Твердотільні акумулятори вийшли на фінішну пряму до серійного виробництва

Майже два десятиліття твердотільні акумулятори подають як головний прорив для електромобілів. Вони довгий час залишалися лабораторним експериментом. Чому вони досі не на дорогах і наскільки близьким є момент масового впровадження?

Фахівці кажуть, що прогрес виглядає повільним лише на перший погляд. Компанії підійшли до комерціалізації ближче, ніж будь-коли, однак шлях до неї виявився складнішим, ніж очікували. Як і у випадку з літій-іонними акумуляторами, масштабування відбуватиметься поступово. Спершу на ринок вийдуть напівтвердотільні рішення, своєрідний міст між нинішніми батареями та повністю твердотільними пакетами

Генеральна директорка стартапу Factorial Сію Хуанг описує поточний етап як режим прокладання шляху до реального застосування. Ключовою перепоною вона називає масштабованість, тобто здатність випускати такі батареї у великих обсягах без втрати якості

У класичних літій-іонних елементах електролітом слугує рідка літієва суміш, яка переносить іони між катодом та анодом під час заряджання й розряджання. Твердотільна батарея замінює цю рідину на твердий електроліт на основі полімерів, сульфідів або оксидів. Принцип роботи не змінюється, однак фізичні властивості матеріалів відкривають нові можливості

Дослідження показують низку переваг такого підходу. Твердотільні батареї здатні накопичувати більше енергії в меншому об’ємі, заряджаються швидше, мають кращу термічну стабільність і значно вищий рівень безпеки. А це означає зменшення втрати пробігу за екстремальних температур і зниження ризику займання

Напівтвердотільні акумулятори використовують гелеподібний електроліт, займаючи проміжне положення між класичними літій-іонними та повністю твердими рішеннями. Такий компроміс дає вищу щільність енергії та кращу безпеку без радикальної перебудови виробництва

Саме над цими технологіями нині працюють десятки компаній

Factorial із Массачусетсу входить до числа лідерів і має спільні проєкти з Mercedes-Benz, Stellantis та Hyundai Motor Group. За даними галузевих джерел, корейський автовиробник може показати власні прототипи вже найближчим часом. Паралельно QuantumScape співпрацює з акумуляторним підрозділом Volkswagen Group PowerCo, BMW і Ford інвестують у Solid Power, а Toyota та Honda розвивають власні програми в Японії

Минулого року Factorial представила повністю твердотільний акумулятор Solstice із сульфідним електролітом. Компанія заявляє про щільність енергії 450 ват-годин на кілограм, тоді як більшість сучасних літій-іонних батарей для електромобілів не перевищують 300 ват-годин на кілограм. Вища щільність означає більший запас енергії без збільшення маси або габаритів, а отже й суттєво більший пробіг

Втім, серійне виробництво залишається найбільшою проблемою 

Аналітики наголошують: наявні заводи та процеси, оптимізовані під літій-іонні батареї, не підходять для твердотільних. Потрібно створювати нову інфраструктуру з нуля, а це потребує значних інвестицій і часу. Перехід порівнюють із заміною мідних кабелів на оптоволокно або переходом від струменевого друку до лазерного

Національний науковий фонд США зазначає, що всі етапи виробництва — від електродів до кондиціювання елементів — доведеться адаптувати під властивості твердого електроліту. Найближчим шляхом до комерціалізації вважають гібридний підхід, який поєднує методи літій-іонної індустрії та технології твердих оксидних паливних елементів

Factorial уже рухається саме цим шляхом. Компанія відкрила в Массачусетсі виробничу лінію потужністю 200 мегават-годин, яку називає найбільшою у США для твердотільних батарей. У масштабах гігафабрик цей показник виглядає скромно, проте для нової технології такий крок має символічне значення

Перші зразки рівня B, тобто майже серійні прототипи, уже передали Mercedes-Benz для випробувань. Такі батареї проходять розширені тести продуктивності, безпеки та інтеграції в електромобілі

Навіть на пілотній лінії бездефектне складання залишається проблемою. Нині придатними визнають близько 85% виготовлених елементів, тоді як для великого виробництва потрібен рівень понад 95%. Додаткового доопрацювання вимагає й масштабування процесів

Solstice використовує ще одну перспективну технологію — сухе нанесення катода. Подібний метод досліджує й Tesla для майбутніх акумуляторів. Традиційні батареї потребують вологих суспензій, які дорогі, шкідливі для довкілля та займають багато простору на заводі. Сухий процес базується на суміші порошків зі сполучником, скорочує енергоспоживання, зменшує витрати та екологічний слід

Завдяки високій щільності енергії Factorial заявляє про потенційний запас ходу понад 960 кілометрів на одному заряді. Для порівняння, середній показник для електромобілів у США нині становить близько 455 кілометрів і за десятиліття він зріс утричі. Компанія також говорить про робочі температури понад 90 градусів Цельсія та зменшення маси акумулятора приблизно на 40%

Паралельно Factorial розвиває квазітвердотільні батареї як ближчий до ринку варіант. Вони використовують гелеподібний електроліт у поєднанні з літієвим металевим анодом і високоефективним катодом, поєднуючи переваги нових матеріалів із відпрацьованою технологічністю літій-іонних систем

Такі рішення вже з’явилися в Китаї. Власник Nio ET7 минулого року проїхав 892 кілометри на одному заряді завдяки напівтвердотільному пакету ємністю 150 кВт-год. У США подібні батареї теж не за горами: Stellantis планує запустити демонстраційний парк Dodge Charger Daytona з акумуляторами Factorial. Заявлена щільність енергії сягає 390 ват-годин на кілограм, тоді як галузевий стандарт перебуває в межах 250–300

Скорочення маси стає ще однією ключовою перевагою 

За оцінками Factorial, твердотільні батареї дозволяють зменшити масу пакета на 90–135 кілограмів, а на рівні автомобіля економія може досягати близько 450 кілограмів. Менша маса означає простішу конструкцію та нижчу собівартість, адже кожен зекономлений кілограм дає відчутний фінансовий ефект

Аналітики звертають увагу на те, що великі кросовери та пікапи, популярні у США, мають погану аеродинаміку й потребують масивних батарей. Легші й потужніші твердотільні рішення краще відповідатимуть потребам цього сегмента, хоча автовиробники водночас експериментують із гібридними схемами подовженого запасу ходу (з ДВЗ у якості генератора)

У підсумку твердотільні акумулятори мають всі шанси виправдати очікування. Обережність виробників багато в чому зумовлена ажіотажем навколо цієї теми, адже з таким рівнем обіцянок помилка на старті може дорого коштувати