Что такое твердотельная батарея?

Многие аспекты электромобиля такие же, как и у бензинового: сиденья есть сиденья, шины есть шины, руль по-прежнему поворачивается вправо и влево. Самая большая разница, которая может привести к массовому внедрению электромобилей, — это аккумулятор.

Вот почему некоторые из самых захватывающих исследований в области современного автомобильного ландшафта сосредоточены на аккумуляторных технологиях, а «твердотельные» аккумуляторы являются одной из исследуемых областей. Эта альтернатива литий-ионным батареям, используемым сегодня, обещает увеличить запас хода автомобиля, сократить время зарядки и устранить риск возгорания батареи.

Вы еще не можете управлять электромобилем на твердотельной батарее, но они находятся в разработке. Honda недавно подтвердила, что работает над ними в своей лаборатории в Токио и планирует выпустить автомобиль с твердотельной батареей во второй половине 2028 или 2029 года. Hyundai, BMW, Ford, GM, Volkswagen и другие аналогичное исследование проводит JD Power отчеты(откроется в новом окне). Toyota лидирует с более чем 1300 патентов(Открывается в новом окне) связанных с твердотельными батареями, и он планирует запустить (откроется в новом окне) гибрид с одним к 2025 году.

В будущем поезда, самолеты и грузовики также могут использовать твердотельные батареи, что заложит основу для гораздо более широкой электрификации транспорта, чем мы можем себе представить сегодня. Вот что вам нужно знать об этой потенциально революционной технологии.

Что такое твердотельная батарея?

(Кредит: Самсунг)

Твердотельные батареи работают так же, как и любые другие батареи. Они поглощают энергию, сохраняют ее и передают энергию устройствам — от плееров до часов и, теперь, автомобильных двигателей. Разница в материалах внутри.

В литий-ионных батареях, используемых сегодня в электромобилях, между катодами и анодами находится жидкий раствор электролита (см. средний зазор на изображении выше). В качестве альтернативы в твердотельных батареях используются твердые электролиты.

Повышенная плотность означает, что твердотельные батареи могут хранить от двух до 10 раз большую емкость, чем литий-ионные батареи, AutoWeek отчеты(откроется в новом окне).

Почему в электромобилях уже не используются твердотельные батареи?

Твердотельные батареи уже существуют, только в устройствах гораздо меньшего размера, таких как умные часы, кардиостимуляторы и RFID-метки. Препятствие для их использования в электромобилях в первую очередь заключается в том, что они дороги и их сложно производить в больших масштабах, Vox объясняет(откроется в новом окне). Поскольку автомобили с батарейным питанием уже дороже, чем автомобили с бензиновым двигателем, у потребителей мало аппетита к еще более дорогим автомобилям.

Долговечность — еще одна проблема, но Honda говорит, что у нее есть решение. Твердые электролиты со временем могут разлагаться, поэтому Honda планирует защитить его, обернув новой полимерной тканью Ars Technica. отчеты(откроется в новом окне).

Аккумуляторы также должны пройти обширные испытания на долговечность на дорогах и срок службы при повседневном вождении. Помните, мы говорим о том, чтобы взять что-то, что носят на запястье, и использовать его для перемещения автомобиля или грузовика в первый раз в массовом порядке.

Увеличивают ли твердотельные батареи запас хода?

(Фото: Сюй Ву / Getty Images)

С твердотельной батареей электромобили должны проехать до дозаправки столько же, сколько бензиновый автомобиль. Возьмем, к примеру, 15-галлонный бензобак, который расходует 30 миль на галлоне. Эта машина может проехать 450 миль без заправки.

Большинство электромобилей сегодня имеют запас хода от 200 до 300 миль, хотя у пикапа GMC Sierra Denali 2024 года запас хода составит 400 миль, а супер-люкс Люсид (откроется в новом окне)который уже сегодня находится в пути, может похвастаться запасом хода в 520 миль.

Умножив эти диапазоны примерно на 50% (или на целых 80%, CarBuzz отчеты(откроется в новом окне)), а твердотельные батареи готовы к работе в дороге. У электромобиля с запасом хода 300 миль теперь 450 миль. Кроме того, твердотельные батареи будут заряжаться быстрее, чем литий-ионные, с меньшей деградацией самой батареи.

Пожары потушены: твердотельные элементы повышают безопасность электромобилей

(Фото: SpyroTheDragon/Getty Images)

Из-за пугающих сообщений о возгорании аккумуляторов после наводнения, вызванного ураганом Ян, электромобили приобрели плохую репутацию за то, что они катают спички. Но на самом деле эта честь должна достаться ионно-литиевой батарее. Замените его на твердотельный эквивалент, и у электромобиля очень низкий риск возгорания.

Жидкие электролиты в ионно-литиевых батареях легко воспламеняются, но, поскольку в твердотельных батареях такой жидкости нет, они не подвергаются такому же риску возгорания.

Пожары из-за ионно-литиевых аккумуляторов случаются редко, и автопроизводители включают кожух и защитные меры, чтобы избежать их, но когда они случаются, они сильны и их трудно потушить, иногда потребуются тысячи галлонов воды. Создание негорючих электромобилей — большая победа для водителей, горожан и пожарных.

Как вы перерабатываете твердотельные батареи?

Как ионно-литиевые, так и твердотельные батареи могут быть переработаны на одном из многих новых объектов, предназначенных для омоложения отработанных материалов. Например, Материалы красного дерева(Открывается в новом окне), начатый бывшим соучредителем Tesla Дж. Б. Штробелем, представляет собой крупномасштабный проект по переработке аккумуляторов в Неваде. Редвуд имеет 792 миллиона долларов(Открывается в новом окне) за счет средств инвесторов, в том числе Форд(Откроется в новом окне).

«Твердотельные аккумуляторы могут использовать растущую инфраструктуру переработки литий-ионных аккумуляторов», — говорит Уилл МакКенна, глава отдела маркетинга BMW и VW. Солидная сила(Откроется в новом окне)сообщает CarBuzz.

Рекомендовано нашими редакторами

«Нравиться [lithium ion] батареи, батареи Solid Power обычно содержат никель, марганец, литий и небольшое количество кобальта. Те же методы переработки литий-ионных аккумуляторов путем извлечения этих металлов также будут работать для твердотельных аккумуляторов. Таким образом, мы не ожидаем, что потребуются дополнительные процессы инвестиций в инфраструктуру».

Кошмарные сценарии с кучами разряженных аккумуляторов для электромобилей, просачивающихся в землю, также можно отбросить, поскольку внутри нет жидкости, из которой можно было бы вытекать. Не говоря уже о том, что твердотельные батареи могут иметь на 39% меньший углеродный след, чем литий-ионные батареи, Electrek отчеты(откроется в новом окне).

Кремний против твердотельных батарей

Гонка за энергоемкими аккумуляторами для электромобилей охватывает множество технологий, и твердотельные аккумуляторы — лишь одно из решений. Кремниевые батареи являются еще одним ведущим претендентом, и Тесла(Откроется в новом окне), Порше(Откроется в новом окне), а другие уже инвестировали туда. В электромобилях Porsche 2024 года планируется использовать кремниевые батареи, изготовленные из сырья, разработанного базирующейся в Вашингтоне Group14.

Веб-сайт Group14, показывающий необработанные материалы для кремниевых батарей (Фото: Group14)

«Мы увеличиваем плотность энергии аккумулятора на 50% и более и позволяем производителям аккумуляторов сокращать время зарядки до такой степени, что подзарядка автомобиля становится ближе к заправке бака», — говорит Грант Рэй из Group14.

Group14 впервые применила новый метод производства ионов кремния, широко распространенного, но нестабильного материала, который производители аккумуляторов и автопроизводители могут использовать внутри аккумуляторов для повышения их производительности. Они не будут последними, так как Group14 получила Грант в размере 100 миллионов долларов(Открывается в новом окне) от администрации Байдена в октябре к дальнейшему развитию.

Кремниевые и твердотельные аккумуляторы не исключают друг друга, и один не может победить другого. Скорее, они могут работать вместе как одна из многих технологий, необходимых для вывода на рынок более дешевых и качественных электромобилей.

«Поскольку автопроизводители используют как кремниевые, так и твердотельные батареи, реальность такова, что эти две технологии не исключают друг друга», — говорит Рэй. «Наши партнеры используют нашу технологию кремниевых батарей в твердотельных батареях, чтобы раздвинуть границы плотности энергии, позволяя транспортному средству преодолевать расстояние, которое ожидают потребители».

Чтобы узнать больше об аккумуляторах для электромобилей, см. Аккумуляторы для электромобилей 101: износ, срок службы, гарантии и многое другое.