Американцы из QuantumScape создали батарею без традиционного анода

Американский стартап QuantumScape, который специализируется на разработке батарей, убежден: отказ от анода способен дать толчок к настоящей революции в электромобилях. Впрочем, несмотря на потенциальные преимущества, ряд технических вызовов до сих пор не преодолен

Литий-ионная батарея – хоть и состоит из меньшего количества компонентов, чем двигатель внутреннего сгорания, однако простой конструкцией ее нельзя назвать. Это сложная система, в которой взаимодействуют химические соединения, определяющие запас хода, скорость зарядки, общую производительность и долговечность электромобиля. Сегодня производители батарей соревнуются в поисках идеальной формулы, которая бы позволила минимизировать компромиссы. Одним из самых перспективных направлений является твердотельная литий-металлическая батарея без анода

Один из руководителей отрасли даже утверждает: именно такая химия способна открыть путь к созданию действительно «бескомпромиссного» электромобиля, в котором будут сочетаться большая дальность, быстрая зарядка, высокая безопасность и длительный срок службы. Звучит убедительно, однако на пути от лабораторного прототипа до серийного электрокара еще немало препятствий

«Если вы хотите радикально снизить стоимость, увеличить энергоемкость на единицу массы и объема – самый радикальный шаг, который можно сделать, – это убрать анод», – отметил Тим Холм, соучредитель и технический директор QuantumScape

В традиционной литий-ионной батарее основными компонентами являются анод, катод, электролит и сепаратор 

Они работают в тандеме, обеспечивая обмен электронами во время циклов заряда и разряда. Среди них анод считается одним из наиболее проблемных – как с точки зрения производственных сложностей, так и с точки зрения экологического вреда

Обычно аноды изготавливают из графита – стабильного и долговечного материала, который, однако, ограничивает скорость зарядки и плотность энергии. Его обработка требует использования токсичных растворителей, а большинство цепи поставок контролируется Китаем. Некоторые компании экспериментируют с кремнием как альтернативой, однако по данным QuantumScape, такие аноды до сих пор остаются дорогими, а их срок службы и стабильность – далекими от идеала

Кроме того, анод – один из основных виновников избыточной массы батарей 

По словам Холма, он состоит из толстого слоя углерода, занимает значительный объем и добавляет массы. Его производство – энергозатратное и сопровождается существенными выбросами углекислого газа

Не удивительно, что QuantumScape – не единственная компания, которая работает над безанодными технологиями. В этом направлении также экспериментируют Factorial, Our Next Energy и Ensurge Micropower

QuantumScape же разрабатывает твердотельную литий-металлическую батарею, в которой анод формируется ин-ситу – то есть непосредственно внутри элемента, во время первого цикла зарядки. Обычные батареи требуют предварительно изготовленного анода из графита или кремния. В новой системе все начинается с катода и электролита: во время первой зарядки ионы лития оседают на токоприемнике, образуя литиевый анод. Такой подход упрощает производство, снижает себестоимость и повышает энергетическую плотность

QuantumScape заявляет: электромобиль, который с традиционными ячейками способен проехать 560 км, с новыми элементами сможет преодолеть от 640 до 800 км. Хотя стоит отметить, что это сравнение, вероятно, не учитывает самые современные и плотные литий-ионные батареи, доступные на рынке

«Металлический литий – лучший материал для анода. Он лучше графита и лучше кремния», – отмечает Холм. «Сочетание твердотельной структуры и литиевого металла – это самая эффективная батарея. Никаких компромиссов. Но перед нами сложная инженерная задача»

Один из главных вызовов – предотвратить образование дендритов 

Это игольчатые металлические структуры, которые могут прорастать внутри батареи, нарушая ее работу или даже вызывая короткое замыкание. Как отмечает аналитик британской компании IDTechEx Дэниел Парр, именно дендриты являются основной причиной, почему литий-металлические батареи до сих пор остаются сложными в реализации – они приводят к деградации емкости и сокращению срока службы

QuantumScape утверждает, что их решением является керамический твердотельный сепаратор, который эффективно блокирует рост дендритов. Электролит в этой системе создан на основе органической жидкости, а катод может быть изготовлен из никеля, железа или их комбинации. «Железо дешевле, но имеет более низкую энергетическую плотность. Никель – дороже, зато обеспечивает лучшую производительность», – комментирует Голм. – «Мы предлагаем обе платформы, а клиент выбирает»

Эта новая химия воплощена в элементе QSE-5. Название расшифровывается просто: «QS» – от QuantumScape, «E» – энергия, а «5» означает пять миллиампер-часов емкости, что близко к характеристикам батарей Tesla 2170, которые используются в некоторых версиях Model Y.

Плотность энергии QSE-5 составляет 305 Вт-ч/кг – несколько выше, чем у элементов Tesla 4680 (272-296 Вт-ч/кг), которые устанавливают в Cybertruck и Model Y. Однако она существенно уступает батарее Solstice от Factorial, которая обеспечивает 450 Вт-ч/кг. Для технологии, которая только набирает обороты, QSE-5 выглядит скромно

Но несмотря на это, QuantumScape считает, что преимущества очевидны: увеличение срока службы благодаря устранению химической деградации анода, а также повышенная безопасность – керамический сепаратор не горит и сохраняет стабильность даже при высоких температурах

В случае ДТП электромобиль с такими батареями имеет меньше шансов загореться. (Кстати, по статистике, пожары в электромобилях случаются реже, чем в бензиновых авто, но если уж случаются – спасателям не позавидуешь)

QuantumScape уже передала первые B-образцы автопроизводителям 

Это предсерийные прототипы, предназначенные для тестирования производительности, безопасности и интеграции в реальные автомобили. Среди клиентов – PowerCo SE, дочерняя компания Volkswagen Group, занимающаяся аккумуляторами. «Мы предоставили им лицензию, и работаем над внедрением технологии совместно», – сообщил Холмс. – «Сейчас они возводят гигафабрики в Испании, Германии и Канаде. Вместе мы обеспечим запуск производства»

Согласно открытому лицензионному соглашению, PowerCo сможет производить до 40 ГВт-ч батарей ежегодно, с возможностью увеличения до 80 ГВт-ч – этого хватит для выпуска 1 миллиона электромобилей в год

А что с ценой? Холмс сравнивает ситуацию с первым запуском ракеты SpaceX: сначала – дорого и не слишком конкурентно, но впоследствии – революция. «Когда мы выйдем на серийные объемы и пройдем «кривую обучения», сможем не только конкурировать с литий-ионными батареями, но и превзойти их», – добавляет он