Полутвердые аккумуляторы - альтернатива литий-ионным батареям

Потребность в высокоэффективных батареях, особенно для электромобилей, постоянно растет.

Технологические усовершенствования батарей совпали с увеличением популярности электромобилей. Литий-ионные батареи с жидкими электролитами ухудшают свою производительность после повторных циклов зарядки и могут оказаться опасными в случае неправильного охлаждения.

Компании активно работают над совершенствованием технологии полутвердых батарей и пытаются завоевать клиентов до того, как эти батареи станут широко распространенными.

Японская компания Kyocera

В 2021 году Kyocera стала первой компанией, запустившей в массовое производство полутвердые батареи. Их новое поколение аккумуляторов отличается высоким уровнем безопасности и сниженным воздействием на окружающую среду. 

Производственная мощность составляет 200 мегаватт в час, что позволяет обеспечить энергией 20 000 домашних систем хранения энергии. На данный момент производство работает на 50% своей мощности.

Hidemichi Tonari, руководитель дивизиона по энергетике в Kyocera, отметил, что производство батарей сокращает выбросы углекислого газа на 40% и обладает более длительным сроком службы по сравнению с обычными аккумуляторами.

Энергетическая мощность батареи составляет 140 ватт-часов на килограмм, что составляет 60% от литий-ионной батареи. В то же время, полутвердые батареи считаются более безопасными, чем литий-ионные.

Компания Kyocera планирует начать серийное производство батарей с более высокой мощностью к 2025 году.

Почему полутвердые аккумуляторы так хороши

В сравнении с литий-ионными батареями, все твердотельные аккумуляторы считаются превосходной альтернативой. Они обладают большим запасом энергии и способны быстрее заряжаться. Однако массовое производство твердотельных батарей пока что не разработано. 

Твердотельные аккумуляторы представляют собой новое поколение технологии, где как электроды, так и электролиты состоят из твердых материалов, и являются эффективной альтернативой лидерам рынка, таким как литий-ионные и литий-полимерные батареи.

Чем отличаются от литий-ионных:

1. Основное различие между широко используемыми литий-ионными аккумуляторами и твердотельными батареями заключается в том, что первые используют жидкий электролит для контроля электрического тока, в то время как вторые основаны на использовании твердых электролитов. Электролит в аккумуляторах представляет собой проводящую химическую смесь, позволяющую току проходить между анодом и катодом.

2. Твердотельные батареи функционируют аналогично существующим батареям, однако изменение используемых материалов и некоторых свойств батареи влияет на ее максимальную емкость, время зарядки, размеры и уровень безопасности.

3. Имеющиеся гелевые, глиняные или смоляные электролиты в полутвердых батареях рассматриваются как адекватная альтернатива, которая снижает риск возгорания даже при нагреве. 

4. Часть производственных линий для литий-ионных батарей может быть адаптирована под полутвердые батареи, что позволит сократить выброс парниковых газов. 

24M Technologies из США занимается разработкой полутвердых батарей 

Исследователи из Массачусетского технологического института и компании 24M разработали усовершенствованный метод производства литий-ионных аккумуляторов нового типа. Согласно расчетам инженеров, этот метод позволяет сократить стоимость аккумуляторов как минимум вдвое за счет упрощения процесса и использования меньшего количества материалов, при этом улучшая технические характеристики аккумуляторов. 

Этот новый метод представляет собой гибридную модель между обычной твердой батареей и так называемой «текучей» батареей, где электроды представлены суспензиями из крошечных частиц в жидкости, размещенной в различных отсеках батареи. В случае 24M, несмотря на то, что материал электродов не является текучим, он все же состоит из похожей «полутвердой» коллоидной суспензии, что и привело к названию "полутвердая" батарея.

Такой подход значительно упрощает процесс производства аккумуляторов, при этом придавая им гибкость и прочность. В стандартном методе необходимо слой за слоем наносить жидкость на подложку, с последующей сушкой каждого слоя перед нанесением следующего. Новый метод не требует никакой сушки вообще. Используя меньшее количество электродов меньшей толщины, он снижает количество слоев в аккумуляторе на 80% и количество неиспользуемого материала внутри него.

Когда электроды представлены частицами в суспензии, заряженные частицы должны пройти меньшее расстояние - это свойство, известное как "извилистость", что уменьшает необходимое количество материала для электродов.

Производство аккумуляторов по этой технологии в 2022 году составило 0,2 мегават-часа, а к 2026 году планируется увеличение объема до 80 ГВт-ч.

Ограничения от ЕС для промышленных предприятий

Рост интереса к экологически безопасным аккумуляторам стимулирует массовое производство таких батарей. Ограничения, установленные ЕС для углеродного следа, способствуют поиску альтернатив литий-ионным батареям. 

К началу 2024 года ЕС потребует от промышленных предприятий раскрывать объем выбросов парниковых газов, а к 2027 году ограничит доступ на рынок аккумуляторов, обладающих большим уровнем выбросов газа. По сути, спрос на батареи с высокой производительностью и длительным углеродным следом сократится. 

Япония и США также движутся в этом направлении.

Инновационные хабы по разработке аккумуляторов

Battery Innovation Hub 

Японский стартап Battery Innovation Hub представил новые полутвердые аккумуляторы, способные работать в два раза дольше, чем литий-ионные батареи. В своих продуктах стартап использует специальный гель, который сохраняет свою целостность даже после многократной перезарядки. При этом уменьшается углеродный след и затраты на закупки, начиная от производства до утилизации, в два раза. 

Новое поколение полутвердых батарей становится все более популярным выбором. Президент BIH Киичи Хасегава отмечает, что их батареи обладают очень низким риском возгорания или течи. Компания уже выпустила продукцию для смартфонов и планирует в 2027 году представить аккумуляторы для электромобилей и дронов.

NGK Insulators 

NGK Insulators применяет керамические электроды для разработки ультратонких полутвердых батарей EnerCera, предназначенных для использования в умных устройствах. Эти батареи могут быть перезаряжены до 9 000 раз, что в три раза превышает возможности литий-ионных батарей. Массовое производство монетных батарей EnerCera было запущено в префектуре Яманаши.

Freyr Battery

Перспективы

• Компания 24M Technologies уже заключила соглашения с партнерами и привлекла инвестиции от таких крупных компаний, как Volkswagen, Itochu и Fujifilm. 

• Японская организация Kyocera уже приобрела лицензию и готовится к началу производства новых аккумуляторов. 

Эта переходная технология является промежуточным шагом к созданию полностью твердотельных аккумуляторов, но уже сегодня обещает значительные преимущества в снижении затрат и повышении производительности устройств.