Твердотелые, полутвердотелые и литий-ионные аккумуляторы: сравнительный анализ
Аккумуляторные технологии продолжают развиваться, и в продаже появляются инновационные АКБ, адаптированные под разные требования и задачи. Наряду с широко распространенными Li-ion и Li-Po аккумуляторами с жидким электролитом производители создают полутвердотелые и твердотелые элементы питания. Как они устроены и чем отличаются от массово используемых литий-ионных ячеек – разберем в этой статье.
Устройство полутвердотелых аккумуляторов
Полутвердотелые элементы питания (Semi-Solid Battery) представляют собой подвид ячеек Li-Polymer и отличаются использованием нежидкого электролита в виде коллоидной суспензии. В таком электролите содержится всего 5–10% жидкости, а в ней во взвешенном состоянии рассредоточены частицы графита. Для дополнительного увеличения производительности ячеек Semi-Solid используются электроды из высокопористого материала.
Преимуществами таких элементов питания являются:
- повышенная удельная энергоемкость – порядка 300–400 Вт•ч/кг;
- химически стабильная структура;
- несклонность к утечкам, термическому пробою и возгоранию;
- безопасность эксплуатации;
- способность обеспечивать большую токоотдачу;
- разнообразие форм и размеров;
- возможность ультратонкого исполнения;
- хороший ресурс – 1500–2500 циклов;
- актуальность для различных сфер – от портативных девайсов до беспилотников и электрокаров.
Особенности твердотелых аккумуляторов
Твердотелые элементы питания (Solid-State Batteries или SSB) представляют перспективную технологию будущего. Их главная особенность заключается в использовании твердого электролита из полимера, сульфитов, керамики или стекла. Такой электролит абсолютно не склонен к воспламенению или утечкам и делает батареи Solid-State максимально безопасными в эксплуатации.
Среди дополнительных преимуществ таких АКБ:
- низкое внутреннее сопротивление;
- быстрое восполнение емкости при зарядке;
- высокая плотность энергии – порядка 400–900 Вт•ч/кг;
- увеличенный срок службы – примерно 8000–10000 циклов;
- отличная эффективность;
- несклонность к замерзанию;
- возможность использования при экстремальных температурах;
- актуальность для различных приложений – от кардиостимуляторов и смарт-часов до электрических и гибридных автомобилей.
Пока аккумуляторы Solid-State находятся на стадии активных исследований и мелкосерийного тестирования. По прогнозам их массовое производство начнется в 2027–2028 гг. В частности, активным развитием твердотельной аккумуляторной технологии занимаются компании Toyota и CATL.
Сравнение технологий
Чтобы еще лучше понять, чем отличаются литий-ионные, полутвердотелые и твердотелые аккумуляторы, сравним их характеристики.
| Критерий сравнения | Твердотелые | Полутвердотелые | Литий-ионные с жидким электролитом |
| Тип электролита | Твердый | Смешанный – в форме коллоидной суспензии. | Жидкий, легковоспламеняющийся при превышении допустимых температур. При разогреве до +90 °С и выше происходит тепловой разгон и высок риск самовозгорания ячеек. |
| Плотность энергии | ≈400–900 Вт•ч/кг | ≈300–400 Вт•ч/кг | ≈150–300 Вт•ч/кг |
| Безопасность | Высочайшая | Высокая – благодаря устойчивости к протечкам и перегреву. | Умеренная – при тепловом разгоне случаются возгорание или взрыв. Уровень безопасности во многом зависит от материала катода. Например, ячейки LiFePO4 и LTO имеют более стабильную структуру и не склонны к самовозгоранию или взрыву, а модели с NMC-катодами менее устойчивы к термическому пробою. |
| Риск утечки электролита | Нет | Нет | По сравнению со свинцово-кислотными моделями – незначительный, но есть. Например, при механическом повреждении и разгерметизации корпуса. |
| Химическая и термическая стабильность | Превосходная, могут использоваться при экстремальных температурах. | Высокая | Зависит от материала катода. |
| Ресурс | ≈8000–10000 циклов | ≈1500–2500 циклов | 500–2000 циклов и выше, в зависимости от формулы катодного материала. |
| Роль | Технология будущего | Переходная технология | Технология настоящего, массовое распространение. |
| Возможность быстрой зарядки | Да | Смешанная структура электролита немного ограничивает миграцию ионов, поэтому зарядка может проходить медленнее. | Да, благодаря высокой подвижности ионов в жидком электролите время зарядки сокращается. |
| Сложность производства | Самая высокая | Высокая | Средняя |
| Цена | Самая высокая – из-за необходимости использования особых материалов и организации уникальных производственных процессов. | Ниже – благодаря возможности изготовления полутвердотелых ячеек на современных заводах по производству Li-ion аккумуляторов. | Сравнительно доступная |
| Приоритетное использование | Высоко-производительные приложения, робототехника, медтехника, аэрокосмическая промышленность. | Медтехника, робототехника, системы хранения энергии, бытовая электроника, электромобили. | Используются повсеместно, причем разнообразие подвидов позволяет выбирать ячейки с оптимально подходящими характеристиками для конкретных условий эксплуатации. |
Возможности применения батарей разных типов
Зная, какие виды АКБ бывают, чем они отличаются и каковы их преимущества, удается выбирать наиболее подходящие источники питания для всевозможных приложений. Сегодня в сферах персонального электротранспорта, потребительской электроники, систем хранения энергии и других видов аккумуляторного оборудования неизменно доминируют Li-ion батареи. Они стойко удерживают первенство благодаря доступности, отлаженной цепочке поставок, высокой плотности энергии и в целом отличным техническим характеристикам.
На рынке существуют и другие разновидности накопителей энергии, в т. ч. усовершенствованные свинцовые модели: герметичные необслуживаемые – AGM, GEL. Но им сложно конкурировать с более легкими и компактными, но при этом емкими и эффективными литиевыми батареями. В то же время Li-ion аккумуляторы не сдают позиции и более инновационным технологиям, таким как Semi-Solid и Solid-State Batteries.
Фактически литий-ионные, полутвердотелые и твердотелые АКБ могут использоваться в одних и тех же приложениях – в качестве высоковольтных батарей электромобилей, в составе робототехники, медицинского оборудования, систем накопления энергии и т.д. Но твердотельные аккумы пока остаются дорогим ноу-хау и используются в отраслях, где особенно ценится их превосходная безопасность и стабильность. Например, их выбирают для оснащения имплантируемых кардиостимуляторов, портативных диагностических приборов, а также для создания легких и эффективных авиасистем.
Полутвердотельные АКБ занимают промежуточную позицию, объединяя функционал Li-ion моделей с жидким электролитом и новаторских твердотельных батарей. Они сочетают хорошую масштабируемость с высокой безопасностью применения, поэтому востребованы в промышленной сфере и сетевых накопителях энергии.
Какие виды АКБ претендуют на лидерство в будущем?
Производители активно работают не только над разработкой новых решений, но и над совершенствованием существующих технологий: улучшением состава электролита, повышением эффективности и химической стабильности элементов питания. Благодаря этому Li-ion аккумуляторы стали более безопасными, а в полутвердотелых ячейках удалось улучшить ионную проводимость. К тому же, оптимизация производственных процессов позволила уменьшить производственные затраты при изготовлении аккумов Semi-Solid и сделать их более доступными. Да и внедрение твердотелых моделей видится вполне реальным уже в ближайшие годы.
Если же сравнить все существующие аккумуляторные технологии, сопоставить их по всевозможным параметрам и попробовать спрогнозировать тенденции их развития в ближайшем будущем, прогнозы выглядят примерно так:
- Литий-ионные – основной выбор большинства потребителей, по-прежнему массово используются во всевозможных сферах.
- Полутвердотелые модели – становятся достойной альтернативой Li-ion ячейкам, в т. ч. в автомобильной промышленности, и набирают популярность.
- Твердотелые – постепенно завоевывают рынок и становятся лучшими из лучших, сочетая отличные технические характеристики и высокие показатели безопасности. Как только их производство будет упрощено, а стоимость снижена, об аккумуляторах Solid-State узнают все – как ранее о литий-ионных «банках». И, вероятно, их лидерство будет таким же продолжительным.
Конечно, тенденции развития аккумуляторных технологий во многом зависят от открытий в материаловедении и производственных достижений. Но если эта отрасль будет развиваться так же хорошо, как сейчас, дальнейший прогресс неизбежен. К тому же, спрос рождает предложение, и спрос на инновационные решения в определенной степени способствует совершенствованию Li-ion аккумуляторов и созданию достойных альтернативных решений, таких как Semi-Solid и Solid-State Batteries.
Выводы
Сегодня в продаже представлено несколько типов аккумуляторов с отличными эксплуатационными характеристиками. Прежде всего, это Li-ion модели с разными катодными материалами: IMR (LMO), ICR (LCO), INR (NMC), NCR (NCA). Среди них можно выбрать и емкие, и высокотоковые модели для разных задач.
Очень популярны литий-железо-фосфатные аккумуляторы – LiFePO4 (LFP или IFR). Хотя они также представляют литий-ионную технологию, но выделяются в отдельную подгруппу из-за значительных отличий в характеристиках. Причем эти отличия идут на пользу: увеличенный ресурс, устойчивость к высоким токам разряда и заряда, сохранение работоспособности на морозе, повышенная стабильность структуры, несклонность к возгоранию и т.д.
Также в продаже есть аккумуляторы Li-Polymer, в т. ч. созданные по инновационной технологии Semi-Solid. Например, такие модели есть в нашем каталоге, в разделе АКБ для квадрокоптеров и дронов. Их главные преимущества – повышенная безопасность, высокая плотность энергии и хороший циклический ресурс.
Ранее в нашем блоге вышла статья о запрещенных действиях при работе с литий-ионными аккумуляторами.
