Устоявшаяся технология литий-ионных аккумуляторов имеет свои присущие ей ограничения
С момента своего появления в 1991 году литий-ионные батареи пользуются всемирным успехом. Однако это не может скрыть их присущих им ограничений с точки зрения безопасности, производительности, форм-фактора и стоимости
В большинстве современных литий-ионных технологий используются жидкие электролиты, представляющие собой соли лития, такие как LiPF6, LiBF4 или LiClO4, в органическом растворителе. Однако твердый электролитный интерфейс, образующийся в результате разложения электролита на отрицательном электроде, ограничивает эффективную проводимость. Кроме того, жидкие электролиты требуют дорогостоящих мембран для разделения катода и анода, а также герметичного корпуса. Следовательно, возможности по размеру и конструкции таких батарей ограничены. Помимо этого, жидкие электролиты представляют опасность для здоровья, поскольку в них используются легковоспламеняющиеся и коррозионные жидкости. В частности, инцидент с компанией Samsung Firegate подчеркнул риски, с которыми сталкиваются даже крупные компании при использовании легковоспламеняющихся жидких электролитов.
Современные высококачественные литий-ионные батареи способны достигать плотности энергии более 700 Вт·ч/л на уровне ячейки, обеспечивая максимальный запас хода около 500 км для электромобилей. Улучшение катодных материалов с высоким содержанием никеля может еще больше повысить плотность энергии, но характеристики активных материалов могут накладывать ограничения.
Твердотельные батареи могут кардинально изменить ситуацию
Твердотельный электролит позволяет интегрировать более высокоэффективные материалы, такие как металлический литий и высоковольтные катодные материалы. Однако было замечено, что твердотельные батареи первого поколения могут содержать аналогичные типы активных электродных материалов, но жидкий электролит заменяется твердотельным. В этом случае твердотельные батареи не обладают явным преимуществом перед литий-ионными батареями на жидкой основе с точки зрения плотности энергии.
Однако твердотельные батареи по-прежнему обладают преимуществами в этом случае. Поскольку и электроды, и электролит являются твердыми, твердый электролит также действует как сепаратор, что позволяет уменьшить объем и вес за счет исключения некоторых компонентов (например, сепаратора и корпуса). Они позволяют более компактно разместить элементы в батарейном блоке. Например, биполярная компоновка позволяет получать более высокое напряжение и емкость на уровне элементов. Упрощенное соединение обеспечивает дополнительное пространство в батарейном блоке для размещения большего количества элементов.
Кроме того, отказ от легковоспламеняющихся жидких электролитов может привести к повышению безопасности и увеличению срока службы батарей, поскольку они более устойчивы к перепадам температуры и механическим повреждениям во время эксплуатации. Твердотельные батареи выдерживают больше циклов зарядки/разрядки до начала деградации, что гарантирует более длительный срок службы. Повышенная безопасность означает меньшее количество электронных устройств контроля безопасности в батарейных модулях/блоках.
Таким образом, даже несмотря на то, что первые поколения твердотельных батарей могут иметь аналогичную или даже более низкую плотность энергии, чем обычные литий-ионные батареи, энергия, доступная в батарейном блоке, может быть сопоставима или даже выше, чем у последних.
Благодаря более широкому электрохимическому окну, которое обеспечивают твердые электролиты, можно использовать высоковольтные катодные материалы. Кроме того, литий-металлический анод с высокой плотностью энергии может еще больше повысить плотность энергии, превысив 1000 Вт·ч/л. Эти характеристики могут сделать твердотельные батареи революционными.
Наличие конкурирующих технологий затрудняет принятие решения
Инвестиции в несколько компаний, занимающихся разработкой твердотельных батарей, отражают огромный потенциал этих батарей. Однако твердотельные батареи не основаны на одной технологии. Вместо этого в отрасли доступны различные технологические подходы. Твердотельные электролиты можно условно разделить на три категории: органические, неорганические и композитные. В неорганической категории выделяют восемь популярных типов: LYSICON-подобные, аргиродитовые, гранатовые, NASICON-подобные, перовскитовые, LiPON, Li-гидридные и Li-галогенидные. LYSICON-подобные и аргиродитовые относятся к сульфидной системе, в то время как гранатовые, NASICON-подобные, перовскитовые и LiPON основаны на оксидных системах.
Технология твердотельных электролитов. Источник: IDTechEx
Соперничество между полимерными, оксидными и сульфидными системами до сих пор неясно, и часто можно увидеть, как компании, производящие батареи, тестируют несколько подходов. Полимерные системы просты в обработке и ближе к коммерциализации, но их относительно высокая рабочая температура, низкий антиоксидантный потенциал и худшая стабильность создают проблемы. Сульфидные электролиты обладают такими преимуществами, как высокая ионная проводимость, низкая температура обработки и широкий диапазон электрохимической стабильности. Эти характеристики делают их привлекательными, и многие считают их лучшим вариантом. Однако сложность производства и потенциальное образование токсичных побочных продуктов в процессе замедляют их коммерциализацию. Оксидные системы стабильны и безопасны, но их более высокое сопротивление на границе раздела и высокая температура обработки создают некоторые общие трудности.
В этом отчете представлены, проанализированы и сопоставлены подробные технологические решения. Для лучшего понимания технологий твердотельных батарей, ключевых игроков, рынков, возможностей, проблем и многого другого, пожалуйста, обратитесь к отчету IDTechEx.
