Что такое твердотельные аккумуляторные батареи?
Кстати, твердые электролиты изобрел Майкс Фарадей еще в 19 веке, и сейчас их применяют в медицинских имплантах. Но сложное дорогостоящее производство в сочетании с низкой производительностью и несовместимостью материалов препятствовали массовому внедрению этой технологии. Ситуация изменилась с 2010-х, когда появились усовершенствованные разработки. Так, в 2011 году состоялась демонстрация первого твердотельного электролита с формулой Li10GeP2S12 (LGPS). По объемной проводимости ионов при комнатной температуре он превзошел жидкие электролиты.
Сейчас изобретатели экспериментируют с химическим составом, внедряют свои уникальные формулы и патентуют новые разработки в этом направлении. Так, у компании Toyota в этой сфере уже сотни патентов, а у Samsung, Fuji Film, Murata и Panasonic – десятки. Ведущие бренды стремятся создать более совершенные аккумуляторы по сравнению с нынешними литий-ионными моделями и выйти на их коммерческое производство раньше конкурентов.
Устройство твердотельных аккумуляторов
Такие элементы питания устроены почти так же, как и распространенные сегодня Li-ion аккумуляторы. У них также есть катод, анод (но не графитовый, а литий-металлический) и электролит, но только он находится не в жидком, а в твердом состоянии. При изготовлении таких аккумов используют полимерные и композитные материалы на базе неорганических оксидов и сульфидов. Такой жесткий проводник – своеобразная мембрана – обеспечивает проходимость ионов между электродами.
В зависимости от состава мембраны между катодом и анодом, твердотельные элементы питания бывают нескольких подвидов:
- Модели с электролитом на базе полимеров – высокотехнологичные ячейки с отличными рабочими параметрами. Но полимерные мембраны недостаточно устойчивы к контакту с металлами и слабо проводят ионы на морозе.
- Аккумы с оксидными мембранами – они химически устойчивы к взаимодействию с металлическими компонентами, имеют высокие показатели энергоэффективности, но чувствительны к влаге. Оксидные проводники отлично взаимодействуют с катодами и обеспечивают умеренную проводимость.
- Модели с сульфидными электролитами – считаются лучшими, т.к. их мембраны наиболее эффективно проводят ионы и обеспечивают элементам питания отличную энергоемкость. Есть у них и минусы – средние механические характеристики, чувствительность к влаге и химическая нестабильность.
Исследования и поиски оптимального состава еще ведутся. Кроме использования электролитов из твердых полимеров и керамики (оксидов, сульфидов, фосфатов), изобретатели экспериментируют с применением композитов, наночастиц, интерфейсных покрытий.
Плюсы и минусы аккумуляторов с твердым электролитом
Теоретически такие аккумуляторные батареи способны решить многие проблемы современных Li-ion аналогов – связанные с пожароопасностью, сравнительно небольшим циклическим ресурсом (около 1000 циклов), ограниченным напряжением, недостаточными прочностными характеристиками. Но критика в их адрес говорит о наличии недостатков и необходимости дальнейшего совершенствования.
В таблице перечислены сильные и слабые стороны твердотельных АКБ:
|
Преимущества |
Недостатки |
|
Безопасное использование. Неподверженность электролита испарению, протечке или возгоранию при разгерметизации элементов питания или токовых перегрузках. |
Низкая ионная проводимость электролита на морозе. |
|
Огнеупорные свойства, невоспламеняемость, способность работать при высоких температурах. |
Подверженность мембран образованию трещин, деформации и повреждениям при механических или тепловых нагрузках. |
|
Решение проблемы дендритов и провоцируемых ими внутренних КЗ. Больший срок службы – до 10 лет. |
Ограниченные диапазоны рабочих температур. |
|
Увеличенная плотность энергии, улучшенная удельная емкость (>в 1,5–2 раза) – благодаря эффективному использованию активного материала и применению литий-металлического анода. |
Несовместимость с электродами, способными вызывать проникание лития или появление паразитных фаз. |
|
Меньшее сопротивление электролита, сохранение его свойств при заряде и разряде, меньшие потери энергии. |
У некоторых типов – химическая нестабильность. |
|
Тонкие слои – благодаря 3-мерной структуре поверхностей. В результате – увеличение емкости и длительности рабочих циклов. |
Низкая мощность аккумов, меньшие значения токоотдачи. |
|
Отсутствие в составе токсичных и дефицитных компонентов. |
Высокая цена. |
Реалии и перспективы
Технология твердотельных литиевых АКБ еще исследуется и совершенствуется. В массовой продаже таких ячеек пока нет, но это направление считается наиболее перспективным и представляет особый интерес для разработчиков. Первые коммерчески доступные аккумы с твердым электролитом – это тонкопленочные наноразмерные модели, у которых в роли электродов и электролитов выступают слоистые материалы.
Характеристики ячеек этой группы различаются в зависимости от используемых материалов и особенностей технологии изготовления. Например, поддерживаемая Volkswagen компания QuantumScape сообщила, что ее элементы питания способны за 15 минут заряжаться до 80% и по емкости на 80% превосходят распространенные Li-ion модели с жидким электролитом.
Некоторые компании уже заявили о прорыве в этом направлении. К примеру, Toyota намерена выпустить первый электромобиль на твердотельных АКБ уже в 2025 году. А агентство DARPA вкладывает средства в проект ReCell, направленный на разработку самовосстанавливаемых твердотельных АКБ. С большой вероятностью прогресс в этой сфере неизбежен, но для массового появления на рынке аккумов нового поколения нужно еще немного времени и успешных экспериментов.
В предыдущей статье блога VirtusTec.ru вышла статья с обзором аккумулятора Samsung 21700 50S Li-ion 3,6 Вольт 5000 мА·ч.
