Пора менять батарейки: в Китае разработан аккумулятор будущего
Аккумуляторы, которые с гордостью демонстрировали на выставках всего месяц назад, становятся образцами устаревших технологий. Фото: Cfoto / Keystone Press Agency / Global Look Press
Ученые из Китая совершили революционный прорыв в технологии твердотельных аккумуляторов. Ожидается, что запуск в массовое производство новых элементов питания ускорит создание электрической авиации и роботов. Очередной импульс получит и рынок электромобилей — с новыми аккумуляторами они будут способны проходить более 2 тысяч километров на одной зарядке.
Исследователи из Института физики и Института изучения металлов Китайской академии наук разработали твердотельный литиевый аккумулятор нового поколения. Его энергоемкость почти вдвое превосходит другие существующие образцы. Более того, он может быть гибким, поскольку не боится деформации. И при этом срок службы, по расчетам, достигает 20 лет. Добиться всего этого удалось, решив фундаментальную проблему: плохой контакт между электродами и электролитом.
До сих пор полностью твердотельные батареи были крайне ненадежными. На границе между литиевым электродом и сульфидным твердым электролитом образовывались микропоры и трещины, что снижало эффективность аккумулятора, а главное — создавало угрозу безопасности. Чтобы улучшить контакт, электроды приходилось тесно прижимать к электролиту своего рода тисками — это делало аккумуляторы громоздкими, тяжелыми и неудобными.
Исследовательская группа профессора Хуан Сюэцзе из Института физики нашла решение, как обеспечить надежный контакт электрода с электролитом без внешнего давления. Исследовательская внедрила в твердый сульфидный электролит ионы йода. Во время работы аккумулятора под действием электрического поля они мигрируют к электродам, образуя богатый йодом слой. Он, в свою очередь, притягивает ионы лития, которые заполняют щели и поры — и таким образом контактная поверхность самовосстанавливается.
Это решение позволило увеличить плотность энергии аккумулятора на 86% — до 500 ватт-часов на килограмм, утверждают исследователи. Кроме того, гибкий элемент питания демонстрирует выдающуюся долговечность, выдерживая 20 тысяч сгибаний и разгибаний без ухудшения характеристик. И при этом аккумуляторы показали стабильную работу после сотен циклов зарядки-разрядки.
Ван Чуншэн, эксперт из Университета Мэриленда, охарактеризовал разработку коллег как фундаментальное решение ключевой проблемы, мешавшей коммерциализации полностью твердотельных аккумуляторов.
Новая технология может как минимум вдвое увеличить срок службы аккумуляторов электронных устройств, отмечает профессор Хуан Сюэцзе из Института физики Китайской академии наук. Ожидается, что инновация ускорит развитие мобильных роботов (в том числе гуманоидных), самолетов с электродвигателями и систем хранения энергии для ВИЭ-генерации (солнечные, ветряные электростанции и т.п.).
Успех китайцев весьма важен на фоне наметившейся тенденции к переходу мировых автопроизводителей на твердотельные аккумуляторы. Дело в том, что современные электромобили с литий-ионными батареями обеспечивают запас хода 400–560 км при энергоемкости 160–250 Вт·ч/кг. И эти батареи склонны к самовозгоранию, которое очень сложно потушить.
Toyota и Samsung планируют начать серийное производство твердотельных аккумуляторов в 2027 году. При этом Toyota стремится обеспечить электромобилям запас хода 1200 км, а прототип аккумулятора от Samsung позволяет проехать «всего» 960 км. Новая китайская разработка дает возможность превзойти эти параметры вдвое и к тому же повысить безопасность батарей.
Китайские компании Farasis Energy и Anhui Anwa New Energy Technology, которую поддерживает крупный автопроизводитель Chery, уже запускают пилотное производство новых твердотельных решений. Farasis рассчитывает выпустить элементы с энергоемкостью 400–500 Вт·ч/кг к концу года.
Рынок уже уловил сигнал — доверие инвесторов к твердотельным технологиям растет, а вслед за ними и стоимость акций их производителей. Ожидается, что рынок твердотельных аккумуляторов вырастет с $1,14 млрд в 2024 году до $56,05 млрд к 2035 году.
Еще по теме
