Твердотельные аккумуляторы: технология будущего или тупик?

Твердотельные аккумуляторы уже почти два десятилетия называют прорывной технологией для электромобилей. Они обещают кардинально изменить рынок, устраняя проблему недостаточного запаса хода, сокращая время зарядки и делая электрокары столь же удобными в использовании, как и традиционные автомобили с двигателями внутреннего сгорания, но без вредных выбросов

Однако почему эта технология «застряла» на этапе лабораторных исследований? Основным вызовом остается массовое производство, поскольку переход от исследовательских образцов к коммерческой продукции требует значительных изменений в производственных процессах

Специалисты отмечают, что прогресс в разработке твердотельных аккумуляторов (SSB — Solid-State Batteries) не такой медленный, как кажется. Первыми на рынке появятся полутвердотельные аккумуляторы, которые содержат гелеобразный электролит — это промежуточная технология между литий-ионными батареями и полностью твердотельными элементами питания. Такие аккумуляторы уже тестируются производителями, а Factorial, стартап из США, работает вместе с Mercedes-Benz, Stellantis и Hyundai Motor Group, чтобы вывести технологию на коммерческий уровень

Что делает твердотельные аккумуляторы такими перспективными?

Твердотельные батареи отличаются от традиционных литий-ионных тем, что используют твердый электролит вместо жидкого. Этот электролит может быть полимерным, сульфидным или оксидным. Такая замена имеет несколько ключевых преимуществ:

• Более высокая энергоемкость — плотность энергии может достигать 450 Вт-ч/кг, тогда как у современных литий-ионных аккумуляторов этот показатель не превышает 300 Вт-ч/кг;
• Более быстрая зарядка — уменьшенное внутреннее сопротивление позволяет заряжать аккумулятор в разы быстрее;
• Повышенная безопасность — твердотельные батареи менее подвержены перегреву и возгоранию;
• Лучшая термостабильность — они эффективнее работают при экстремальных температурах, что минимизирует потери заряда в холодную погоду

Однако на пути к массовому производству существуют серьезные вызовы. По словам Лиз Найман, директора по аналитике компании Recurrent, главная проблема заключается в том, что твердотельные батареи требуют полностью новых производственных линий. Для их изготовления нельзя просто использовать существующие заводы по производству литий-ионных аккумуляторов — нужно создавать совершенно новую инфраструктуру!

Переходный этап и перспективы массового внедрения

Для ускорения выхода твердотельных батарей на рынок компании используют гибридные подходы, которые сочетают технологии литий-ионных аккумуляторов и твердотельных элементов. Например, Factorial уже запустила крупнейшую в США производственную линию твердотельных аккумуляторов с годовой мощностью 200 МВт-ч. Компания отправила первые тестовые образцы («B-sample») Mercedes-Benz для проверки производительности и интеграции в электромобили

Еще одним важным шагом стало использование сухого катодного покрытия — процесса, который также тестируется Tesla. Это решение позволяет отказаться от жидких химикатов в процессе производства катодов, снижая затраты, потребление энергии и экологическое воздействие

Factorial заявляет, что ее твердотельные аккумуляторы обеспечивают запас хода более 1000 км, что более чем вдвое превышает средний показатель для современных электромобилей в США, который составляет 455 км. Также они могут работать при температурах более 90°C и имеют на 40% меньшую массу по сравнению с традиционными аккумуляторами

Что касается промежуточных решений, полутвердотельные аккумуляторы уже появились в Китае. Например, владелец Nio ET7 проехал 892 км на одном заряде благодаря 150-кВт-ч полутвердотельного аккумулятора. В США такие батареи могут появиться уже в следующем году, когда Stellantis представит демонстрационную серию Dodge Charger Daytona с аккумуляторами Factorial, которые будут иметь плотность 390 Вт-ч/кг

Станет ли твердотельная технология будущим электромобилей?

Несмотря на все трудности, крупные автопроизводители активно инвестируют в разработку твердотельных батарей. Toyota, Honda, BMW, Ford и Volkswagen ведут собственные исследования, а компании вроде QuantumScape и Solid Power привлекают миллиардные инвестиции

Главные преимущества этой технологии — высокая энергоемкость, безопасность и меньшая масса. Например, твердотельные аккумуляторы могут снизить массу электромобиля на 450 кг, что, в свою очередь, уменьшает расходы производителей, ведь каждый сэкономленный килограмм — это примерно $5 экономии на себестоимости батареи

Твердотельные батареи могут также изменить рынок больших электромобилей, таких как внедорожники и пикапы, которые требуют огромных аккумуляторов из-за высокой массы и плохой аэродинамики. Поскольку твердотельные батареи компактнее и легче, они могут сделать большие электрокары более эффективными

Однако производители электромобилей пока осторожно подходят к массовому внедрению SSB из-за высоких ожиданий и рисков провала. По словам аналитиков, если производители смогут выполнить свои обещания, твердотельные батареи могут навсегда изменить рынок электромобилей, сделав их легче, безопаснее и значительно эффективнее