Твердотельные аккумуляторы вышли на финишную прямую серийному производству

Почти два десятилетия твердотельные аккумуляторы представляют как главный прорыв для электромобилей. Они долгое время оставались лабораторным опытом. Почему они до сих пор не на дорогах и насколько близок момент массового внедрения?

Специалисты говорят, что прогресс выглядит медленно только на первый взгляд. Компании подошли к коммерциализации ближе, чем когда-либо, однако путь к ней оказался сложнее, чем ожидалось. Как и в случае с литий-ионными аккумуляторами, масштабирование будет происходить постепенно. Сначала на рынок выйдут полутвердотельные решения, своеобразный мост между нынешними батареями и полностью твердотельными пакетами

Генеральный директор стартапа Factorial Сию Хуанг описывает текущий этап как режим прокладывания пути к реальному применению. Ключевой преградой она называет масштабируемость, то есть способность выпускать такие батареи в больших объемах без потери качества

В классических литий-ионных элементах электролитом служит жидкая литиевая смесь, переносящая ионы между катодом и анодом во время зарядки и разрядки. Твердотельная батарея заменяет эту жидкость твердым электролитом на основе полимеров, сульфидов или оксидов. Принцип работы не меняется, однако физические свойства материалов открывают новые возможности

Исследования показывают ряд преимуществ такого подхода. Твердотельные батареи способны накапливать больше энергии в меньшем объеме, заряжаются быстрее, обладают лучшей термической стабильностью и значительно более высоким уровнем безопасности. А это означает уменьшение потери пробега при экстремальных температурах и снижение риска воспламенения

Полутвердотельные аккумуляторы используют гелеобразный электролит, занимая промежуточное положение между классическими литий-ионными и полностью жесткими решениями. Такой компромисс дает более высокую плотность энергии и лучшую безопасность без радикальной перестройки производства

Именно над этими технологиями сейчас работают десятки компаний 

Factorial из Массачусетса входит в число лидеров и имеет совместные проекты из Mercedes-Benz, Stellantis и Hyundai Motor Group. По данным отраслевых источников, корейский автопроизводитель может показать свои прототипы уже в ближайшее время. Параллельно QuantumScape сотрудничает с аккумуляторным подразделением Volkswagen Group PowerCo, BMW и Ford инвестируют в Solid Power, а Toyota и Honda развивают свои программы в Японии

В прошлом году Factorial представила полностью твердотельный аккумулятор Solstice с сульфидным электролитом. Компания заявляет о плотности энергии 450 ватт-часов на килограмм, в то время как большинство современных литий-ионных батарей для электромобилей не превышают 300 ватт-часов на килограмм. Более высокая плотность означает больший запас энергии без увеличения массы или габаритов, а значит, и существенно больший пробег

Впрочем, серийное производство остается наибольшей проблемой 

Аналитики отмечают: существующие заводы и процессы, оптимизированные под литий-ионные батареи, не подходят для твердотельных. Нужно создавать новую инфраструктуру с нуля, что требует значительных инвестиций и времени. Переход сравнивают с заменой медных кабелей на оптоволокно или переходом от струйной печати к лазерной

Национальный научный фонд США отмечает, что все этапы производства от электродов до кондиционирования элементов придется адаптировать под свойства твердого электролита. Ближайшим путем к коммерциализации считается гибридный подход, сочетающий методы литий-ионной индустрии и технологии твердых оксидных топливных элементов

Factorial уже двигается именно по этому пути. Компания открыла в Массачусетсе производственную линию мощностью 200 мегаватт-часов, которую называет крупнейшей в США для твердотельных батарей. В масштабах гигафабрик этот показатель выглядит скромно, однако для новой технологии такой шаг имеет символическое значение

Первые образцы уровня B, то есть почти серийные прототипы, уже передали Mercedes-Benz для испытаний. Такие батареи проходят расширенные тесты производительности, безопасности и интеграции в электромобиле

Даже на пилотной линии бездефектная сборка остается проблемой. В настоящее время пригодными признают около 85% изготовленных элементов, тогда как для крупного производства требуется более 95%. Дополнительная доработка требует и масштабирования процессов

Solstice использует еще одну перспективную технологию – сухое нанесение катода. Подобный метод исследует и Tesla для будущих аккумуляторов. Традиционные батареи нуждаются в влажных суспензиях, которые дороги, вредны для окружающей среды и занимают много пространства на заводе. Сухой процесс базируется на смеси порошков с союзом, сокращает энергопотребление, уменьшает расход и экологический след

Благодаря высокой плотности энергии Factorial заявляет о потенциальном запасе хода более 960 км на одном заряде. Для сравнения, средний показатель для электромобилей в США составляет около 455 километров и за десятилетия он вырос втрое. Компания также говорит о рабочих температурах более 90 градусов Цельсия и уменьшении массы аккумулятора примерно на 40%

Параллельно Factorial развивает квазитвердотельные батареи как более близкий к рынку вариант. Они используют гелеобразный электролит в сочетании с литиевым металлическим анодом и высокоэффективным катодом, сочетая преимущества новых материалов с отработанной технологичностью литий-ионных систем

Подобные решения уже появились в Китае. Владелец Nio ET7 в прошлом году проехал 892 километра на одном заряде благодаря полутвердотельному пакету емкостью 150 кВт-ч. В США подобные батареи тоже не за горами: Stellantis планирует запустить демонстрационный парк Dodge Charger Daytona с аккумуляторами Factorial. Заявленная плотность энергии достигает 390 ватт-часов на килограмм, тогда как отраслевой стандарт находится в пределах 250–300

Сокращение массы становится еще одним ключевым преимуществом 

По оценкам Factorial, твердотельные батареи позволяют снизить массу пакета на 90–135 килограммов, а на уровне автомобиля экономия может достигать около 450 килограммов. Меньшая масса означает более простую конструкцию и более низкую себестоимость, ведь каждый сэкономленный килограмм дает ощутимый финансовый эффект

Аналитики обращают внимание на то, что большие кроссоверы и пикапы, популярные в США, имеют плохую аэродинамику и нуждаются в массивных батареях. Более легкие и мощные твердотельные решения будут лучше отвечать потребностям этого сегмента, хотя автопроизводители одновременно экспериментируют с гибридными схемами удлиненного запаса хода (из ДВС в качестве генератора)

В итоге твердотельные аккумуляторы могут оправдать ожидания. Осторожность производителей во многом обусловлена ​​ажиотажем вокруг этой темы, ведь с таким уровнем обещаний ошибка на старте может дорого стоить