Революция в области аккумуляторов наконец-то наступила

Электромобили развиваются невероятными темпами, но мы все еще находимся на начальной стадии. В Tesla Model S и X по-прежнему используются аккумуляторные элементы, которые никогда не предполагались для использования в автомобилях. Однако в мире автомобильных аккумуляторов еще многое произойдет. Мы вступаем в новую главу электрификации, когда на рынок уже выходят новые революционные технологии. Большинство людей просто еще этого не видели.

Движение к следующему поколению батарей имеет две точки зрения: поднять существующие технологии на новую высоту или полностью перейти к новому типу аккумуляторных элементов. Factorial, Quantumscape и Group14 — компании, участвующие в этой гонке, и у каждой есть идеи о достижении современного уровня техники. Все они имеют партнерские отношения с крупными автопроизводителями, а это означает, что то, что они делают сегодня, может оказать большое влияние на автомобили, которые вы скоро купите.

Что будет дальше

Factorial и Quantumscape разрабатывают твердотельные элементы. Это все еще новая технология, и несколько компаний, помимо Factorial и QS, имеют разные взгляды на то, как ей следует работать. Ключевым свойством всех этих батарей является затвердевание традиционно жидкого электролита. Однако твердый электролит дает преимущества не только в вакууме. Все дело в том, как можно изменить другие части аккумулятора в результате затвердевания — в основном анод. Хороший анод является ключом к раскрытию преимуществ SSB по плотности энергии, стоимости и весу.

Демо-изображение твердотельного аккумулятора.

Анод, часть отрицательного электрода, является одним из основных компонентов литиевых аккумуляторных элементов наряду с катодом (частью положительного электрода), сепаратором и электролитом. В настоящее время почти все аноды аккумуляторов изготавливаются из графита; первый анодный материал, который когда-либо успешно использовался в литий-ионных батареях. Однако графит близок к своему пику производительности, и поиск замены является ключом к увеличению плотности энергии батареи как с точки зрения массы, так и объема.

Литий является лучшим теоретическим материалом для анода из-за его небольшого веса и высокой энергоемкости. Исследователи уже пытались использовать литий-металлический анод в обычных элементах с жидким электролитом. Эксперименты никогда не покидали лабораторию. В качестве исследовательской работы Литий-металлический анод: прошлое, настоящее и будущее описывает, что кристаллы, называемые дендритами, образуются на анодах этих экспериментальных ячеек всего за несколько циклов. Как и во всех современных аккумуляторах, электролит представлял собой жидкость, а сепаратор был (и остается) по сути всего лишь чрезвычайно тонким куском пластика. Ни один из них не мог ничего сделать, чтобы предотвратить образование дендритов.

Во время зарядки элемента эти кристаллы проникли в сепаратор батареи и закоротили его. своего рода Забавно то, что клетки были хороши в течение тех нескольких циклов, которые они действительно работали. Батарея содержала больше энергии благодаря литий-металлическому аноду, но из-за роста дендритов эта дополнительная энергия была лишь топливом для огня, когда элемент неизбежно замыкался, загорался и взрывался.

Таким образом, эти исследователи не были Действительно изготовление литиевых батарей в лаборатории. Они делали небольшие взрывчатые вещества, которые хранили много энергии.

После долгих экспериментов промышленность пришла к выводу, что твердые электролиты, вероятно, являются лучшим способом предотвратить создание перезаряжаемых бомб. Другими словами, SSB были более или менее концептуализированы и разработаны в результате поиска идеального анода. Большинство разрабатываемых сегодня твердотельных элементов от Factorial, QuantumScape и других компаний, таких как Solid Power, имеют металлические литиевые аноды.

Основатель Factorial Сию Хуан — химик, который уже несколько лет занимается разработкой SSB. Она сказала, что когда одна из первых ячеек ее бостонской компании достигла 25 циклов, это было огромным шагом. «25 циклов для аккумулятора емкостью 100 ампер-часов, — вспоминала она, — все были так взволнованы». Сегодня аккумуляторы ее компании, тысячи которых были отправлены заинтересованным партнерам, таким как Stellantis и Mercedes-Benz, выдерживают более 600 циклов.

Экспериментальная твердотельная батарея Factorial.

Хуан открыто рассказала о возможностях своих клеток, что не всегда верно для компаний SSB. Она утверждает, что автомобильные аккумуляторы Factorial достигают температуры разряда от 4°C до 10°C, что сопоставимо с обычными аккумуляторами, используемыми в современных электромобилях. Они работают в несколько более широком диапазоне напряжений, чем обычные литий-ионные элементы, и могут заряжаться на 20–80% менее чем за 15 минут. Они также аналогичны лучшим на сегодняшний день батареям, но имеют одно огромное преимущество: твердотельные блоки Factorial на 40% легче и на 33% меньше, чем сопоставимые батареи. Хуанг воодушевлен их потенциалом, но понимает скептиков, которые говорят, что до этой технологии еще далеко.

«Причина, по которой твердотельное государство еще не было (пока промышленно) — это, прежде всего, подход», — сказала она. ВнутриEV. «Существует так много разных типов твердого тела». Действительно, у Factorial есть несколько конкурентов.

Калифорнийская компания Quantumscape — одна из них. Как и Factorial, она уже поставила клиентам первые аккумуляторы и находится в процессе индустриализации своих аккумуляторов. Ее генеральный директор Шива Шиварам говорит, что ее «секретным соусом» является уникальный керамический сепаратор. Он действует как обычный сепаратор, но также эффективно заменяет электролит. Он также негорючий, в отличие от обычных литий-ионных сепараторов.

Элементы QS являются «безанодными», что означает, что металлический литий течет от катода к токосъемнику на другой стороне сепаратора каждый раз, когда элемент работает. Этот переходный литий фактически является анодом по сравнению с обычным элементом, в котором анод материал остается на одной стороне сепаратора, прикрепленного к токосъемнику. В результате этого батареи QS физически расширяются и сжимаются, но уникальная конструкция элементов компании означает, что внешние размеры устройства остаются относительно постоянными.

Аккумуляторный блок Quantumscape.

«У нас есть эквивалент формулы Coca-Cola. Керамический сепаратор уникален», — сказал Шива. «По мощности и энергии, по весу и объему, эти твердотельные батареи без анода в том виде, в котором они созданы, являются лучшими».

Компания еще не опубликовала подробную спецификацию своих аккумуляторов, но поделилась некоторыми предварительными данными, подтверждающими значимость ее инноваций. И Factorial, и QS поддерживаются крупными автопроизводителями и привлекли сотни миллионов инвестиций. Однако не все думают, что литий-ионная технология мертва и похоронена.

Квантовый пейзаж

Несмотря на все усилия разработчиков SSB, в твердотельных ячейках по-прежнему образуются дендриты. Вот как они умирают. В настоящее время это ограничивает их сотнями циклов в отличие от тысяч, ожидаемых от многих традиционных химических процессов лития. Они постоянно совершенствуются, но консервативные автопроизводители могут не решиться встать на подножку. На данный момент они также ограничены форм-фактором чехла, в отличие от обычных литий-ионных батарей, которые также могут быть выполнены в цилиндрической или призматической форме. У каждого формата аккумуляторов есть свои плюсы и минусы, и зацикливаться на одном из них не идеально (см. последнюю презентацию GM ко Дню инвестора). «Мы будем пробовать другие форматы, исходя из потребностей наших клиентов», — сказал Сива, но SSB пока останутся в качестве пакетов.

Обычные соревнования

Рик Люббе — генеральный директор компании Group14, производящей материалы для аккумуляторов, которая не производит твердотельные элементы. Вместо этого Group14 является пионером в использовании анодов с высоким содержанием кремния в обычных литий-ионных батареях, что обеспечивает впечатляющую плотность энергии и значительное улучшение удельной мощности. Он считает, что твердотельные элементы имеют большой потенциал, но технология его компании уже готова. Он уже используется в бытовой электронике и, вероятно, появится в мире электромобилей в течение следующих нескольких месяцев.

Group14 не производит батареи; просто анодные материалы. Она поставляет их в огромных количествах таким компаниям, как Molicel, которые используют их в своих камерах. Создание этой технологии было долгим путем, но оно позволило добиться некоторых уникальных улучшений. Во-первых, это больше энергии, что фактически необходимо для любой новой батареи. Люббе говорит, что возможно улучшение до 50%, хотя первоначальные цифры Molicel находятся в диапазоне 20%. Однако более важным улучшением является удельная мощность, что стало неожиданностью для Люббе и его команды.

Высокосиликоновые аноды Group14.

«Мы смогли заставить кремний работать, и представители отрасли сказали: «Ух ты, мы можем добиться улучшения плотности энергии на 50%», и это было фантастикой», — сказал Люббе. ВнутриEV. Однако позже один из клиентов Group14, компания StoreDot, опубликовал интригующие цифры. «Они заряжали свои аккумуляторы менее чем за десять минут».

«(Аноды с высоким содержанием кремния) хороши с точки зрения плотности энергии, но они просто фантастические с точки зрения плотности мощности».

Плотность мощности — это то, насколько быстро элемент может заряжаться или разряжаться при заданной емкости. Обычные литий-ионные элементы смогли достичь высокой плотности мощности с точки зрения скорости разряда, но высокие скорости заряда более неуловимы без серьезного удара по плотности энергии. В результате современные электромобили с высокой скоростью зарядки обычно оснащены большими аккумуляторными блоками или работают при очень высоком напряжении. Оба эти подхода необходимы, чтобы восполнить недостатки существующих ячеек.

Партнеры Group14 отмечают, что их анодный материал решает эту проблему. Будущие аккумуляторы Molicel увеличивают зарядный ток почти вдвое по сравнению с современными аккумуляторами, а также вышеупомянутое увеличение энергии. Это приводит к увеличению запаса хода и более быстрой зарядке при использовании в аккумуляторном блоке электромобиля.

Намеренное стремление к меньшему количеству энергии в элементе — оптимизация по определенному атрибуту — также может привести к увеличению плотности мощности до диапазонов, никогда ранее не встречавшихся в литий-ионных элементах. «Новый аккумулятор, который (Molicel) выпускает, серии X, ребята, они утверждают, что могут зарядить его с нуля до 100% за 90 секунд», — сказал Люббе. Он добавил, что Group14 провела испытания (существующих клеток/клеток следующего поколения) и обнаружила, что они соответствуют этим утверждениям.

Molicel — не единственная компания, разрабатывающая батареи с анодным материалом Group14. Партнеры компании огромны, и ее возможности по производству кремниевого материала текущего поколения, известного как SCC55, быстро растут. Вскоре ее мощности будут производить достаточное количество SCC55 для производства 30 гигаватт-часов новых аккумуляторных элементов в год. Этого хватит примерно на полмиллиона электромобилей.

Сроки

Руководители Quantumscape, Factorial и Group14 не сочли нужным подробно комментировать технологии друг друга. Возможно, это потому, что в любом потенциальном сравнении так много нюансов, или, возможно, потому, что все понимают, что значит индустриализация аккумуляторных технологий. Это сложный бизнес, и, естественно, люди, покупающие автомобили, не часто воспринимают это так.

Nio ET7 уже предлагает в Китае «полутвердотельный аккумулятор» с гелевым электролитом. Но настоящего автомобильного SSB серийного уровня нет в продаже ни на одном рынке.

Однако их аккумуляторная технология реальна. Анодные элементы Group14 с высоким содержанием кремния поступят в автомобили, как только автопроизводители смогут упаковать их в упаковку. SSB отстают, особенно если принять во внимание типичную продолжительность цикла производства автомобильной продукции в полдесятилетия. Тысячи твердотельных элементов уже изготовлены и проходят испытания автопроизводителями. Они вышли из лаборатории и находятся на пути к индустриализации.

Если вы думаете, что электрификация застопорилась, вспомните, с чего мы начали. Tesla Model S и X по-прежнему используют 18650 — формат ячеек, разработанный для бытовой электроники. До сих пор достижения в области электромобилей были в основном архитектурными: повышение напряжения, изменение форм-фактора аккумуляторов, оптимизация кузовов автомобилей и упрочнение шин. Батареи улучшились, но не так, как собирались. Кажется, что это изменение произошло в одночасье, но эти технологии развивались десятилетиями. Они просто наконец-то пришли на ночлег.

Питер — заместитель редактора Motor1 и любитель большинства технологий, особенно колесных. Он получил степень по промышленному дизайну в 2020 году и с тех пор не использовал ее. Он проживает в Нью-Гэмпшире.