Ми сприймаємо багато технологій навколо нас як належне. Наприклад, мікро-комп’ютери для телефонів, які працюють без підзарядки цілий день. Але ж хочеться, щоб телефон працював 3-4 дні без підзарядки. Або електромобіль, який може проїхати 1000 кілометрів, зарядитися за лічені хвилини … і коштувати дешевше, ніж автомобіль з бензиновим двигуном. Протягом багатьох років було багато розмов щодо твердотільних батарей, але як зараз йдуть справи? І скільки ще нам потрібно чекати, доки твердотільні батареї опиняться всередині наших пристроїв?
Найсвіжішим прикладом є Toyota, яка анонсувала презентацію автомобіля з твердотільним акумулятором на час зимових Олімпійських ігор.
Літій-іонні акумулятори, які ми використовуємо сьогодні, якими б чудовими вони не були, мають певні недоліки, які твердотільні акумулятори намагаються вирішити.
Щоб зрозуміти ці недоліки, нам треба поглянути на основні компоненти батареї. Є позитивний електрод або катод, склад якого зазвичай можна записати формулою: Нікель-Кобальт-Алюміній (NCA). Також ще є роздільник, який утримує катод ізольованим від негативно зарядженої частини (аноду), який зазвичай виконаний з вуглецевого матеріалу, такого як графіт. Все це заливається рідким електролітом, який забезпечує вільний потік іонів туди-сюди між анодом і катодом під час зарядки і розрядки.
Можна змінювати різні хімічні склади для катода і анода, але рідкі або гелеві електроліти в більшості батарей, які ми використовуємо сьогодні, порівняно легко спалахують. Таке може статися через дефект на виробництві або фізичне пошкодження, але існує ще одна проблема, яка називається дендритами. Метал накопичується на аноді і повільно створює нарости, схожі на сталактит, який може проколоти роздільник між анодом і катодом. В такому випадку батарея може вибухнути.
Отже, яким чином твердотільна батарея вирішує цю проблему? У неї замінюється рідкий електроліт на твердий. Найчастіше керамічний або склоподібний електроліт. Ці тверді електроліти не горючі, що значно покращує безпеку.
Але ще більшою перевагою твердих електролітів є можливість використання інших матеріалів для аноду, таких як металевий літій, котрий має найвищу теоретичну ємність зберігання енергії.
Фактично, металевий літій був використаний в перших дослідженнях іонно-літієвих батарей в 1979 році. Однак, одна з причин, через яку ми не використовуємо металевий літій в батареях зараз, полягає в тому, що вони страждають від наростів цих самих дендритів.
Останніми роками було проведено багато цікавих досліджень, які ставили за мету вирішення цієї проблеми. Дослідники MIT розробили так звані змішані іонно-електронні провідники (MIEC), а також електронні та літій-іонні ізолятори (ELI). Це тривимірна стільникова архітектура з нанорозмірними трубками MIEC. Трубки наповнені металевим літієм, який утворює анод. Ключова частина цього відкриття полягає в тому, що стільниковий структура дає простір для металевого літію розширюватися і стискатися під час зарядки і розрядки. Таке «дихання» акумулятора дозволяє уникати тріщин. Покриття трубок ELI діє як бар’єр, що захищає їх від твердого електроліту. Ось така структура твердотільної батареї позбавляє нас від необхідності додавати будь-яку рідину або гель, а отже дозволяє уникати дендритів.
Компанія під назвою Ion Storage Systems розробила надтонкий керамічний електроліт товщиною близько 10 мікрометрів, приблизно такої ж товщини, як сучасні пластикові роздільники, які використовують з рідкими електролітами. Кожна сторона керамічного електроліту покрита супер-тонким шаром оксиду алюмінію, який допомагає зменшити опір. Прототип батареї має енергоємність близько 300 Ватт годин / кг і здатний заряджатися за 5 – 10 хвилин. Для порівняння: сучасні акумулятори NCA досягають енергоємності близько 250 Ватт годин / кг.
IBM і Daimler оголошували про «проривну» технологію твердотільної батареї, яка використовувала квантові обчислення IBM для хімічного складу батарей, в яких не використовуються проблемні метали, на кшталт нікелю або кобальту. Однак на відміну від інших, вони не надали подробиць, які можна було б перевірити. Все, що ми знаємо, це лише той об’єм інформації, який вони повідомили. Наприклад, що батарея може заряджатися до 80% за 5 хвилин і має щільності енергомісткості сучасних літій-іонних батарей. Це оголошення зустріли з великим скептицизмом через повну відсутність деталей.
«Скляна батарея» Гуденафа не використовує кобальт, і літій може замінити легко доступний натрій. Це означає, що такі батареї можна довести до біологічного розкладання. І, як ви, напевно, здогадалися ця батарея використовує скляний електроліт. Батарея витримує більше 23 000 циклів зарядки і розрядки, що є величезним поліпшенням у порівнянні з кількома тисячами циклів типового літій-іонного елемента.
Все це чудово, але у повітрі висить все те ж питання «коли?». Коли ми нарешті побачимо твердотільні батареї на ринку? Ми роками чули про відкриття в області твердотільних акумуляторів, але досі не їх бачили.
Існує серйозний розрив між дослідженнями в лабораторії і комерційним продуктом на ринку. Часто звучать обіцянки, що такий продукт з’явиться протягом року або двох. Саме такі терміни звучали у ситуації з IBM. Вони стали партнерами з Mercedes Benz R&D North America, японської хімічною компанією Central Glass і стартапом з виробництва акумуляторів Sidus для тестування своєї батареї. У цитаті з інтерв’ю IEEE Spectrum сказано:
IBM створила прототипи акумуляторних батарей в лабораторії, які дозволили їм заявити, що вони зможуть розробити комерційний продукт для обмеженого застосування (наприклад, портативні електроінструменти) протягом одного-двох років
На виставці CES цього року Mecedes продемонструвала концепт-кар AVTR, виготовлений з екологічно чистих матеріалів, а також має акумулятор, повністю придатний для вторинної переробки. В інтерв’ю старший менеджер з досліджень акумуляторних батарей Mercedes Андреас Хінтеннах заявив, що технологія акумуляторів зараз проходить лабораторні випробування, і буде готова через 10-15 років.
CATL (китайський акумуляторний партнер Tesla) також розробила зразок твердотільної батареї, але вони також повідомляли, що він не з’явиться на ринку до 2030 року.
Важливо розуміти наскільки складно перейти від лабораторії до ефективного промислового виробництва в величезних масштабах. Цікаво, що пройшло більше десяти років між розробкою літій-іонних акумуляторів і створенням першого доступного на ринку продукту від Sony. Навіть Джон Гуденаф вважає, що пройде 5-10 років, перш ніж твердотільні батареї стануть комерційно успішними.
Навіть анонсована Тойотою поява на Олімпійських іграх автомобіля на твердотільних батареях є аналогічним показником. Керівник відділу досліджень і розробок Toyota сказав наступне:
Ми виготовимо автомобіль з твердотільними батареями і представимо його вам в 2020 році, але масове виробництво з твердотільними батареями буде налагоджене трохи пізніше
І під «трохи пізніше» він має на увазі не раніше середини 2020-х років. Зараз ми знаходимося в середній фазі досліджень твердого електроліту, коли відбуваються спроби застосувати лабораторні дослідження на реальному виробництві.
Джон Гуденаф співпрацює в цій сфері з Hydro-Qu?bec. Техаському університету в Остіні належать патенти на його «скляну батарею», але він співпрацює з Hydro-Quebec, щоб домогтися виходу батареї на ринок в конкурентоспроможному вигляді.
Важливо, що Hydro-Quebec працює з техаським університетом протягом 25 років і вже допоміг розробити літій-залізо-фосфатну батарею Джона Гуденафа.
Швидше за все, ми побачимо, що технологія твердотільних батарей з’явиться на ринку невеликими партіями в дуже обмеженій кількості. Складність виробництва і висока вартість означає, що технологія, спочатку буде використовуватися в невеликих форм-факторах, на кшталт смартфонів і розумних годинників.
Із вдосконалення виробничого процесу ми почнемо бачити цю технологію в більш масштабних продуктах на зразок електромобілів.
Щойно це відбудеться, світ сильно зміниться в побутовій електроніці, медицині і електромобілях. Ми зможемо заряджати телефони і машини за лічені хвилини, а не години. Але найбільша перевага за словами Джон Гуденафа в наступному:
«Сучасне суспільство залежить від енергії. Ми повинні знайти спосіб позбутися залежності від викопного палива, щоб ми могли спертися на сонячну енергію. І батарея є одним із способів ефективного зберігання електроенергії. Потрібно знайти спосіб обійти проблеми нинішньої літій-іонної батареї. І я сподіваюся, що ми знайшли рішення. У нас є безпечна, повністю твердотільна батарея з високою щільністю енергії, яку дуже дешево виготовляти. Так само, як літій-іонна батарея принесла нам революцію бездротового зв’язку. Тепер у нас буде можливість зберігати енергію в досить великому обсязі за відносно невеликих витрат, щоб вона могла конкурувати з нафтою.»
Твердотільні батареї можуть привести нас в майбутнє, але поки потрібно набратися трохи терпіння.