Чем так хороши твердотельные аккумуляторы?
Электромобиль появился на свет гораздо раньше, чем автомобиль с двигателем внутреннего сгорания – в 1828 году. На протяжении всего XIX и первой половины XX веков этот вид транспорта непрерывно модернизировался. Интерес к нему угас после Второй Мировой войны, когда дешёвое топливо сделало необычайно выгодным производство бензиновых и дизельных агрегатов. Но уже в начале XXI в связи с постоянным увеличением стоимости нефти популярность электромобилей снова стала расти. Принципиальным техническим новшеством стало применение для электромобилей твердотельных аккумуляторов. Такое техническое решение позволяло избавиться от массы проблем, связанных с использованием традиционных жидкостных батарей, в частности, увеличить энергоёмкость, скорость зарядки, значительно снизить размеры.
В нынешнем году доля электромобилей от числа всего мирового автопарка составила 0,7 %. Однако на пути широкого распространения этого вида техники будущего выросли новые проблемы, которые пока остаются не решёнными. Об этом, а также о сроках запуска твердотельного аккумулятора в нашем материале.
Твердотельные батареи – что это?
Принцип конструкции и действия аккумулятора предельно прост. Он состоит из двух металлических пластин: положительно заряженного катода и отрицательно заряженного анода. Пространство между ними заполнено литиевой солью – электролитом, позволяющим частицам металлов передвигаться. Когда батарея заряжается, движение происходит от катода к аноду, когда разряжается – в обратную сторону.
В твердотельном аккумуляторе, как можно догадаться из названия, жидкая среда отсутствует. Электролит представляет собой такую же твердую субстанцию, как катод и анод. При этом он может быть выполнен не только из металлов или их сплавов, но и из полимерных материалов.
Достоинства и недостатки
Замена жидкого электролита на твёрдый позволит сделать батарею намного более компактной, во всяком случае плоской, поскольку для размещения твёрдой сердцевины не требуется много места. Таким образом, без потери мощности можно значительно сэкономить место под капотом и разместить там не одну, а две, три и более батарей. Это в свою очередь позволит сделать двигатель более мощным, а расстояние, которое можно преодолеть на одной зарядке, более большим.
Ещё одним немаловажным достоинством этого технического изобретения является его повышенная безопасность. Агрегат не включает легковоспламеняющихся и токсичных для окружающей среды веществ, а также не выделяет такого количества тепла, как обычный жидкостный.
Это означает, что опасность воспламенения и токсического воздействия значительно снижается.
Следующее преимущество – это повышенная плотность энергии (300-800 кВт*ч/л). Это означает, что батарея намного лучше будет держать заряд и её энергоэффективность возрастёт в несколько раз. По последним исследованиям, твердотельный аккумулятор по показателю энергомощности может превосходить традиционный почти в пять раз. Кроме этого, в десятки раз сокращается время подзарядки. Также немаловажным достоинством является повышенный срок жизнеспособности: батарея с твёрдой сердцевиной способна пережить намного больше циклов зарядки, чем с жидкой.
Теперь о недостатках. Первая, самая серьезная проблема – это поиск новых материалов, подходящих для изготовления твёрдой сердцевины. Вариантов много, каждый имеет свои достоинства, но нередко недостатки их нивелируют или даже перевешивают. Поэтому поиск оптимального варианта продолжается. Наиболее перспективным на сегодняшний день считается вариант с применением серы, которая выступит в качестве катода, и лития (или одного из его сплавов) в качестве анода. В этом случае электролитом станет какой-либо сульфид. Этот вариант устройства позволит увеличить плотность энергии минимум в два раза. Однако сульфидно-литиевая батарея обладает серьёзным недостатком: она пожароопасна.
Второй недостаток – это слишком высокая стоимость исследований и внедрений. Основная масса автомобилей по-прежнему использует жидкие батареи. Технология их производства давно отработана и оптимизирована, производственных мощностей в мире более чем достаточно. Всего этого нельзя сказать о твердотельном аккумуляторе. Для него всё это придется создавать с нуля. Поэтому пока его себестоимость слишком велика.
Когда их ждать?
Несмотря на высочайшую затратность, ведущие мировые автоконцерны продолжают вести разработки по созданию твердотельных батарей. Так, инженерная группа «Самсунг» планирует начать массовое производство агрегатов примерно к 2025 году. Представители концерна «Тойота» настроены более оптимистично и думают начать широкомасштабное внедрение твердотельных аккумуляторов для электромобилей на несколько лет раньше.
Не отстаёт и Китай. Предприятия для массового производства агрегатов начали строить ещё в 2014 году в городе Куньшань. На сегодняшней день в развитие производства вложено более 1 млрд юаней. Интерес к сотрудничеству ещё в 2018 году проявили представители компаний Toyota и Volkswagen.
