Будущее технологий батарей

Движение в сторону следующего поколения батарей основывается на двух концепциях: усовершенствование текущих технологий или полное переосмысление в пользу новых типов ячеек. Компании Factorial, QuantumScape и Group14 активно работают над достижением передовых решений в этой области. Благодаря сотрудничеству с ведущими автопроизводителями, их нынешние разработки могут в скором времени существенным образом повлиять на выбор покупателей автомобилей.

Новшества в разработке батарей

Компании Factorial и QuantumScape занимаются разработкой твёрдотельных батарей, хотя это всё ещё остается зарождающейся технологией. У каждой компании свой взгляд на то, как должны работать такие батареи. Основное изменение заключается в замене традиционного жидкого электролита на твёрдое вещество, что открывает возможности для модификации других частей батареи, особенно анода. Улучшенный анод играет ключевую роль в достижении большей энергоёмкости, снижении стоимости и веса батарей.

Аноды будущего и их важность

Анод, составляющий отрицательный электрод, является важнейшим компонентом литий-ионных батарей наряду с катодом, сепаратором и электролитом. В настоящее время почти все аноды изготавливаются из графита, который уже достиг предела своей эффективности. Изыскание альтернативы графиту важно для повышения энергоёмкости батарей как по массе, так и по объёму.

Твёрдотельные решения: от теории к практике

Литий считается лучшим материальным вариантом для анодов благодаря своей малой массе и высокой энергоёмкости. Исследования по использованию литиевого металла в обычных жидкостных ячейках не вышли за пределы лабораторий, поскольку они были подвержены опасному образованию кристаллов — дендритов, что вызывало короткие замыкания. В отличие от этого, твёрдотельные электролиты позволяют избежать подобных проблем, что и делает их ведущими кандидатами в разработке SSB.

Достижения и перспективы

Основательница компании Factorial, Сию Хуан, которая уже несколько лет занимается разработкой SSB, рассказывает, что первые успехи её компании в 25 циклов для элемента на 100 ампер-часов стали большим прорывом. Сегодня её компании удалось значительно продвинуться, и их батареи, уже отправленные партнёрам, таким как Stellantis и Mercedes-Benz, могут выдерживать более 600 циклов.

Сию Хуан открыто делится данными об успехах своих твёрдотельных ячеек, подчёркивая, что их разрядные характеристики представляют значительное улучшение в сравнении с традиционными батареями. Она отмечает, что их аккумуляторы на 40% легче и на треть меньше по размеру, чем сопоставимые модели, что может оказать значительное влияние на рыночные предпочтения в будущем.

Твердотельные батареи еще не достигли стадии промышленного производства, что частично объясняется подходом к их разработке, как заметила одна из экспертов. Это связано с разнообразием типов твердотельных решений. Например, у компании Factorial множество конкурентов, включая калифорнийскую QuantumScape.

QuantumScape, как и Factorial, ведет работы по индустриализации своих батарей, отправляя первые образцы клиентам. Генеральный директор компании, Сива Сиварам, объясняет, что их «секретный ингредиент» — уникальный керамический сепаратор. Он функционирует как традиционный сепаратор, но также заменяет электролит и, в отличие от стандартных литий-ионных сепараторов, не воспламеняется.

Элементы QS не содержат анодов: литий перемещается с катода на токоприемник при каждом цикле батареи, как бы выполняя роль анода. Эта конструктивная особенность вызывает физические изменения размеров батарей, но уникальный дизайн предотвращает значительное изменение внешних габаритов устройства.

Сива отмечает: «Наш керамический сепаратор — уникален, словно формула Coca-Cola. По мощности, энергии, весу и объему твердотельные батареи, как те, что у нас, — превосходны.» Хотя их полные технические характеристики пока не представлены, предварительные данные указывают на значимость их инноваций.

Конкуренция с традиционными батареями

Несмотря на усилия разработчиков твердотельных батарей, процесс появления дендритов остается неизбежным, что снижает срок их службы до сотен циклов. Кроме того, текущие технологии позволяют их производство только в виде упаковки, в то время как традиционные литий-ионные батареи бывают цилиндрической или призматической формы.

Глава компании Group14, Рик Любе, предпочитает традиционные литий-ионные технологии с анодами на основе кремния. Их применение позволяет значительно увеличивать энергоемкость и плотность мощности. Эта технология уже используется в потребительской электронике и скоро будет доступна в электромобилях.

Group14 не занимается производством батарей, а лишь предоставляет материалы для анодов в больших объемах таким компаниям, как Molicel. Разработки Group14 значительно улучшили энергию и позволили ускорить зарядку, что стало неожиданностью для команды Любе. Один из клиентов компании сообщил, что их аккумуляторы заряжаются менее чем за десять минут.

Этот прорыв связан с плотностью мощности, которая определяет, насколько быстро может заряжаться или разряжаться аккумулятор в зависимости от его емкости. Выпущенные батареи Molicel обещают удвоение токов зарядки, что увеличивает дальность хода и сокращает время зарядки электромобилей.

Сознательное сокращение энергии в аккумуляторе для достижения оптимальных характеристик может привести к увеличению плотности мощности до небывалых высот. «Новая серия X от Molicel, как они утверждают, может заряжаться от нуля до полного за 90 секунд», — отметил Льюбе. Он добавил, что Group14 протестировала эти новые элементы и подтвердила эти результаты.

Не только Molicel разрабатывает аккумуляторы с анодными материалами от Group14. Компания имеет множество партнеров и быстро наращивает производство своего текущего поколения кремниевого материала SCC55. В ближайшее время ее мощности позволят выдавать SCC55 на 30 гигаватт-часов аккумуляторов в год, что достаточно для около полумиллиона электромобилей.

Сроки и перспективы

Генеральные директора компаний QuantumScape, Factorial и Group14 предпочли не обсуждать технологии конкурентов. Вероятно, это связано с непростотой сравнений или с пониманием важности индустриализации батерейных технологий. Это сложный процесс, и потребители автомобилей не всегда это осознают.

Однако технологии аккумуляторов реальны. Анодные ячейки Group14 с высоким содержанием кремния будут установлены в автомобили, как только автопроизводители смогут интегрировать их в свои системы. Твердо-тельные батареи также находятся на подходе, учитывая типичный пятилетний цикл продуктов автоиндустрии. Тысячи таких ячеек уже выпущены и проходят испытания.

Историческая перспектива

Если вам кажется, что электрификация замедляется, вспомните с чего все началось. Tesla Model S и X до сих пор используют элементы 18650, которые изначально были предназначены для бытовой техники. До сих пор основные достижения касались архитектуры: увеличение напряжения, изменение форм-факторов батарей, оптимизация дизайна автомобилей. Батареи улучшались, но не так радикально, как это предстоит. Эта смена покажется быстрой, однако, технология разрабатывалась десятилетиями и, наконец, готова к массовому внедрению.