Что такое твердотельные батареи и как они определят будущее силовых агрегатов электромобилей?

Пуджа Вадхва, доктор наук, исследователь твердотельных аккумуляторов, и Пранав Нагавейкар, бывший инженер Ford по проектированию аккумуляторов для электромобилей, подробно изучают технологию твердотельных аккумуляторов.

Пуджа Вадхва Пранав Нагавейкар

Что такое твердотельные батареи?

Пуджа: В обычной литий-ионной батарее у вас есть два электрода — анод и катод, и когда вы разряжаете элемент, ионы лития перемещаются от анода и внедряются в катод. Электроды заполнены жидким электролитом, а полимерный сепаратор используется для предотвращения короткого замыкания элемента. Электроды подключены к внешней цепи, по которой текут электроны, и когда вы разряжаете элемент, вырабатывается ток, который используется для питания электромобиля. В твердотельной батарее принцип тот же, но вы удаляете сепаратор и жидкий электролит, и вместо этого у вас есть твердый электролит между двумя электродами. Твердый электролит может обеспечить литий-металлический анод, теоретически емкость которого в десять раз превышает теоретическую емкость графитового анода, что удваивает плотность энергии элемента. Металлический литий обладает высокой реакционной способностью и может образовывать дендриты во время циклирования, которые замыкают ячейку. Твердый электролит может механически предотвратить образование дендритов, а также повысить безопасность элемента, поскольку у вас нет легковоспламеняющегося жидкого электролита.

Пранав: Твердотельные аккумуляторы — это в основном литий-ионные аккумуляторы без жидкого электролита. Жидкий электролит заменяется твердым электролитом, поэтому эти батареи называются твердотельными батареями. Многих смущает, что твердотельные батареи — это совершенно другой тип батарей, чем существующие литий-ионные батареи. Это не относится к делу. Просто жидкий электролит теперь заменен на твердый.

Литий-ионный аккумулятор против всех твердотельных аккумуляторов

Какие основные тенденции усиливают потребность в изменении аккумуляторной технологии?

Пранав: Как мы все знаем, все в аккумуляторной отрасли постоянно работают над преодолением некоторых из основных проблем перехода на электромобили, таких как повышение плотности энергии, сокращение времени зарядки, улучшение жизненного цикла и многие другие. С недавно разработанными катодами, более высоким процентным содержанием никеля и кремниевыми встроенными анодами плотность энергии этих элементов значительно улучшилась, но в то же время они также менее термически стабильны. Кроме того, относительное улучшение времени зарядки меньше. Похоже, что с обычными ионно-литиевыми элементами мы приближаемся к уровню насыщения по всем этим параметрам. Чтобы получить еще более высокую плотность энергии, лучшую термическую стабильность и меньшее время зарядки, нам нужно перейти к новому типу технологий, и я считаю, что именно здесь на помощь приходят твердотельные батареи.

Пуджа: Там есть интересные моменты. Еще одна область, которую, я думаю, люди не рассматривают, — это авиационная промышленность, где все больше внимания уделяется устойчивости, и есть интерес к использованию твердотельных батарей для частичного или полного питания электрических силовых установок на самолетах, например, во время взлета или посадки. НАСА также объявило, что собирается производить твердотельные батареи с улучшенной перезарядкой и безопасностью, так что это действительно многообещающе.

Как работают твердотельные батареи?

Пранав: Основной принцип работы твердотельных аккумуляторов такой же, как у обычных литий-ионных аккумуляторов. В обычных ионно-литиевых батареях литий в катоде расщепляется на ион лития и электрон. Электрон проходит через внешнюю сеть, в то время как ион лития плывет через жидкий электролит, чтобы достичь анода. Для твердотельных аккумуляторов все примерно так же. Вопрос в том, как мы перемещаем ионы с анода на катод и наоборот? По сути, мы используем то, что называется диффузией — мы перемещаем позиции ионов лития в решетке твердого электролита, мы создаем некоторые вакансии в текущей структуре решетки, чтобы ионы лития могли «прыгать» из одной позиции решетки в другую, перемещаясь от анода к катод и наоборот. Это единственная разница в рабочей части батареи.

Пуджа: Удаление жидкого электролита и сепаратора делает твердотельную батарею более компактной, а с использованием металлического литиевого анода увеличивает объемную плотность энергии. Проникновение ионов лития через решетку твердого электролита является относительно быстрым процессом, но вы также получаете проблемы с границей раздела с твердотельными батареями, потому что у вас есть твердая поверхность раздела на аноде и катоде, и это может быть очень резистивным, так что это то, что следует учитывать и активная область исследований для многих отраслей, которые пытаются решить эту проблему.

В прессе много говорится о том, что твердотельные батареи можно производить без кобальта или никеля. Так ли это?

Пуджа: Как и в литий-ионной батарее, катод все равно будет содержать кобальт, марганец и никель; мы только заменяем жидкий электролит.

Пранав: Да, катод будет тот же. Существует много путаницы в том, что твердотельные батареи не содержат кобальта, марганца и никеля, но это не всегда так. Существует возможность использования других катодов, но текущие будут по-прежнему использоваться даже с твердотельными батареями.

Пуджа: Одним из преимуществ твердых электролитов является то, что вы можете использовать высоковольтные катоды с более высоким содержанием никеля и более низким содержанием кобальта, и это очевидное преимущество с точки зрения снижения кобальта, поскольку он в основном производится неэтичным способом, а также увеличения плотности энергии, равной емкость, умноженная на окно рабочего напряжения. Причина, по которой твердые электролиты могут использоваться с высоковольтными катодами, заключается в том, что некоторые твердые электролиты имеют окно рабочего напряжения, которое стабильно между 0 и 5 В, а при 5 В большое количество жидких электролитов вскоре начинает разлагаться (около 3 В). -4 В). А вот с твердотельными батареями не так ясно, из чего будут состоять катодные материалы. Если вы используете материал без кобальта, никеля или марганца, такой как катод из литий-железо-фосфата (LFP), это лучше с этической точки зрения, но с EV, поскольку вам нужен высоковольтный катод для повышения плотности энергии, он должен быть на основе никеля.

Другой момент заключается в том, как вы классифицируете материалы с твердым электролитом; у вас есть неорганические и органические электролиты. В последнем обычно используются какие-то полимерные электролиты, но поскольку их ионная проводимость низка, вы не склонны использовать их для приложений EV. Когда вы смотрите на неорганические вещества, существует множество классификаций — две основные — это оксидные и сернистые материалы. Оксиды представляют собой твердую керамику и легко доступны, но их необходимо спекать при высоких температурах примерно от 1000 до 1200 ^o . C, и это связано с большими затратами. Химикаты на основе серы являются более мягкими материалами, поэтому вам не нужно обрабатывать их при такой высокой температуре, что является преимуществом, но когда сера реагирует с влагой, образуется H₂ Газ S является токсичным, поэтому при наличии производственной линии необходимо учитывать эти факторы, а также CO₂ выбросы.

Мы обсудили некоторые из основных преимуществ твердотельных батарей, в основном преодоление проблем с радиусом действия и снижение риска возгорания, но каковы другие преимущества?

Пуджа: Сокращение времени зарядки; Компания QuantumScape сообщила, что ее аккумулятор может заряжаться до 80 % емкости за 15 минут, что намного меньше по сравнению с сегодняшним отраслевым стандартом, который составляет около 30-40 минут, и одна из основных причин, по которой вы можете это сделать, заключается в том, что нет легковоспламеняющийся жидкий электролит в твердотельной батарее, поэтому вам не нужно думать о повышении температуры элемента при более быстрой зарядке.

Пранав: Как упомянула Пуджа, быстрое время зарядки будет большим преимуществом с SSB. 80% за 15 минут означает, что мы получаем около 26% заряда за 5 минут. Даже если предположить, что дальность составляет 400 км, это примерно 100 км за 5 минут быстрой зарядки, что звучит довольно впечатляюще. Кроме того, я думаю, что улучшенная упаковка батареи является еще одним преимуществом с точки зрения проектирования.

QuantumScape успешно объединила свои однослойные элементы и теперь заявляет, что разработает многослойные твердотельные аккумуляторные элементы, когда перейдет к пилотному производству.

Отличаются ли они от литий-ионных аккумуляторов с точки зрения возможности вторичной переработки?

Пуджа: Трудно сказать, потому что полный пак еще никто не делал. Переработка в принципе должна быть возможна. Но будет ли рентабельно извлекать материалы путем вторичной переработки? В конечном счете, это зависит от химического состава твердого электролита. Твердая природа твердых электролитов облегчает извлечение компонентов по сравнению с жидким электролитом. А если используется твердый сернистый электролит, сера очень дешевая, поэтому ее переработка может оказаться неэффективной. Если используется керамический твердый электролит, который требует высокотемпературной обработки и, следовательно, является дорогостоящим в производстве, то это может оправдать затраты на переработку. Я просто не думаю, что эти вещи были полностью учтены, поскольку у нас пока нет электромобиля с твердотельной батареей.

Пранав: Точно. За исключением части с твердым электролитом, в остальном он такой же, как и у обычного аккумулятора, поэтому с точки зрения переработки он должен продолжать развиваться по тому же пути.

BASF построит новый прототип завода по переработке аккумуляторов в Шварцхайде, Германия

Есть ли недостатки?

Пуджа: Твердотельные батареи обеспечивают двойную плотность энергии и безопасны по своей сути. Проблема заключается в технических проблемах и масштабировании их в ячейки большого формата для электромобилей экономически эффективным способом.

Пранав: С точки зрения прогресса, твердотельные батареи (SSB) сталкиваются с проблемами на нескольких уровнях. С технической точки зрения SSB сталкиваются с проблемами самого интерфейса электролит-электрод, который представляет собой контакт между твердым электролитом и анодом и катодом. Интерфейс твердой ячейки создает много проблем с точки зрения энергии, когда ионы текут. Также есть проблема с механическим состоянием. Твердые электролиты, возможно, могут треснуть под давлением штабелируемых элементов при создании аккумуляторной батареи. Затем возникает проблема коммерциализации, чтобы масштабировать эти батареи до объемов производства.

Пуджа: Я согласен, что производство может быть другим, но я не вижу в этом серьезной проблемы. На самом деле вы не можете сделать твердотельные батареи в виде цилиндрической ячейки, поскольку они недостаточно гибки, чтобы скручиваться в цилиндрический формат. Таким образом, современные линии по производству литий-ионных аккумуляторов должны будут адаптироваться к элементам пакетного типа. Но в этом есть преимущество, потому что, если вы можете отказаться от использования дорогих модулей и поместить ячейки в пакеты напрямую, да, вам, возможно, придется изменить формат ячейки, но вы выиграете с точки зрения снижения веса и стоимости.

В долгосрочной перспективе самой большой проблемой является проблема давления и дендритов. Твердый электролит, о котором мы говорили ранее, также действует как барьер, который не дает литиевым дендритам проходить между электродами и вызывать короткое замыкание. Применяя стековое давление, можно уменьшить образование дендритов за счет улучшения межфазного контакта. Даже компания QuantumScape, заявившая, что их аккумулятор решает все основные проблемы, с которыми сталкиваются твердотельные аккумуляторы, такие как короткий срок службы и низкая скорость зарядки, по-прежнему подвергает ячейки воздействию давления 3,4 атмосфер. Можем ли мы сделать это в движущемся транспортном средстве? Часто сообщается, что 1 МПа является жизнеспособным давлением для электромобиля, и поэтому мы должны стремиться к этому. Нам нужна такая же производительность элементов для твердотельных батарей, но при реалистичном давлении, которое мы могли бы применить, просто укладывая элементы друг на друга.

Если вы используете сернистый электролит, все еще существует проблема аварии, когда сера подвергается воздействию воздуха и вызывает выделение токсичных газов. Оксидные электролиты не выделяют таких токсичных газов, но требуют высоких температур для спекания, что дорого. Таким образом, существует компромисс между пониженной температурой спекания электролита для сернистых электролитов и стоимостью, связанной с созданием влагочувствительных камер.

Другая проблема заключается в строительстве достаточного количества гигафабрик, чтобы снизить общую стоимость производства твердотельных аккумуляторов, поскольку они будут дороже, чем ионно-литиевые, даже если первоначальные затраты на химию будут меньше.

Чисто электрические Volvo C40 и XC40 подзаряжаются на зарядной станции

Bloomberg New Energy Finance указывает, что цена твердотельных элементов не упадет ниже текущих литий-ионных элементов с жидким электролитом до 2034 года. Как вы думаете, это правда?

Пранав: Это звучит примерно так с текущим состоянием. Пока нет даже полноценной полномасштабной модели. Часть коммерциализации может зависеть от того, как адаптировано производство этих клеток.

Пуджа: Сказать, будет ли это конкретно 2030-е или 2034 год, очень сложно, потому что эти компании рассматривают разные материалы с твердым электролитом, и все связанные с этим затраты и производственная линия будут другими, поэтому слишком рано говорить, но я не вижу, чтобы они были дешевле. чем литий-ионные батареи до этого периода.

Могут ли твердотельные батареи работать в широком диапазоне температур?

Пуджа: Да, у них действительно есть преимущество, потому что они не воспламеняются, поэтому вы можете использовать их при более высоких температурах и даже при более низких температурах, когда, по-видимому, образуются дендриты. Таким образом, хотя упаковка немного дороже, ее можно использовать в большем количестве приложений, таких как аэрокосмические или высокопроизводительные автомобили, которым может потребоваться высокий температурный диапазон во время работы. По мере того, как электромобили становятся популярными, компании могут добиваться эффекта масштаба за счет увеличения производства и снижения затрат.

Пранав: Да, это одно из основных преимуществ твердотельных аккумуляторов. Широкий диапазон температур.

Учитывая, что они более стабильны, я думаю, это означает, что им не требуются дорогие системы охлаждения?

Пранав: да. им не нужны дорогие системы охлаждения. Возможно, им не потребуется никакой системы охлаждения. Кроме того, это означает, что производители электромобилей могут использовать это пространство для установки большего количества аккумуляторов или более эффективного размещения аккумуляторов существующего размера.

Пуджа: Да, именно так, и это также может помочь снизить производственные затраты.

В каких приложениях мы увидим твердотельные элементы первого поколения и почему?

Пранав: Пассажирские электромобили, как мы упоминали, ведутся многочисленные исследования в области авиации, так что это может стать одним из приложений, но, судя по тому, что я читал, сначала мы увидим их в электромобилях.

Пуджа: Да, я согласен, но я бы, наверное, сказал больше роскошных электромобилей из-за стоимости. Любое приложение, где безопасность и плотность энергии имеют первостепенное значение, а стоимость не является проблемой, мы увидим это в первую очередь, так что авиация, как сказал Пранав. Я бы сказал, что для сетевых или морских приложений, где вы хотите, чтобы батареи были очень дешевыми, и не имеет значения плотность энергии или размер, промышленность не будет смотреть на полупроводниковые батареи.

Некоторые разработчики аккумуляторных технологий называют 2026 год целью для начала поставок своих твердотельных аккумуляторов, например Oxis Energy, в то время как производители автомобилей, такие как BMW, рекламируют 2025 год с демонстрационным автомобилем. Существуют ли возможные временные рамки, учитывая, что твердотельные элементы все еще коммерчески не испытаны, и еще никому не удалось перейти от изготовленных вручную образцов к увеличению как размера элемента, так и объема производства до такой степени, что это действительно было бы практично для питания транспортного средства?

Пранав: Все производители автомобилей должны устанавливать сроки для любого проекта, и 2025 год — это агрессивная цель, хотя вполне возможная для демонстрации, но я не думаю, что к тому времени он будет готов к производству.

Пуджа: Я бы сказал с академической точки зрения, что сначала нам нужно решить проблему дендритов. Допустим, мы верим QuantumScape на слово, что они решили проблему дендритов, и теперь у них есть десятислойная ячейка, которая станет частью одной ячейки-мешочка. Их первоначальные циклические тесты проводились на однослойной ячейке, поэтому им необходимо воспроизвести эти результаты на своей десятислойной ячейке. Как только десятислойная ячейка заработает хорошо, им нужно будет интегрировать эти ячейки в пакет, на что уйдет от одного до двух лет, а затем им нужно будет опробовать ее на прототипе транспортного средства и параллельно построить производственную линию. Во-первых, мы должны были бы убедиться, что после того, как они поместят его в полный пакет, они получат необходимую производительность, чтобы увидеть, стоит ли масштабировать его для гигафабрик.

Solid Power — еще одна компания, которая изготовила аккумуляторную батарею емкостью 2 Ач, и в настоящее время они производят 20 Ач. Несмотря на то, что сроки довольно далеки, я думаю, что в ближайшие год или два мы сможем, по крайней мере, узнать, будет ли это коммерческим и будет интегрировано в электромобили с решением вышеупомянутых проблем. Вот тогда и придет время волноваться, но это не за горами:перейти от лабораторий к производству и, если оно оправдает себя, при наличии достаточного количества денег и инвесторов, быстро построить производственные линии.

BMW Group и Ford стремятся использовать недорогую, высокоэнергетическую технологию полностью твердотельных аккумуляторов Solid Power в будущих электромобилях.

Volkswagen считает твердотельные аккумуляторы конечным достижением в области аккумуляторных технологий, сокращая время зарядки на 50 % и одновременно увеличивая запас хода на 30 %. Вы согласны? Смогут ли когда-нибудь твердотельные батареи заменить литий-ионные?

Пуджа: Я думаю, что необходимы и то, и другое, и в случаях превосходных приложений, таких как производительность / роскошные электромобили, где производительность и безопасность имеют первостепенное значение, у нас будет твердотельный, но я не думаю, что литий-ионный уйдет в ближайшее время, это довольно дешево и для такие вещи, как системы накопления энергии, идеально подходят благодаря их быстрому реагированию, модульности и гибкости установки.

Пранав: Я также согласен с Пуджей, по крайней мере, в течение следующих нескольких десятилетий, и пока стоимость твердотельных батарей не снизится, мы увидим, что они оба будут использоваться. И с точки зрения заявления VW, я думаю, мы можем увидеть увеличение дальности до 50 процентов.

На какие компании нам следует обратить внимание, если они хотят изменить индустрию электромобилей с помощью твердотельных аккумуляторов?

Пуджа: Их довольно много, есть Samsung, которые объединились с Toyota. Honda и Nissan, затем есть Solid Power, в которые вложили значительные средства BMW и Ford, которые используют сернистый электролит, который отличается от QuantumScape, использующего керамический электролит. Solid Power также хочет иметь кремниевый анод, что интересно, поскольку в промышленности в основном используются литиевые аноды. Есть Solid Energy Systems, с которыми сотрудничает General Motors, и они используют систему гибридного электролита — твердый полимерный электролит для защиты литиевого анода, но имеют жидкий электролит.