У хорошей батареи должно быть две основные характеристики: быстро заряжаться и медленно разряжаться. Улучшение этих свойств сегодня напрямую влияет на развитие технологий, в том числе разработку гаджетов и электромобилей. В обычных литий-ионных устройствах сделать с этим ничего особо нельзя. Но, вероятно, совсем скоро на массовый рынок выйдут твердотельные батареи, которые если и не изменят мир, то точно сделают его еще более технологичным.
История вопроса
Твердотельные батареи — это альтернативный тип аккумуляторов, в которых в качестве электролита используется твердое, а не жидкое вещество.
Идея не нова. Так, впервые твердые электролиты еще в XIX веке открыл знаменитый английский физик Майкл Фарадей. Именно он обнаружил, что некоторые твердые вещества, такие как фторид свинца или сульфид серебра, могут проводить электрический ток. Однако в то время техника производства таких аккумуляторов была дорогой и сложной. При этом само открытие породило целую новую область — физику и химию твердого тела.
Первые исследования в области твердотельных батарей началось позже, в 1950-х гг., и были связаны с поиском альтернатив жидким электролитам для аккумуляторов. В следующие десятилетия шли по большей части научные изыскания по данной теме. В практическую область они пока не переходили, поскольку кислоты, щелочи и органические соединения было применять гораздо дешевле.
Первым человеком, который разработал твердотельную литий-ионную батарею, стал американский ученый и специалист в области физики и химии твердого тела Джозеф Гутенаф. За свое изобретение в 2019 г. в возрасте 97 лет он удостоился Нобелевской премии.
Первое производство таких батарей появилось совсем недавно — в 2018 г. Компания TDK создала маленькие твердотельные аккумуляторы для смартфонов и носимых устройств. Они выдерживают до 1 тыс. циклов перезарядки и считаются гораздо безопаснее своих аналогов.
Уникальность и особенности твердотельных батарей
Для того чтобы аккумулятор выполнял свои функции, необходим электролит. Именно он проводит ионы между катодом и анодом внутри устройства. В обычных, привычных нам батареях для этого используется жидкий или гелеобразный электролит — кислотные, щелочные или же солевые растворы. Принципиальное отличие твердотельных аккумуляторов очевиден — электролит в них находится в твердом состоянии (чаще всего в виде порошка). Это могут быть сульфидные, керамические, стеклянные или полимерные соединения.
У них есть несколько неоспоримых плюсов:
• Безопасность
Твердый электролит не подвержен утечке, воспламенению или испарению. Это сводит к минимуму риск взрыва, теплового пробоя или внезапного горения.
• Высокая энергетическая плотность
Такие устройства накапливают в 1,5–2 раза больше энергии на единицу объема или массы в сравнении с литий-ионными аналогами. Это, к примеру, может дать больший запас хода для электромобилей.
• Очень быстрая зарядка
В твердотельных аккумуляторах ионная проводимость в несколько раз выше, чем в обычных батареях. В результате для полной зарядки достаточно всего нескольких минут.
• Долговечность
После 1 тыс. циклов заряда твердотельные аккумуляторы теряют всего 5% емкости, тогда как у литий-ионных батарей после 700 циклов пропадает 20%. То есть устройства с твердым электролитом гораздо более долговечны.
• Экологичность
Твердотельные батареи не содержат токсичных или же дефицитных элементов, таких как фтор или кобальт. Также они легко поддаются переработке и утилизации.
Все это делает технологию крайне перспективной — высокоемкостные, быстро заряжающиеся и долговечные аккумуляторы могут увеличить срок работы как электромобилей, так и популярной электроники, например, телефонов, ноутбуков, смарт-часов и т.д.
Однако при всех плюсах у твердотельных элементов есть и серьезные недостатки, которые не дают им выйти на массовый рынок наравне с литий-ионными батареями. В первую очередь, делать их очень дорого даже сегодня — производственные процессы сложные, а качество материалов должно быть очень высоким. Кроме того, при низких температурах эти компоненты теряют свои преимущества — скорость зарядки в результате снижается, а разрядка происходит быстрее.
Что происходит на рынке
Массовое внедрение твердотельных батарей потребует времени, однако некоторые компании ведут разработки в этой области. Особенно преуспевают производители электромобилей — спрос на такой транспорт постоянно растет, и им нужны быстрые и долговечные зарядные устройства.
Так, в 2024 г. «дочка» Volkswagen — PowerCo — совместно с QuantumScape провела испытания твердотельных керамических элементов, которые в будущем планируется использовать в конструкции машин. Toyota собирается внедрить батареи, которые будут служить до 40 лет, в серийные автомобили уже в 2027–2028 гг. А Mercedes-Benz в 2025 г. протестировал аккумуляторы, с которыми запас хода электрокара увеличивается до 1 тыс. км.
Кроме того, спрос на безопасные и более тонкие смартфоны, ноутбуки и планшеты, которые не теряют емкость зарядки и не перегреваются, открывает перспективы для производителей электроники.
К примеру, японская корпорация уже объявила о выпуске пробной партии твердотельных аккумуляторов до марта 2027 г. — изначально устройства будут предназначены для промышленных роботов. Samsung Electro-Mechanics еще в 2024 г. анонсировала гибкую батарею для носимых устройств. А компания TDK создала для техники Apple аккумулятор с рекордной плотностью 1000 ватт-часов на литр — это примерно в 100 раз больше плотности энергии классических твердотельных батарей.
Эксперты считают, что массовое производство твердотельных батарей начнется к 2030 г., однако некоторые полагают, что из-за стоимости и сложности выпуска более реальный срок — 2035 г.
Не является индивидуальной инвестиционной рекомендацией | При копировании ссылка обязательна | Нашли ошибку - выделить и нажать Ctrl+Enter | Жалоба