Твердотельные батареи: что это такое и как изменят электромобили

Изучаем технологию, которая может произвести революцию в электромобилях

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

Твердотельная батарея 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. 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.

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. Также 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, твердотельная батарея должна содержать аноды из чистейшего лития. 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 твердотельная батарея – это, чем 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.

Источник: auto.ru от Александр Селиванов
Фото: BMW Mercedes-Benz