Вся правда о твердотельных аккумуляторах. Почему их никак не сделают

В последние дни появилось сразу две новости, связанные с твердотельными аккумуляторами для электромобилей. Во-первых, правительство Японии разрешило концерну Toyota постройку завода по производству такого типа источников энергии. А во-вторых, Mercedes объявил о скором начале дорожных тестов электромобилей с твердотельными аккумуляторами производства американского стартапа Factorial начиная уже с 2026 года.

Эти новости могли бы вызвать у нас энтузиазм, если бы нечто подобное не приходилось читать регулярно в течение последних 10-15 лет. Твердотельные аккумуляторы остаются мечтой производителей электромобилей и простых электромобилистов по всему миру. Увы, мечтой, которая пока не сбылась.

Планы внедрить такой тип аккумуляторов есть почти у всех. Китайская марка Aion обещает сделать серийный электромобиль с таким типом элементов питания уже в 2025 году, Toyota обещает сделать это с 2020 года, над технологией работают и Hyundai, и Nissan и Ford и BMW. Даже российская компания Ренэра, которая уже строит завод по производству аккумуляторов для отечественных электромобилей в Калининграде, обещает к 2030 году освоить выпуск твердотельных аккумуляторов. 

Более того, такие типы аккумуляторов уже используются, например в автобусах. Но почему-то без особого успеха. Буквально на днях в команде Rucars возник спор о том, какую технологию инженеры доведут до ума раньше — твердотельные аккумуляторы или полноценный автопилот. Мнения разделились.

Так в чем же дело? Давайте разбираться.

Что такое твердотельные аккумуляторы

Принцип действия твердотельного аккумулятора был разработан Майклом Фарадеем в период с 1831 по 1834 год. Да, почти 200 лет назад. На этом можно было бы разойтись. Электромобили успели пережить расцвет на рубеже XIX и XX веков, сгинуть в 1930-е и вернуться вновь, а твердотельных аккумуляторов на них до сих пор нет.

Но если вам интересно почему — продолжим. И начнем с устройства твердотельных аккумуляторов.

В любом подобном элементе питания существуют три элемента — электролит и два электрода, которые в зависимости от заряда называются катод и анод. Электролит при этом выступает проводником заряженных ионов между катодом и анодом. Это процесс является основным при протекании химической реакции, в результате которой вырабатывается электричество.

Электролитом могут служить самые разные вещества. Это может быть жидкость, как в кислотно-щелочных свинцовых аккумуляторах обычных машин с ДВС. Может быть гель, как в традиционных литий-ионных аккумуляторах. Фарадей открыл, что электролитом может быть и твердое вещество, например керамика. Оно тоже пропускает ионы лития. Готовый аккумулятор при этом полностью состоит из твердых элементов, потому он и называется твердотельным.

Почему твердотельные аккумуляторы хотят все

Не погружаясь в историю от времен Майкла Фарадея, поговорим о настоящем. В наше время в автомобилях с электроприводом почти без исключения применяются литий-ионные аккумуляторы, электролит в которых находится в форме геля. Они уже относительно дешевы и обладают приемлемой емкостью, достаточной для того, чтобы обеспечивать запас хода на одном заряде для передовых электромобилей в 500 и более километров.

Один из их главных минусов, однако, связан именно с тем, что электролит — это гель. Он сохраняет свои свойства при комнатной температуре. Но при понижении температуры гель замерзает и существенно теряет свою способность участвовать в реакции по выработке электроэнергии.

При холодах литий-ионные аккумуляторы просто теряют часть своей емкости. К счастью, этот процесс обратим: при согреве емкость возвращается. Но все равно неприятно, согласитесь.

При нагреве гель перегревается, плавится, воспламеняется. В этом случае аккумулятор при «благоприятных» обстоятельствах выходит из строя. При неблагоприятных — воспламеняется и сжигает не только весь автомобиль, но и пару десятков соседних машин. Такое происходит крайне редко, так как производители делают многоуровневые системы защиты, начиная от системы активного охлаждения батареи и заканчивая своевременным аварийным отключением. 

Но принудительное охлаждение энергозатратно — на него тратится электричество, которое могло бы пойти на увеличение запаса хода. А принудительное отключение — вы сами знаете, почему это неприятно.

А теперь представьте, что электролит — твердый. При минусовых температурах он… остается твердым. А при повышении температуры… тоже остается твердым.

Последнее особенно важно при увеличении скорости зарядки. От этого аккумуляторы нагреваются, так что сразу понятно, что чем сильнее зарядный ток — тем больше нагрев батареи — тем выше шанс перегрева. Но твердотельным аккумуляторам перегрев не грозит. Можно заряжаться не просто быстро, а очень быстро.

Итак, мы имеем аккумулятор, который не боится холодов. И, что не менее важно, не боится нагрева. Плюс — он твердый. Можно избавиться от системы охлаждения и подогрева — это значит более легкая батарея при той же емкости. Или более емкая при той же плоскости.

Твердый электролит значит большая прочность элементов, значит не нужны дополнительные усиления. Значит опять же меньший вес батареи при той же емкости или большая емкость при той же плотности.

Энтузиасты обещают рост эффективности аж на 80%. Да, твердотельные аккумуляторы пока дороже. Но можно ставить более компактные при той же емкости. И они будут дешевле. Круто, не так ли?! Нет…

В чем проблема твердотельных аккумуляторов

Увы, твердотельные аккумуляторы при всех своих преимуществах обладают как минимум двумя очень значительными недостатками, решить которые пока никто не смог. Точнее пока ничто не начать серийного крупномасштабного производства таких элементов питания, избавленных от проблем. 

Для жителей России самое обидное, что проблемы касаются низких температур. И не -40 градусов по Цельсию, когда классические гелиевые литий-ионные аккумуляторы теряют 75-80%  своей емкости. А… -1, например. 

Проблем две. Первая касается того, что твердый электролит при охлаждении становится очень хрупким. При этом для обеспечения работоспособности устройства должно обеспечиваться очень плотное его прилегание к электродам. Чтобы твердый электролит на морозе попросту не треснул и плотно прилегал к электродам нужен очень прочный корпус аккумулятора. А прочность в данном случае означает лишний вес, что сводит на нет все преимущества такого типа аккумуляторов.

Вторая проблема — при низких температурах именно в твердотельных аккумуляторах протекание реакции на стороне электродов — катода и анода — заметно замедляется. В открытых научных публикациях сказано, что пока ученые просто не понимают, почему так происходит, то есть не осознают физику и химию данного явления. Занавес.

Конечно, есть закрытые источники. Те, что показывают руководителям крупных корпораций. И обещают безумный прогресс в самое ближайшее время. Последние новости от Mercedes и Toyota как раз об этом. Мы тоже хотим верить. Продолжаем хотеть.

Но правда в том, что пока серийные твердотельные аккумуляторы не работают при минимальных минусовых температурах. Может быть заработают уже очень скоро. А может быть Aion выпустит китайский электромобиль, который будет очень хорош в диапазоне температур от +10 и выше. Им можно, заводы Aion расположены в южном Китае, там проблем холодов не бывает.

А может в Tesla и правда что-то знают?