Уже долгое время твердотельные аккумуляторы считаются главной надеждой электромобилей на глобальное доминирование над топливными машинами. Такие батареи разрабатываются во многих странах, но самые интенсивные работы ведутся в Китае. Например, компания Chery уже давно самостоятельно разрабатывает твердотельные аккумуляторы, а в прошлом году даже показала оснащенный ими концепт-кар Liefeng. Впрочем, лабораторными или тестовыми образцами твердотельных батарей сейчас никого не удивишь, а вот запуск их в серийное производство уже в будущем году действительно выглядит любопытно.
Концепт-кар Liefeng
Компания Chery рассекретила концептуальную твердотельную батарею с непривычно высокой плотностью хранения энергии. В ней полимеризованный твердый электролит взаимодействует с катодом из лития и марганца. Разработчики смогли добиться плотности энергии, равной 600 Вт⋅ч/кг, что приблизительно в два раза больше среднего показателя нынешних литий-ионных аккумуляторов. В теории новшество обеспечит электромобилям дальнобойность до 1500 км, но, как признается автопроизводитель, реальный пробег без подзарядки с подобной батареей будет скромнее, но все равно останется немалым — около 1300 км.
Особое внимание при испытаниях уделялось безопасности перспективных батарей. В ходе тестов прототип аккумулятора пережил серьезные механические воздействия: его пробивали гвоздями и сверлили электродрелью, но это не привело к задымлению либо возгоранию. Начало пилотного выпуска твердотельных батарей Chery намечено на следующий год, а их полномасштабное внедрение в массовые электромобили — на 2027 год.
Тем временем китайские ученные уже подготовили несколько путей дальнейшего усовершенствования твердотельных батарей. Например, обычные твердые электролиты на основе сульфидов очень жесткие и хрупкие, а литий-металлические аноды, наоборот, мягкие и гибкие. По этой причине граница раздела между ними мешает переносу ионов, что снижает общую эффективность батареи. Сразу три подхода для решения этой проблемы предложили разные группы китайских ученых.
В Институте физики Китайской академии наук предложили применять в роли межфазного посредника ионы йода. При работе аккумулятора они перемещаются к границе раздела электрода и электролита, помогая притягивать ионы лития и заполнять микроскопические зазоры, что обеспечивает более плотный контакт между материалами.
Другой метод, разработанный Институтом исследования металлов при Китайской академии наук, предусматривает создание полимерного каркаса для электролита ради повышения его устойчивости к изгибу и скручиванию с сохранением структурной целостности: тесты показывают, что материал способен выдержать 20 тысяч циклов изгиба и скручивания. Новые химические компоненты увеличили подвижность ионов лития и повысили энергоемкость материала на 86%.
Третий подход, разработанный Университетом Цинхуа, предполагает применение фторированных полиэфирных материалов для усиления электролита. Устойчивость фтора к высокому напряжению помогает образованию стабильного фторидного слоя на поверхности электрода, что предотвращает электрический пробой под действием напряжения. Такие элементы пережили тесты на прокол и нагрев до 120 °C. Тестовые твердотельные ячейки имеют удельную энергоемкость 604 Вт⋅ч/кг.
Главной задачей всех изысканий является создание безопасного твердотельного аккумулятора массой 100 кг, который сможет обеспечить до 1000 км запаса хода против прежних 500. Однако, помимо научно-технических проблем, внедрению твердотельных батарей препятствует экономический фактор. Даже расчетная стоимость перспективных аккумуляторов в 2,8 раза выше традиционных батарей, а реальная наверняка окажется еще больше. Впрочем, при по-настоящему массовом производстве и отлаженных технологиях эта разница должна сократиться, и тогда качественный скачок совершат не просто сами тяговые батареи, но и электромобили, популярность которых резко возрастет.
Помимо разработки новых аккумуляторов, в Китае приняты обновленные нормы утилизации старых батарей. Согласно им, из отработавших свое аккумуляторов должно быть извлечено свыше 99% ключевых материалов: никеля, кобальта и марганца. Теперь суммарное количество стандартов составляет 22. При этом ряд китайских фирм уже достиг показателя 99,6% по извлечению никеля, кобальта и марганца и 96,5% — для лития.