Твердотельные аккумуляторы – 1200 км и 10 минут зарядки: когда будет массовое производство?

Еще совсем недавно, в 2014-2018 годах, в мире наблюдался настоящий бум по поводу организации производства твердотельных аккумуляторов (ТТА). Причем, как для бытовой техники, гаджетов, так и электрокаров.


Например, в 2016-м глава компании Fisker Inc (в этом году она подала заявление о банкротстве) пообещал: электромобили с его ТТА смогут преодолевать 500 миль без подзарядки, через полгода цифра снизилась до 400, а потом и 300 миль. Руководитель Dyson Дж. Дайсон в 2017-м уверял, что его компания более двух лет работает над твердотельными батареями. Однако на вопрос, будут ли его электрокары комплектоваться ТТА, выпуск которых планируется на 2021 год, тогда не ответил. Осенью 2019 проект был свернут.


Но дальше всех пошли китайцы: в 2018 году один из руководителей стартапа Qing Tao Energy Development Co объявил во всеуслышание, что в г. Куньшань развернута производственная линия по выпуску ТТА. В проект вложено 144 млн долларов. Мощность линии к 2020 году должна достигнуть 700 МВт*ч в год. Это значит, что выпускаемых батарей хватит примерно на 14 тыс. электромобилей. Но на сегодня о результатах пока ничего не слышно.


Более осторожными в то время в своих высказываниях были представители концернов VW, BMW, Toyota. Первые говорили о массовом производстве ТТА не ранее 2025 года. Инвестиции составили 100 млн долларов. Баварский автопроизводитель заключил соглашение со стартапом Solid Power (США). Hyundai сообщала, что разрабатывает проект по организации производства ТТА, но сроки названы не были.


С той поры накал страстей несколько снизился, да и пандемия «сделала свое дело». Но интерес к производству энергоемких аккумуляторов не угас. Об этом мы расскажем позже, а сначала стоит разобраться, что это за «зверь» такой – твердотельные батареи. Об электролите нежидкого типа было известно еще в ХIX веке. Однако сильный интерес к нему возобновился лишь на рубеже нынешнего и прошлого столетий.

Твердотельные аккумуляторы обычными словами

Для их производства применяется особая технология, которая так и называется: Solid-State Battery. В переводе с английского – «батарея с твердым телом». Главное отличие ТТА от предшественников заключается в использовании электролита, представляющего собой композитные (полимерные) материалы. Чаще всего это сульфиды, оксиды неорганического типа либо керамика. У каждого разработчика – своя формула, которую он хранит в тайне.


В литий-ионных АКБ применяют жидкость, гели или пропитки. Но принцип работы у твердотельный батарей такой же: в ходе зарядки происходит перемещение ионов в анод (может быть сделан из лития) из катода (его роль играет воздух, металл или сера), при расходовании емкости – наоборот. Движение частиц осуществляется через электролит. Давайте оценим плюсы и минусы твердотельных батарей.

Лучшая плотность энергии и ее быстрое восполнение

По сравнению с литий-ионными АКБ, ТТА способны сохранить больше емкости в пересчете на единицу объема (веса). Проще говоря, такая же по массе и габаритам твердотельная батарея обеспечит электрокару продолжительный пробег (увеличение километража составит 20-30%). А если взять расстояние, пройденное машиной на литий-ионном аккумуляторе, то такое же прохождение пути гарантирует ТТА при гораздо меньших размерах и весе.


Твердотельные батареи заряжаются быстрее своих литий-ионных «коллег». Все дело в лучшей проводимости электрического тока, что связано, согласно закону Ома, с меньшим внутренним сопротивлением. На современных достижениях в плане скорости зарядки аккумуляторов имеет смысл остановиться подробнее.

Кто ближе всех стоит к массовому производству ТТА

Осенью минувшего года «Тойота» заявила, что компания в сотрудничестве с Idemitsu (японский нефтяной концерн) совершила технологический «прорыв» и готова приступить к массовому производству ТТА в 2027 году. Благодаря новой батарее пробег электромобилей достигнет 1200 км, а время зарядки сократится до 10 минут. Японский автопроизводитель занимается разработками твердотельный АКБ с 2006 года.


Уже этой осенью представитель тайваньской компании ProLogium Technology сообщил о создании первого в мире аккумулятора с композитным анодом из кремния. Батарея восполняет емкость на 60% за 5 минут. Электромобилю этого хватит, чтобы проехать примерно 300 км.


Твердотельный аккумулятор продемонстрировали в октябре этого года в Париже на ежегодном автосалоне. На выставке представитель ProLogium Technology заявил, что «с 2023 года мы превосходим конкурентов» в плане увеличения плотности энергии в батарее и скорости ее зарядки.


Однако ничего не сообщается ни о старте массового производства, ни о цене новинки. Еще можно отметить Nissan Motor, пообещавшую начать масштабное производство собственных твердотельных аккумуляторов в 2028 году. А в КНР на государственном ровне введен план CASIP, предусматривающий внедрение ТТА в конвейерное производство к 2030 году.

Низкая стоимость и безопасность

Первый плюс связан с меньшим использованием дорогих комплектующих, как, например, кобальт. В твердотельном аккумуляторе совсем немного компонентов: разделители и некоторые другие элементы отсутствуют. У литий-ионных АКБ больше габариты и масса. ТТА не требуют охлаждения, имеют больший эксплуатационный ресурс и мало подвержены износу при постоянной зарядке-разрядке.


Для окружающей среды такие батареи опасности представляют меньше, чем литий-ионные. Последние имеют в составе фтористые соединения, способные выделяться наружу в случае повреждения или даже перегрузки аккумулятора. Также ТТА имеют очень низкий уровень саморазряда, они не взрываются и не самовоспламеняются: электролит из них вылиться не может. На этом достоинства инновационных батарей заканчиваются, а что же с недостатками?

Минусы ТТА

Первая проблема – сложность в изготовлении: изделия требуют применения точных технологий. Необходимо применение твердого электролита с однородной структурой, обеспечивающей нужную плотность. Малейшие примеси резко снижают надежность и эффективность изделий.

Следующий недостаток, над которым сейчас активно работают – высокая чувствительность к кислороду, влаге и низким температурам. В холодном климате с ТТА возникнут проблемы: емкость будет падать. Батареи придется подогревать или разрабатывать изделия с другим твердым электролитом. Есть и еще один минус – отсутствие мировых стандартов. Это может стать препятствием для совместимости разных типов ТТА с конкретными моделями электрокаров.


Необходимо сотрудничество производителей ТТА с госструктурами, автомобильными компаниями и иными заинтересованными сторонами. Однако, стоит сказать: на сегодня все преимущества и недостатки твердотельных батарей еще не исследованы, т. к. длительный опыт их использования отсутствует.

Выводы и обобщения

То, что за ТТА – будущее, ведущие автопроизводители, выпускающие серийные электрокары, не сомневаются. Об этом косвенно свидетельствуют серьезные инвестиции в проекты по ТТА. Как мы писали выше, ближе всех к реализации массового производства стоит Toyota с ее планами на 2025-27 годы.


Такие же сроки указывает VW, вложившаяся в американскую QuantumScape, разрабатывающую керамические АКБ. Hyundai, Kia, Mercedes, Stellantis отдали предпочтение Factorial Energy (США) – компании, создающей твердотельную батарею на базе полимеров. Можно сделать вывод: многие ведущие мировые автопроизводители уверены, что еще до наступления 2030 года на рынке появятся электромобили, укомплектованные серийными ТТА.