Твердотельные батареи (ТБ) имеют стратегическое значение во многих странах и регионах. Например, Германия выделила 1 миллиард евро на поддержку консорциума, занимающегося производством аккумуляторных элементов для электромобилей, и планирует профинансировать исследовательский центр по разработке твердотельных батарей следующего поколения. В Великобритании в рамках 30-месячного совместного проекта «PowerDrive Line» разрабатывается литийсодержащая твердотельная батарея для электромобилей (ЭМ) и подключаемых гибридных электромобилей (ПГЭВ), а также создается пилотная линия для этой технологии ТБ. Правительство Японии создало Консорциум по технологиям и оценке литий-ионных батарей (Libtec) для активизации исследований в области твердотельных батарей. В Южной Корее три крупнейших производителя батарей — SK Innovation, LG Chem и Samsung SDI — продвигают совместные исследования в области батарей следующего поколения, включая твердотельные батареи. Американские компании, занимающиеся производством ТБ, привлекают инвестиции от мировых поставщиков батарей, автопроизводителей и венчурных фондов, демонстрируя непрерывный прогресс.
Замена легковоспламеняющегося органического жидкого электролита на твердотельный электролит (ТЭЭ) позволяет твердотельным батареям (ТТС) повысить безопасность и устойчивость к механическим воздействиям. Кроме того, ТЭЭ может быть объединен с литий-металлическим анодом и высоковольтным катодом, что повышает плотность энергии. Особые характеристики ТТС позволяют соединять их последовательно и параллельно внутри ячейки, что обеспечивает гибкость в проектировании корпусов. Инновационная конструкция корпуса также повышает эффективность сборки, способствуя увеличению плотности энергии и снижению стоимости системы.
Эти уникальные преимущества привлекли внимание академических исследователей, разработчиков аккумуляторов, производителей автомобильного оборудования, инвесторов и поставщиков материалов и компонентов к компании ULS. Кроме того, традиционно производство литий-ионных аккумуляторов доминировало в странах Восточной Азии, с заметным вкладом Японии, Китая и Южной Кореи. Однако сейчас происходит значительный сдвиг, поскольку Соединенные Штаты и ряд европейских стран конкурируют друг с другом, фактически переориентируя создание добавленной стоимости с Восточной Азии на стратегическое создание производственных мощностей по выпуску аккумуляторов ближе к рынкам применения.
Эта постоянно меняющаяся ситуация характеризуется поиском новых материалов и компонентов, а также переоценкой производственных процессов. Все это открывает возможности для реорганизации цепочки поставок батарей. Как с технологической, так и с деловой точки зрения, разработка одноразовых батарей (ОИБ) стала частью стратегии развития батарей следующего поколения. Это стало глобальным проектом, характеризующимся региональными интересами и значительной государственной поддержкой. Новые материалы, компоненты, системы, методы производства и техническая экспертиза откроют новые возможности.
Крупнейшие мировые игроки на рынке твердотельных батарей. Источник: IDTechEx
Маркетинг сладких газированных напитков
Полимерные твердотельные батареи уже доступны на рынке, как, например, в случае с Daimler eCitaro. Полугибридные/полугибридные твердотельные батареи находятся на стадии тестирования, проводятся испытания образцов для производителей оригинального оборудования (OEM). Тем временем керамические твердотельные батареи (ASSB) все еще находятся в стадии разработки. Большинство коммерчески доступных ASSB, а также те, которые скоро появятся на рынке, являются гибридными полутвердотельными батареями, то есть они могут содержать небольшое количество жидкости или геля. Строго говоря, не все из них являются настоящими твердотельными батареями (ASSB). С точки зрения конечного пользователя, используемая технология не имеет значения, если батареи обеспечивают требуемую производительность. Поэтому полутвердотельные технологии могут служить хорошим переходным этапом между уже доступной на рынке технологией полимерных твердотельных батарей и будущей технологией твердотельных батарей на основе сульфидов. По мере развития этих технологий мы сможем плавно перейти к твердотельным батареям.
План развития технологии SSB-аккумуляторов. Источник: IDTechEx
Автомобильная промышленность, как крупнейший потенциальный рынок, является целью практически всех поставщиков литий-ионных аккумуляторов. В то же время, наиболее перспективными областями применения литий-ионных аккумуляторов могут стать специализированные приложения, требующие повышенной устойчивости к механическим повреждениям и менее чувствительные к цене.
Потенциальный размер рынка твердотельных батарей. Источник: IDTechEx
Новые усилия по коммерциализации SSB.
Заявление Toyota вновь подчеркнуло важность непрерывного развития материалов. Поэтому необходимо продолжать исследования материалов, оптимизацию устройств и изучение механизмов деградации батарей. В то же время, разработка должна также сосредоточиться на проверке элементов и проектировании систем. Примерами являются системы элементов в батарейном блоке (CTP), системы терморегулирования и механические конструкции.
Концепция CTP (Combined Power Transport — комбинированная передача энергии) не нова и используется в конструкциях на основе литий-ионных батарей, таких как батареи Blade от BYD и конструкции CTP от CATL. Концепция CTP будет приобретать всё большее значение благодаря повышенной безопасности и возможности биполярной компоновки элементов SSB (Single-Steer Battery — однонаправленная батарея). Повышенная безопасность батарей приводит к большей гибкости конструкции батарейных блоков и уменьшению количества электронных компонентов, используемых в батарейных модулях/блоках. Например, биполярная конструкция позволяет осуществлять более плотную компоновку и достигать более высокой плотности энергии, что потенциально приводит к большей плотности энергии и сопоставимым системным затратам.
В случае твердотельных батареек система терморегулирования не может быть полностью исключена, но она может работать в различных безопасных рабочих зонах. Поэтому идеальная температура, необходимая для твердотельных батарей, может отличаться от температуры литий-ионных батарей.
Кроме того, необходимо приложить больше усилий к оптимизации использования оборудования, увеличению производственной площади, созданию цепочки поставок и повышению эффективности производства.
Автор: д-р Сяоси Хэ, директор по исследованиям в IDTechEx
