Литиевое решение
В прошлом году компания Tesla начала переводить свои электромобили на новые ионолитиевые элементы 4860, объявленные ещё в 2020-м. В них в принципе используются те же самые электрохимические реакции, что и в первоначально задействованных компанией элементах 18650, а также в последовавших за ними 2170. Конечно, есть изменения в составе анода и катода, улучшены методы производства и упаковки в корпуса, применены токосборники без вкладок и другие усовершенствования, но общий подход остался прежним.
Надо сказать, что мы уже тридцать лет пользуемся ионолитиевыми аккумуляторами, не доведёнными до ума. В каком смысле? В них далеко не самым лучшим образом решена проблема дендритообразования.
Дендриты - это древообразные металлические структуры, которые имеют тенденцию образовываться и нарастать на аноде во время заряда аккумулятора сильным током. Постепенно разрастаясь, они протыкают тонкую плёнку сепаратора и добираются до катода, создавая в ячейке внутреннее короткое замыкание.
Не найдя способ кардинально решить проблему, исследователи остановились на полумерах. Вместо осаждения металлического лития на аноде (именно так можно получить наибольшую удельную ёмкость) применяется интеркаляция ионов лития в анодную графитовую или кремниевую структуру. Идея проста: коль скоро атомов металла при интеркаляции не возникает, дендриты не должны образовываться. При этом возникли неприятные побочные эффекты: пониженная удельная ёмкость (объёмная и массовая), сильное зарядное разбухание анодного материала и его крошение из-за механических напряжений.
Голый металл
Компания QuantumScape из Калифорнии после десяти лет упорных исследований наконец-то решила застарелую проблему, создав надёжные литий-металлические элементы. Инноваторы вообще удалили с анода графит и кремний - медная фольга у них покрыта металлическим литием. При заряде аккумулятора его слой утолщается, а при разряде - утоньшается.
Убрав лишний анодный материал, разработчики сократили объём и массу батареи, благодаря чему резко повысилась плотность ёмкости. Кроме того, увеличилась скорость заряда, которая прежде была ограничена временем диффузии ионов лития внутрь толстого слоя анодного материала. По данным компании, элемент заряжается с 10 до 80% своей ёмкости всего за пятнадцать минут. Узкое «бутылочное горлышко» устранено.
Два отсека
В основе инновации QuantumScape - необычный керамический сепаратор, который пропускает ионы лития, но не пропускает его атомы. Следовательно, дендриты проткнуть мембрану не могут. Более того, сепаратор представляет собой электронный изолятор. Материал тонок и гибок, а потому не ломается при циклировании аккумуляторов, даже если испытывает механические нагрузки.
Стоит отметить, что в привычных ионолитиевых элементах одним и тем же жидким электролитом пропитаны все три основные части: катод, сепаратор и анод. Между тем требования к электролиту в катоде одни, в сепараторе - другие, а в аноде - третьи. Например, в катоде, который обладает большой толщиной (читай: ионы в нём проходят длинный и извилистый путь), электролит должен обеспечивать наилучшую ионную проводимость, а в сепараторе - препятствовать прохождению дендритов.
Много лет исследователи по всему миру пытались подобрать идеальный электролит сразу для всех трёх частей ячейки и раз за разом убеждались, что сделать это невозможно - приходится идти на те или иные компромиссы. Предотвратить образование дендритов в элементах при высоких токах заряда никак не получалось. Компания QuantumScape решила проблему полным разъединением анодного и катодного пространства. Электролит (гелеобразный или жидкий) остался только в катоде.
Стерильные условия
Убрав из анода электролит и графит, компания избавилась от побочных реакций их взаимодействия. Скорость деградации аккумулятора замедлилась. Вообще говоря, попытки создать литий-металлический аккумулятор с жидким электролитом раньше не удавались оттого, что литий в жидкости покрывался пассивирующей плёнкой, так что ёмкость элемента быстро снижалась.
Керамическая мембрана выдерживает температуры свыше 1000 °C и не горит, в силу чего элемент стал безопаснее. Катод же оставлен стандартный, пропитанный стандартным же органическим электролитом. То есть ячейка представляет собой некий гибрид новых твердотельных и старых технологий.
Побеждает сильнейший
Компания QuantumScape начинала работу десять лет назад с компьютерного моделирования, оценивая возможности применения самых разных материалов. На основе десятков тысяч расчётов были отобраны и синтезированы в лаборатории десять видов сепараторов, которые подверглись тщательной проверке. В финал вышли всего два материала. В конце концов выяснилось, что лишь один сепаратор из двух предотвращает образование дендритов при требуемой плотности тока в сто миллиампер на квадратный сантиметр электрода. Так что соревнование оказалось действительно жёстким. Учёные в QuantumScape работают в три смены, поэтому десятилетний срок исследований в реальности эквивалентен двадцати - тридцати годам.
Некоторые разработчики аккумуляторов борются с дендритами чисто механическими способами. Литий - мягкий металл, а при нагревании он становится ещё мягче. Если эксплуатировать аккумуляторы при температуре порядка 60-70 °C, размягчённый дендрит не сможет проткнуть сепаратор. Однако в электромобиле подогрев батарей возможен только за счёт сокращения пробега, что неудобно и нерационально. Другой антидендритный трюк - повышение давления внутри элемента до десяти атмосфер - тоже не слишком удачное решение.
Изготовленные в QuantumScape образцы представляют собой некий гибрид призматических и пакетных батарей. Цилиндрические элементы по предложенной технологии производить невозможно, несмотря на то что керамический сепаратор довольно гибок.
Путь к коммерциализации
Компания не раскрывает состав керамического материала, но данные о достигнутых с его помощью характеристиках доступны. Тестовые образцы ячеек прошли тысячи циклов заряда-разряда, сохранив более 80% исходной ёмкости. И этот результат получен для однослойных и многослойных ячеек в жёстких условиях: обычная и повышенная до 60-70 °C температура и высокие рабочие токи, необходимые для применения в электромобилях.
Аналогичное тестирование провели потенциальные клиенты компании, с которыми она ведёт переговоры. Вместе с положительными результатами в QuantumScape пришли и дополнительные инвестиции. Руководитель компании Джакдип Сингх считает, что массовое производство аккумуляторов (20 ГВт·ч в год) можно будет начать в 2024-2025 годах на совместном предприятии с Volkswagen. До этого планируется отлаживать технологию на мелкосерийном производстве.
Сама QuantumScape в производстве намерена ограничиться выпуском ячеек и поставками сепараторов как ключевого элемента своей технологии. Остальные операции будут переданы партнёрам на совместные и независимые предприятия. «Аккумуляторный блок представляет собой неотъемлемую часть конструкции электромобиля, - отмечает Сингх. - Автомобильные компании обычно приобретают ячейки, чтобы самостоятельно объединить их в аккумуляторные блоки. Там добавляются механические элементы крепления, системы теплоотвода, сенсоры, батарейный контроллер и другие детали. И сам блок в электромобиле зачастую является структурным элементом, то есть несёт механическую нагрузку».
Договор с Volkswagen не эксклюзивный. Немецкий автоконцерн получил право первым вывести на рынок инновационную технологию, а за ним, вероятно, последуют и другие автомобильные компании.
Читайте другие наши материалы
