Как твердотельные аккумуляторы могут изменить мир электроники и транспорта

На сегодняшний день, большинство электронных устройств, от смартфонов до электромобилей, используют литий-ионные аккумуляторы, которые состоят из жидкого или гелевого электролита и двух электродов. Эти аккумуляторы имеют ряд недостатков, таких как ограниченная емкость, высокая стоимость, риск перегрева и возгорания, а также негативное воздействие на окружающую среду.

Твердотельные аккумуляторы — это альтернативный тип батарей, использующие твердый электролит. Такие аккумуляторы потенциально решают многие проблемы литий-ионных, такие как пожароопасность, ограниченное напряжение, нестабильное образование твердого электролитического интерфейса, маленький цикл разряда/заряжания и прочность.

Твердотельные батареи не являются новым изобретением — твердые электролиты были созданы в 19 веке Майклом Фарадеем, и они в настоящее время используются в медицинских имплантах. Но техника производства их была дорогой и сложной, а также имелись проблемы с совместимостью материалов и производительностью.

Однако в последние годы появились новые разработки в области твердотельных аккумуляторных батарей, особенно в контексте электрических транспортных средств, начиная с 2010-х годов. В 2011 году был продемонстрирован первый твердотельный электролит, Li10GeP2S12 (LGPS), способный достигать объемной ионной проводимости, превышающей жидкие электролиты при комнатной температуре.

С тех пор появилось множество других кандидатов на роль твердотельных электролитов, таких как керамика (например, оксиды, сульфиды, фосфаты) и твердые полимеры. Также были предложены различные способы улучшения свойств твердотельных АКБ, такие как использование наночастиц, композитов, интерфейсных покрытий.

Твердотельные АКБ имеют ряд преимуществ перед литий-ионными, такие как:

• Большая безопасность: твердый электролит не подвержен утечке, испарению или воспламенению при повреждении или перегрузке.

• Большая емкость: твердый электролит позволяет использовать больше активного материала на единицу объема или массы, а также использовать литий-металлический анод вместо литий-углеродного, что увеличивает емкость на 50-100%.

• Большая энергоэффективность: твердый электролит обладает меньшим сопротивлением и меньшей деградацией при зарядке и разрядке, что снижает потери энергии и увеличивает срок службы батареи.

• Меньшее загрязнение окружающей среды: твердотельные батареи не содержат токсичных или дефицитных элементов, к примеру как кобальт или фтор, и легко поддаются переработке или утилизации.

Однако они также сталкиваются с рядом вызовов, мешающими их широкому внедрению, таких как:

• Низкая мощность: твердый электролит имеет меньшую ионную проводимость, чем жидкий, особенно при низких температурах, а это ограничивает скорость зарядки и разрядки батареи.

• Высокая цена: твердотельные батареи требуют более сложных и дорогих процессов производства и сборки, чем литий-ионные, а также более высокого качества материалов и оборудования.

• Низкая надежность: твердый электролит подвержен трещинообразованию, деформации и разрушению при механическом нагружении или термическом циклировании, а также несовместимости с электродами, которые могут вызывать образование паразитных фаз или проникновение лития.

В настоящее время твердотельные аккумуляторы, способные конкурировать на рынке, ограничены малыми ячейками. Первые коммерчески доступные твердотельные аккумуляторы — это тонкопленочные батареи, которые являются наноразмерными батареями, состоящими из слоистых материалов, которые функционируют как электроды и электролиты.

Несколько компаний и организаций заявляют о своих достижениях в области разработки твердотельных батарей для крупномасштабных приложений, таких как электромобили. Например, компания Toyota планирует запустить свой первый электромобиль на твердотельных батареях в 2025 году. Компания QuantumScape, поддерживаемая Volkswagen, утверждает, что ее твердотельные батареи могут заряжаться до 80% за 15 минут и иметь на 80% большую емкость, чем литий-ионные батареи. Агентство DARPA финансирует проект ReCell, который направлен на создание твердотельных батарей с возможностью самовосстановления.

Таким образом, твердотельные батареи представляют собой перспективное направление в области хранения энергии, которое может принести революцию в различных отраслях и сферах жизни.