто используется в батареях электромобилей. Однако его отрицательный электрод, или анод, сделан из чистого металлического лития, который создается на месте, когда готовый элемент заряжается, а не во время производства элемента (рисунок ниже).

Показан однослойный твердотельный литий-металлический аккумулятор QuantumScape

Твердотельная конструкция еще больше увеличивает удельную энергию, поскольку, как говорят разработчики, не требует избыточного лития на аноде. В некоторых предыдущих попытках создания твердотельных аккумуляторов использовался анод из осажденного лития, который снижает плотность энергии.

Ключевым прорывом является использование керамического сепаратора между катодом и анодом для замены жидкого электролита, используемого в обычных аккумуляторных элементах. Как и жидкий электролит в этой схеме, ионы лития перетекают от одного вывода к другому, когда батарея заряжается и разряжается. Во время разряда литий течет от анода к катоду, и сторона анода сжимается. Тонкий, как человеческий волос, разделитель (или сепаратор) — это «секретный соус» твердотельной батареи. Он должен действовать как барьер, который удерживает дендриты лития — металлические усики, которые образуются на литий-металлических анодах во время циклов зарядки — от попадания между электродами и возникновения короткого замыкания.

Дендриты возникают из-за явления, при котором кристаллы ветвистой формы растут на поверхности отрицательного электрода из-за неравномерной химической реакции. Дендриты лития образуются по порам микропористой пленки. Устранение пор сепаратора может остановить такой рост, но обратная сторона — это значительное снижение проницаемости для ионов лития. Твердотельный сепаратор QuantumScape заменяет органический разделитель, используемый в обычных элементах, обеспечивая безанодную архитектуру с нулевым избытком лития.

В прошлом при разработке твердотельных аккумуляторов использовался либо полимер — предпочтительный материал сепаратора для батарей с жидким электролитом, — либо твердая керамика. К сожалению, полимеры не блокируют дендриты. Керамика, используемая для экспериментальных твердотельных батарей, оказалась слишком хрупкой, чтобы прослужить достаточное количество циклов зарядки. QuantumScape не раскрывает природу используемого сепаратора, за исключением того, что материал легко доступен.

Недавно опубликованные результаты QuantumScape, основанные на тестировании однослойных аккумуляторных элементов, показывают, что его твердотельные сепараторы способны работать с очень высокой мощностью, обеспечивая 15-минутную зарядку до 80% емкости, быстрее, чем у обычных аккумуляторов.

Тестируемые элементы представляли собой однослойные карманные элементы большой площади в целевом промышленном форм-факторе с толстыми катодами, работающими с темпом один час заряда и один час разряда при 30 ° C. Эти испытания показали, что после 800 циклов остаточная емкость превышает 80%.

Тонкая ячейка, представленная QuantumScape, должна быть сложена вместе с примерно 100 другими ячейками, чтобы сформировать полную ячейку размером с колоду карт. Пока компания не тестировала полностью укомплектованную аккумуляторную батарею.

Solid Power

Шестилетний стартап под названием Solid Power также сделал функционирующий твердотельный элемент. Воспламеняющийся жидкий электролит в обычной литий-ионной батарее заменен запатентованным сульфидным твердым электролитом. Solid Power начала производство 22-слойных твердотельных литий-металлических аккумуляторов емкостью 330 Вт / кг на непрерывной производственной линии компании на пилотном заводе в Луисвилле, штат Колорадо (рисунок ниже). Компания планирует к 2022 году превысить мощность в 400 Втч / кг.

22-слойный твердотельный литий-металлический аккумулятор емкостью 20 Ач сравнивается с 10-слойным аккумулятором емкостью 2 Ач первого поколения

Solid Power имеет партнерские отношения с рядом автопроизводителей, включая BMW Hyundai и Ford, для совместной разработки полностью твердотельных аккумуляторов. Компанию также поддерживают видные инвесторы, включая Samsung, Volta Energy Technologies и Solvay.

10-слойные карманные элементы Solid Power емкостью 2 Ач демонстрируют стабильную раннюю цикличность при температуре, близкой к комнатной, в то время как соответствующие двухслойные карманные элементы уже превысили 250 стабильных циклов заряда / разряда. Ожидается дальнейшее продвижение до начала формального процесса внедрения в автомобильную промышленность.

Solid Power продемонстрировала новейшие электродные композиции компании, которые поступят на производственную линию в 2021 году, в том числе:

  • Надежная работа при −10 ° C
  • 50% быстрая зарядка за 15 минут при комнатной температуре
  • толщина сепаратора всего 25 микрон

Компания ожидает, что в начале 2022 года начнется формальный процесс автомобильной аттестации с твердотельными аккумуляторными элементами еще большей емкости.

Toray Industries

Toray Industries создала непористый сепаратор для литий-ионных батарей, который может значительно увеличить емкость за счет повышения безопасности литий-металлических анодных батарей. Компания Toray решила проблему образования дендритов лития на литий-металлических поверхностях во время зарядки — проникающих через сепараторы и вызывающих короткие замыкания, снижающие безопасность, — с помощью технологии молекулярной конструкции из жаропрочных арамидных полимеров. Таким образом, компания смогла подавить образование дендритов в литий-металлических анодных батареях, сохранив при этом ионную проводимость. Это было сделано за счет использования полимера в качестве непористого сепаратора, содержащего беспористый слой на микропористом сепараторе.

Toray показал, что батарея с таким сепаратором подавляет короткие замыкания, связанные с дендритами, и сохраняет более 80% своей емкости после 100 циклов зарядки / разрядки. Компания также заявила, что ускорит исследования и разработки, чтобы быстро внедрить технологии с литий-металлическими анодными батареями для обеспечения сверхвысокой емкости и безопасности для литий-ионных батарей завтрашнего дня.

Toyota

Toyota разрабатывает твердотельный аккумулятор, который, по словам представителей компании, сможет проехать 500 км на одной зарядке и полностью зарядиться за 10 минут. И он будет делать это с минимальными проблемами безопасности. Toyota планировала представить свою твердотельную батарею на Олимпийских играх в Токио в этом году, прежде чем они была отложены из-за пандемии.

Toyota также планирует стать первой компанией, которая продаст электромобиль с твердотельной батареей в начале 2020-х годов. Ожидается, что в следующем году крупнейший в мире автопроизводитель представит прототип электромобиля с твердотельным аккумулятором.

Оставьте комментарий

Добавить комментарий

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