Американці з QuantumScape створили батарею без традиційного анода

Американський стартап QuantumScape, який спеціалізується на розробці батарей, переконаний: відмова від анода здатна дати поштовх до справжньої революції в електромобілях. Утім, попри потенційні переваги, низка технічних викликів досі не подолана

Літій-іонна батарея – хоч і складається з меншої кількості компонентів, ніж двигун внутрішнього згоряння, однак простою конструкцією її не можна назвати. Це складна система, в якій взаємодіють хімічні сполуки, що визначають запас ходу, швидкість заряджання, загальну продуктивність і довговічність електромобіля. Сьогодні виробники батарей змагаються у пошуках ідеальної формули, яка б дозволила мінімізувати компроміси. Одним з найперспективніших напрямів є твердотільна літій-металева батарея без анода

Один із керівників галузі навіть стверджує: саме така хімія здатна відкрити шлях до створення справді «безкомпромісного» електромобіля, в якому поєднуватимуться велика дальність, швидке заряджання, висока безпека та тривалий строк служби. Звучить переконливо, однак на шляху від лабораторного прототипу до серійного електрокара ще чимало перешкод

«Якщо ви прагнете радикально знизити вартість, збільшити енергоємність на одиницю маси та об’єму – найрадикальніший крок, який можна зробити, – це прибрати анод», – зазначив Тім Голм, співзасновник і технічний директор QuantumScape

У традиційній літій-іонній батареї основними компонентами є анод, катод, електроліт і сепаратор 

Вони працюють у тандемі, забезпечуючи обмін електронами під час циклів заряду і розряду. Серед них анод вважається одним із найбільш проблемних – як з погляду виробничих складнощів, так і з огляду на екологічну шкоду

Зазвичай аноди виготовляють із графіту – стабільного й довговічного матеріалу, який, однак, обмежує швидкість заряджання та щільність енергії. Його обробка потребує використання токсичних розчинників, а більшість ланцюга постачання контролюється Китаєм. Деякі компанії експериментують із кремнієм як альтернативою, проте за даними QuantumScape, такі аноди досі залишаються дорогими, а їхній строк служби та стабільність – далекими від ідеалу

Крім того, анод – один із основних винуватців надмірної маси батарей 

За словами Голма, він складається з товстого шару вуглецю, займає значний об’єм і додає маси. Його виробництво – енерговитратне і супроводжується істотними викидами вуглекислого газу

Тож не дивно, що QuantumScape – не єдина компанія, яка працює над безанодними технологіями. У цьому напрямі також експериментують Factorial, Our Next Energy та Ensurge Micropower

QuantumScape ж розробляє твердотільну літій-металеву батарею, в якій анод формується ін-сіту – тобто безпосередньо всередині елемента, під час першого циклу заряджання. Звичайні батареї потребують попередньо виготовленого анода з графіту або кремнію. У новій системі все починається з катода й електроліту: під час першої зарядки іони літію осідають на струмоприймачі, утворюючи літієвий анод. Такий підхід спрощує виробництво, знижує собівартість і підвищує енергетичну щільність

QuantumScape заявляє: електромобіль, який із традиційними осередками здатен проїхати 560 км, із новими елементами зможе подолати від 640 до 800 км. Хоча варто зазначити, що це порівняння, ймовірно, не враховує найсучасніші й найщільніші літій-іонні батареї, доступні на ринку

«Металевий літій – найкращий матеріал для анода. Він кращий за графіт і кращий за кремній», – наголошує Голм. «Поєднання твердотільної структури та літієвого металу – це найефективніша батарея. Жодних компромісів. Але перед нами складне інженерне завдання»

Один із головних викликів – запобігти утворенню дендритів 

Це голчасті металеві структури, які можуть проростати всередині батареї, порушуючи її роботу або навіть спричиняючи коротке замикання. Як зазначає аналітик британської компанії IDTechEx Деніел Парр, саме дендрити є основною причиною, чому літій-металеві батареї досі залишаються складними у реалізації – вони призводять до деградації ємності та скорочення строку служби

QuantumScape стверджує, що їхнім рішенням є керамічний твердотільний сепаратор, який ефективно блокує ріст дендритів. Електроліт у цій системі створено на основі органічної рідини, а катод може бути виготовлений із нікелю, заліза або їхньої комбінації. «Залізо дешевше, але має нижчу енергетичну щільність. Нікель – дорожчий, зате забезпечує кращу продуктивність», – коментує Голм. – «Ми пропонуємо обидві платформи, а клієнт обирає»

Ця нова хімія втілена в елементі QSE-5. Назва розшифровується просто: «QS» – від QuantumScape, «E» – енергія, а «5» означає п’ять міліампер-годин ємності, що близьке до характеристик батарей Tesla 2170, які використовуються у деяких версіях Model Y.

Щільність енергії QSE-5 складає 305 Вт-год/кг – дещо вище, ніж у елементів Tesla 4680 (272–296 Вт-год/кг), які встановлюють у Cybertruck і Model Y. Проте вона суттєво поступається батареї Solstice від Factorial, яка забезпечує 450 Вт-год/кг. Для технології, що лише набирає обертів, QSE-5 виглядає скромно

Та попри це, QuantumScape вважає, що переваги очевидні: збільшення строку служби завдяки усуненню хімічної деградації анода, а також підвищена безпека – керамічний сепаратор не горить і зберігає стабільність навіть при високих температурах

У разі ДТП електромобіль із такими батареями має менше шансів спалахнути. (До речі, за статистикою, пожежі в електромобілях трапляються рідше, ніж у бензинових авто, але якщо вже стаються – рятувальникам не позаздриш)

QuantumScape вже передала перші B-зразки автовиробникам 

Це передсерійні прототипи, призначені для тестування продуктивності, безпеки та інтеграції в реальні автомобілі. Серед клієнтів – PowerCo SE, дочірня компанія Volkswagen Group, що займається акумуляторами. «Ми надали їм ліцензію, і працюємо над впровадженням технології спільно», – повідомив Голмс. – «Зараз вони зводять гігафабрики в Іспанії, Німеччині та Канаді. Разом ми забезпечимо запуск виробництва»

Згідно з відкритою ліцензійною угодою, PowerCo зможе виробляти до 40 ГВт-год батарей щороку, з можливістю збільшення до 80 ГВт-год – цього вистачить для випуску 1 мільйона електромобілів на рік

А що з ціною? Голмс порівнює ситуацію з першим запуском ракети SpaceX: спочатку – дорого і не надто конкурентно, але згодом – революція. «Коли ми вийдемо на серійні обсяги і пройдемо “криву навчання”, зможемо не лише конкурувати з літій-іонними батареями, а й перевершити їх», – додає він