Дебаты о безопасности: твердотельные батареи — это «огромные петарды»?
Обычно, когда речь заходит о твердотельных батареях, тон публикаций единодушно восторженный: их наделяют статусом «окончательного решения». Утверждается, что их плотность энергии в несколько раза выше, чем у традиционных литиевых батарей с жидким электролитом, что позволяет электромобилям с легкостью преодолевать 1000 км на одном заряде; зарядка происходит настолько быстро, что «можно выпить чашку кофе и отправиться в путь с полной батареей»; и, что самое важное, твердотельные батареи «абсолютно не горят и не взрываются», оставляя все остальные аналоги далеко позади по уровню безопасности! А вот с этого места поподробнее…
Чего опасаются ученые?
На недавно прошедшем Всемирном форуме по силовым батареям 2025 года несколько экспертов высказали свои независимые точки зрения. Доцент Школы транспортных средств и транспорта Университета Цинхуа Жэнь Дуншэн заявил: «В конце концов, полностью твердотельная батарея является энергоносителем, и достичь абсолютной безопасности чрезвычайно сложно». Профессор Уханьского университета Ай Синьпин добавил: «Я хочу сказать академическим и промышленным кругам, что полностью твердотельная батарея — это энергетическое устройство, и оно может быть небезопасным. Не стоит завышать ожидания».
Эти заявления максимально сглаживают углы и не дают понимания, чего же именно опасаются учёные, поэтому нам пришлось изучить ряд специфических публикаций в китайских изданиях. Нельзя отрицать, что теоретическая безопасность твердых электролитов выше, чем у жидких. Однако химическая активность лития определяет, что любой литий-ионный аккумулятор подвержен риску теплового разгона, который принципиально трудно устранить. Современные твердотельные батареи также относятся к категории литиевых. Более того, по сравнению с жидкостно-электролитными батареями, в твердотельных используется гораздо больше лития.
Как известно, для горения необходимы три элемента: температура, горючее вещество и окислитель, и все они обязательны. Однако исследователи из Монреальского университета (Канада) обнаружили, что контакт металлического лития с материалом катода может вызвать интенсивную алюмотермическую реакцию без участия кислорода с пиковой температурой до 2500°C. Даже полностью разряженная батарея, содержащая металлический литий, способна на такую реакцию!
В то же время и проблема дендритов, присущая традиционным литиевым батареям с жидким электролитом, так же существует и для твердотельных батарей. С жидким электролитом литиевые дендриты, если они достигнут критического размера, прокалывают сепаратор, вызывая внутреннее короткое замыкание и возгорание. Теоретически, при использовании твердотельного электролита дендритам труднее проникнуть через твердый материал. Однако, лабораторные исследования показывают, что дендриты могут расти вдоль неоднородностей между частицами твердых слоёв, что также способно привести к возгоранию. Более того, в процессе рабочих циклов происходят постоянные расширения и сжатия материалов, которые могут со временем приводить к образованию микротрещин в структуре.
Что еще серьезнее, современные твердотельные батареи часто используют материалы катода с высоким содержанием никеля и аноды на основе кремния и углерода. Эти сочетания повышают напряжение и удельную энергию батареи, но одновременно увеличивают риск теплового разгона.
Рост числа сомнений в безопасности твердотельных батарей и постоянные задержки с выходом электромобилей на твердотельных батареях на рынок указывают на то, что отрасль занимает более осторожную позицию и больше не принимает их абсолютную безопасность как само собой разумеющееся. Это важно для формирования осознанного понимания проблемы. Более того, это напоминает производителям о необходимости увеличивать инвестиции в исследования проблем безопасности, а не считать их по умолчанию безопасными и пренебрегать мерами предосторожности.
Что об этой проблеме пишут в китайских СМИ?
«Если традиционная батарея с жидкостным электролитом выйдет из-под контроля, это может быть похоже на маленькие петарды — пугающе, но не слишком разрушительно. Однако если твердотельная батарея преодолеет защитный барьер, последствия могут быть как от огромной петарды — гораздо серьезнее», — так доходчиво в издательстве Sina объясняют сложные теории экспертов, чтобы наглядно сравнить последствия теплового разгона у разных типов батарей. Смысл в том, что твердотельные батареи не только не являются абсолютно безопасными, но и могут нанести значительно больший ущерб, чем традиционные, в случае теплового разгона.
Примечательно, что в марте этого года Министерство промышленности и информатизации КНР и другие ведомства опубликовали «Требования к безопасности тяговых батарей для электромобилей», согласно которым с 1 июля 2026 года все новые модели транспортных средств должны оснащаться батареями, соответствующими критериям «невозгораемости и невзрывоопасности».
Как проблему решают учёные?
Твердотельные батареи называют «конечной формой» литиевых батарей. Поэтому по мере их развития традиционные батареи с жидкими электролитами оказываются в тени: любое возгорание электромобиля или пожар на накопительной станции немедленно списывают на их счет, в то время как безопасность твердотельных аналогов превозносят в абсолют.
Но действительно ли традиционные литиевые батареи настолько небезопасны? Исчезнут ли жидкие электролиты с рынка после начала массового производства твердотельных? Конечно нет, подобные мысли наивны. Решения для исполнения требований к безопасности тяговых батарей для электромобилей уже найдены.
В плане безопасности жидкие литиевые батареи также развиваются, добиваясь значительных прорывов благодаря инновациям в материалах и оптимизации конструкции. Для решения проблемы горения ученые предлагают добавлять в электролит антипирены. В настоящее время наиболее широко исследуемыми растворителями являются фосфатные эфиры, такие как триалкилфосфаты и их производные. Благодаря широкому рабочему температурному диапазону, хорошей растворимости литиевых солей (например, гексафторфосфата лития), низкой вязкости и широкому электрохимическому окну фосфатные эфиры хорошо подходят для создания негорючих электролитов.
Кроме того, все больше внимания уделяется добавлению в электролит фторированных циклопропилциклотрифосфазенов для повышения огнестойкости. Исследования показывают, что фторированные циклопропилциклотрифосфазены, особенно пентафтор(фенокси)циклопропилциклотрифосфазен (PFPN), обладают отличным антипиреновым эффектом. Эксперименты подтверждают, что добавление PFPN эффективно снижает воспламеняемость электролита, и молекулы PFPN сохраняют свою эффективность на протяжении всего жизненного цикла батареи, обеспечивая ее безопасность.
В области оптимизации конструкции растет интерес к технологии нанесения защитных покрытий на поверхности материалов катода и анода. Этот метод заключается в нанесении одного или нескольких слоев покрытия, формирующих защитную пленку, которая повышает стабильность катодного материала.
Например, в процессе заряда-разряда материал катода подвергается объемному расширению и сжатию, что приводит к образованию трещин. Покрытие помогает снизить эти деформации, уменьшая образование трещин. Кроме того, оно изолирует активные материалы от электролита, предотвращая передачу тепла и снижая риски для безопасности батареи.
Последнее время вновь возрос интерес к высокотемпературным элементам. По сравнению с традиционными литиевыми батареями они обладают уникальными характеристиками. Обычно в условиях высоких температур традиционные литиевые батареи склонны к тепловому разгону. Однако высокотемпературные элементы демонстрируют исключительную устойчивость к высоким температурам: чем выше внешняя температура, тем выше их активность и эффективность. Более того, помимо повышения эффективности самих элементов, они также способны снизить энергопотребление системы охлаждения.
В целом, в то время как твердотельные батареи добиваются прорывов в разработке, традиционные батареи с жидким электролитом также непрерывно совершенствуются в области безопасности, достигая значительных успехов. Жизненный цикл батарей очень длинный, поэтому в будущем твердотельные и традиционные батареи будут сосуществовать, демонстрируя преимущества в разных сценариях применения и дополняя друг друга.
Как считают некоторые эксперты, твердотельные батареи являются оптимальным выбором для сценариев, требующих высокой плотности энергии. В то же время для применений, где важны экономичность и эффективность, таких как автономные накопительные станции или бытовые системы накопления энергии, вполне подходят традиционные батареи.
Когда твердотельные батареи массово будут устанавливаться в электромобили?
После каждого случая возгорания электромобиля у потенциальных покупателей появляются мысли: «Может, подождать? Твердотельные батареи вот-вот появятся в массовом производстве». Однако, с учётом сказанного выше про реальную безопасность, мы видим как сроки постоянно сдвигаются. Это логичная предосторожность, чтобы с самого старта не подорвать большие надежды, возлагаемые на твердотельную технологию.
Ожидаемый отраслью срок начала действительно массового внедрения твердотельных батарей — это 2027 год. Например, лидер рынка CATL 18 ноября вновь подтвердил, что «ожидается, что в 2027 году будет налажено мелкосерийное производство полностью твердотельных батарей». Однако в настоящее время даже прогноз на 2027 год может быть слишком оптимистичным, и сроки массового производства, вероятно, ещё сдвинутся.
Toyota Motor является лидером в области твердотельных батарей в Японии. Однако, в начале ноября этого года Toyota вновь отложила строительство завода по производству твердотельных батарей для электромобилей в префектуре Фукуока, Япония. Хотя компания объяснила это замедлением роста рынка электромобилей, в отрасли считают, что причина в технических трудностях. Это уже не первый перенос сроков массового производства твердотельных батарей Toyota: изначально планировалось начать в 2025 году, теперь это отложено как минимум до 2030 года.
Ситуация в Китае не намного лучше. Уже скоро наступит 2026 год, но какая компания может похвастаться полностью твердотельной батареей, удовлетворяющей требованиям по плотности энергии и безопасности для установки на транспортные средства? И кто построил производственную линию, готовую к массовому выпуску? Несмотря на большой объём новостей о запуске опытных производств, рядовому покупателю заполучить такой автомобиль в наступающем году вряд ли получится. Исключением могут стать «полутвердотельные» батареи, где электролит не является твёрдым телом, а представляет собой жидкость, которая в значительной степени загущается для получения новых физических и химических свойств. То есть по сути своей это очередная разновидность традиционных батарей.
Какие варианты у нас будут?
Технологии твердотельных батарей разнообразны, но основными являются три: сульфидные, оксидные и полимерные. Многие эксперты считают сульфидный путь «окончательным выбором». В марте этого года академик Китайской академии наук Оуян Мингао заявил, что в настоящее время следует сосредоточиться на направлении, сочетающем сульфидный электролит в качестве основного с катодом из NMC с большой долей никеля и анодом на основе кремния и углерода.
Такие лидеры отрасли, как CATL, BYD и многие другие, также делают ставку на сульфидную технологию. Многие японские и южнокорейские компании, ранее начавшие разработку твердотельных батарей, также выбрали это направление. На какое-то время показалось, что сульфидная технология завоюет рынок.
Однако с середины этого года сульфидное направление начало сталкиваться с мощной конкуренцией. Другие технологические пути развиваются стремительно и могут опередить сульфидный в достижении масштабируемого производства.
В конце октября Sunwoda официально представила полностью твердотельную полимерную батарею «Xin·Bixiao». Она использует не только самостоятельно разработанный полимерный электролит, но и технологию «градиентного покрытия», которая эффективно подавляет рост литиевых дендритов, повышая безопасность и продлевая срок службы.
«Наша технология позволяет избежать зависимости от дорогостоящего сульфидного электролита, значительно снижая стоимость материалов при сохранении производительности», — подчеркнули в Sunwoda преимущества продукта.
Одновременно оксидное направление также стремительно движется к коммерциализации. На текущем рынке гибридных (полутвердотельных) батарей оксидные батареи уже занимают ведущие позиции. Shanghai Xiba заявляет, что ее оксидный электролит не только выпускается серийно, но и имеет выход годных продуктов 98% при себестоимости на 50% ниже, чем у конкурентов.
В целом, если сульфидное направление не добьется существенного прорыва в скорости коммерциализации, его могут опередить другие технологические пути создания твердотельных батарей. Пока в отрасли нет единого мнения о предпочтительном пути, прогресс будет замедляться, а сроки масштабированного производства — отодвигаться.
Массовый переход на твердотельные батареи отменяется или просто откладывается?
Большинство китайских автопроизводителей продвигают разработку твердотельных батарей. Группа FAW планирует оснастить автомобили Hongqi твердотельными батареями к 2027 году , а группа GAC начала опытное производство на пилотном предприятии по производству твердотельных батарей для мелкосерийного тестирования автомобилей. Dongfeng Motor планирует начать массовое производство батарей с плотностью энергии около 350 Вт·ч/кг к концу 2026 года, что потенциально позволит серийным электромобилям преодолевать более 1000 км на одном заряде. SAIC Motor и Chery Automobile также продвигают программы создания прототипов к 2027 году. Эти постоянно сдвигающиеся в право сроки подчеркивают, что эксперты уделяют большое внимание тщательной проверке безопасности наряду с коммерческим внедрением.
Сценарий, когда в какой-то малоизвестной научной лаборатории будет совершён невероятный прорыв, о чём чуть ли не каждый месяц появляются новые «кликбейтные» заголовки у некоторых сомнительных СМИ, конечно же нельзя полностью исключать. В таком случае есть вероятность быстрой коммерциализации новой технологии и даже полной отмены твердотельных батарей в зачаточном состоянии. Для высококонкурентной технологической среды подобные события уже имели место в истории. Но пока основной нашей перспективной остаётся наблюдение за последовательной эволюцией твердотельных батарей в лабораториях, длительным поиском идеального баланса между плотностью энергии, стоимостью и безопасностью, что ведёт к весьма продолжительному ожиданию сбалансированных коммерческих продуктов от ведущих технологических компаний.
Какую стратегию выбрать?
Если вы житель Китая, США, Южной Кореи, Японии или любой другой страны с передовой автомобильной промышленностью, большим количеством конкурирующих исследовательских центров и быстрым циклом коммерциализации разработок, то может быть логично отложить обновление своего электромобиля – вероятность не нулевая, что за ближайшие 2-3 года действительно произойдёт качественный скачок в ёмкости и скорости зарядки, что в очередной раз значительно повысит доступность электромобилей для населения.
Но если вы живёте в стране, где уже традиционно покупка электромобиля вчера получается гораздо выгоднее, чем завтра, то пока нет особенных причин ждать твердотельные батареи. С нашей точки зрения, реальные потребности большинства автолюбителей уже с лёгкостью могут обеспечить сегодняшние технологии. Можно ещё подождать, чтобы возить с собой батарею и на 1000 км запаса хода, а зачем? Большинству достаточно запаса хода в 300 км, а для тех, кто совершает регулярные поездки на тысячи километров, есть различные гибридные технологии.
Что касается безопасности, то, как мы сегодня выяснили, заявления о чудодейственных твердотельных батареях на самом деле могут быть сильно преувеличены прежде всего в расчёте на щедрых инвесторов и биржевых игроков. При этом абсолютно любой китайский электромобиль для внутреннего потребителя в наступающем 2026 году уже стал значительно безопаснее. Новые законодательные инициативы повышают требования ко всему — от настроек информационной системы управления автомобилем и систем защиты батарей до, казалось бы, второстепенных деталей, таких как дверные ручки.
Те же мысли относительно батарей озвучил и научный мир – в 2026 году традиционная химия с жидким электролитом может быть безопаснее, чем твердотельные батареи для электромобилей.
