Samsung представил прототип твердотельных батарей для электромобилей. Новые аккумуляторы позволяют электромобилю проезжать 800 километров на одной зарядке, но при этом занимают вдвое меньше места, чем литий-ионная батарея такой же емкости. Кроме того, твердотельный аккумулятор оказывается более безопасным и выдерживает более тысячи циклов заряд-разряда без снижения характеристик.
Чем твердотельные батареи отличаются от жидкостных
Переход на твердотельные батареи - одна из главных тенденций мира технологий. Ожидается, что в ближайшие десятилетия такие аккумуляторы начнут обеспечивать питанием всю нашу электронику - от самолетов и машин до гаджетов и домов.
Литий-ионные батареи текущего поколения используют жидкие электролиты, в которых ионы лития перемещаются между катодом и анодом каждый раз, когда вы заряжаете или заряжаете аккумулятор. Твердотельные батареи используют конденсированное твердое вещество, которое пропускает заряд туда и обратно.
Отказ от жидкого электролита позволяет делать батареи более плотными и компактными, а также решает проблему с тепловыделением. В результате твердотельные аккумуляторы нуждаются в охлаждающих конструкциях меньшего размера. Это дополнительно снижает вес и габариты всей энергосистемы. Также твердотельные батареи не взрываются и не воспламеняются, что редко, но все же происходит с современными литий-ионными батареями.
Но самой главной проблемой литий-ионных аккумуляторов является образование дендритов - древовидных ветвящихся кристаллов внутри батареи. Литиевые аноды со временем начинают обрастать дендритами, в результате чего внутренняя длина батареи сокращается, а вместе с ней сокращается и емкость устройства. К слову, взрывоопасность аккумулятора также возрастает с увеличением объема дендритов внутри него.
Что могут твердотельные аккумуляторы Samsung
Исследователи из Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) и Samsung R & D Institute Japan (SRJ) утверждают, что они успешно решили проблему образования дендритов. Для этого они заменили металлический литиевый анод слоем серебристо-углеродного композита толщиной 5 микрометров.
Ученые обнаружили, что при использовании твердого сульфидного электролита и оксидного катода с высоким содержанием никеля конструкция “эффективно регулирует осаждение лития, что приводит к по-настоящему длительной электрохимической циклизации”.
Плотность энергии в прототипе аккумулятора достигает фантастических 900 Вт·ч на литр. Это примерно вдвое превышает плотность энергии в жидком электролите.
Твердотельная батарея отдает заряд очень эффективно. При разряде ячейка возвращает более 99,8% энергии, которую получила при зарядке.
Аккумулятор выдерживает более тысячи циклов заряд-разряда. На первый взгляд, не так много, но это можно компенсировать объемом. Если одной зарядки электромобилю хватает на 800 километров, то на тысяче зарядок он пройдет 800 тыс. километров. То есть, прежде чем аккумулятор начнет показывать признаки деградации, вы сможете 20 раз объехать планету по экватору.
В данный момент Samsung уже является одним из ведущих производителей аккумуляторов, так что у него есть все шансы стать лидером рынка твердотельных батарей. Но, судя по всему, компания пока не торопится начинать массовое производство. Пока инженеры намерены продолжать доработку прототипа и производственных технологий, которые позволят наладить массовый выпуск твердотельных аккумуляторов. Вполне возможно, за этим стоит желание снизить цену батарей.
Следует понимать, что даже самая прорывная технология не станет успешной, если окажется слишком дорогой. Цена аккумуляторов по-прежнему составляет львиную долю от стоимости любого электромобиля.
Также в исследовании ничего не говорится о том, как повышение плотности батарей влияет на скорость их зарядки. Чтобы твердотельные аккумуляторы Samsung могли конкурировать с привычной литий-ионной технологией, они должны будут заряжаться, как минимум с той же скоростью.
Более подробно с описанием разработки Samsung можно ознакомиться в журнале Nature Energy.
