Автор Алекс Кимани на OilPrice.com,
Ученые определили коренные причины отказов твердотельных батарей, обнаружив, что внутреннее давление трескает электролит, в то время как электрические дисбалансы вызывают рост лития, который вызывает короткие замыкания.
Результаты могут ускорить коммерциализацию, превратив давнюю научную тайну в решаемую инженерную задачу.
Автопроизводители, включая Toyota, Honda, Mercedes-Benz и BMW, инвестируют миллиарды в твердотельные батареи, а коммерческое развертывание электромобилей запланировано на вторую половину этого десятилетия
Ученые теперь знают, почему твердотельные батареи неоднократно выходили из строя. Два отдельных исследования выявили физические процессы, ответственные за короткие замыкания, которые годами задерживали коммерциализацию, превращая одну из отраслевых самых больших неизвестных в определенную инженерную проблему.
В течение многих лет инженеры знали, как выходят из строя твердотельные батареи, но не почему. В батареях неоднократно возникали внутренние короткие замыкания, поскольку микроскопические литиевые структуры формировались внутри ячейки и в конечном итоге пробивали барьер, разделяющий положительную и отрицательную стороны батареи. Исследователи могли видеть, что происходило после этого, но они не могли объяснить, что вызвало образование этих структур или как им удалось проникнуть в материал, специально предназначенный для их блокировки.
Две независимые исследовательские группы теперь ответили на разные части этого вопроса. В статье, опубликованной в Nature, ученые из немецкого Института устойчивых материалов Макса Планка обнаружили, что литиевые отложения создают огромное внутреннее давление во время зарядки, в конечном итоге разрушая твердый электролит изнутри.
Отдельно исследователи из Массачусетского технологического института, Технического университета Мюнхена и сотрудничающих учреждений сообщили в Nature Nanotechnology, что крошечные электрические дисбалансы внутри электролита создают условия, которые позволяют нежелательным литиевым структурам начать расти.
Результаты могут устранить серьезную научную неопределенность, так же как автопроизводители и производители аккумуляторов инвестируют миллиарды долларов в коммерческое производство твердотельных батарей.
Производители не ждут
Твердотельные аккумуляторы широко считаются следующим крупным достижением в технологии аккумуляторов, поскольку они обещают обеспечить более длительный пробег, более быструю зарядку, повышенную безопасность и более высокую плотность энергии, чем сегодняшние литий-ионные аккумуляторы.
Замена жидкого электролита твердым материалом также снижает риск перегрева и позволяет производителям упаковывать больше энергии в одно и то же физическое пространство, что делает технологию привлекательной не только для электромобилей, но и для авиации, обороны и хранения энергии в масштабе сети.
Повторяющиеся сбои никогда не убеждали автомобильную промышленность в том, что твердотельные батареи являются неработоспособными. Вместо этого производители решили рассматривать их как инженерные проблемы, которые в конечном итоге могут быть решены.
Приз был просто слишком большим, чтобы его игнорировать, потому что по сравнению с сегодняшними литий-ионными батареями твердотельные батареи обещают более высокую плотность энергии, более быструю зарядку, повышенную безопасность и более длительные диапазоны движения. Производители, похоже, убеждены, что именно твердотельное состояние полностью изменит индустрию электромобилей.
Производители превратили эту веру в миллиарды долларов инвестиций.
Honda уже построила демонстрационную производственную линию для разработки технологий производства, необходимых для массового производства. Toyota продолжает ориентироваться на коммерческое развертывание в конце этого десятилетия, в то время как Mercedes-Benz, BMW, Stellantis, Hyundai, Samsung SDI, CATL, QuantumScape, Solid Power и Factorial Energy расширили пилотное производство, стратегические партнерства или программы тестирования транспортных средств, несмотря на нерешенные научные проблемы технологии.
Honda потратила около $ 280 млн на линию по производству твердотельных батарей площадью 27 400 квадратных метров в Сакура-Сити, Япония. Установка воспроизводит весь производственный процесс, от смешивания и нанесения покрытия на электродные материалы до формирования ячейки и сборки модуля. Производство аккумуляторов должно было начаться в январе 2025 года, при этом Honda тестировала производственные затраты, спецификации элементов и методы массового производства перед развертыванием автомобиля во второй половине десятилетия.
Honda использует рулонное прессование для сжатия твердого электролита во время сборки, уменьшая микроскопические воздушные зазоры, которые препятствуют переносу ионов, одновременно упрощая крупномасштабное производство. Компания также разрабатывает более тонкие системы охлаждения, что стало возможным благодаря большей термической стабильности твердотельных батарей, что снижает как вес батареи, так и производственную сложность.
Mercedes-Benz уже разместил твердотельную батарею на дорогах общего пользования. Ранее в этом году компания представила модифицированный EQS, оснащенный литий-металлическими элементами, поставляемыми Factorial Energy. Во время испытаний автомобиль проехал 1205 километров между Штутгартом и Мальмё на одной зарядке и завершил путешествие с 137 километрами расчетной дальности.
BMW тестирует широкоформатные твердотопливные элементы в i7 на дорогах общего пользования вокруг Мюнхена. Программа изучает расширение ячейки, рабочее давление и контроль температуры внутри полной упаковки транспортного средства. BMW также лицензировала технологию производства Solid Power для прототипа клеточной линии в своем Центре компетенции по производству ячеек в Парсдорфе.
Idemitsu строит большой пилотный завод по производству сульфидных твердых электролитов, одного из наиболее важных элементов батарей Toyota следующего поколения. Завод будет производить сульфид лития с использованием серы, извлеченной из нефтепереработки, перед превращением ее в твердый электролитный материал для автомобильных аккумуляторов. Toyota планирует начать коммерческое производство автомобилей с использованием этой технологии в 2027–2028 годах.
Что дальше?
Твердотельная тайна была заменена проблемой дизайна.
Теперь исследователи знают, что предотвращение разрушения электролита и подавление локализованных концентраций тока определит, смогут ли твердотельные батареи выдержать повторные циклы зарядки за пределами лаборатории.
Но коммерциализация не является данностью. После того, как теперь известные проблемы будут решены, производители должны будут доказать, что твердотельные батареи могут производиться последовательно в автомобильном масштабе, выдерживать тысячи циклов зарядки и достигать уровней затрат, которые конкурируют с сегодняшними литий-ионными батареями. Вот почему компании продолжают инвестировать сотни миллионов долларов в пилотные производственные линии за годы до появления автомобилей на массовом рынке.
Toyota по-прежнему рассчитывает представить свои первые твердотельные батареи в 2027–2028 годах. Honda нацелена на вторую половину десятилетия. Mercedes-Benz, BMW и несколько производителей аккумуляторов уже перешли от лабораторных элементов к транспортным средствам, работающим на дорогах общего пользования. Это вот-вот станет промышленной гонкой.
