З початком ери електромобілів автомобільна галузь виявила значний інтерес до технології твердотільних акумуляторів. Твердотільні акумулятори є новим варіантом для нового покоління автомобільних акумуляторів, що вирізняються швидким заряджанням, високою продуктивністю та високим рівнем безпеки.
Що таке твердотільний акумулятор?
Твердотільні акумулятори не є новиною. Їх використовували в мобільних телефонах, ноутбуках і портативних електронних пристроях. Принципової різниці між твердотільними акумуляторами та традиційними літій-іонними акумуляторами немає. Головна відмінність полягає в тому, що в твердотільних акумуляторах для передачі іонів між електродами використовується твердий електроліт. Літій-іонні акумулятори використовують рідкісні електроліти, тоді як твердотільні акумулятори виготовляються з полімерних або керамічних матеріалів, що робить їх хімічно стабільнішими. Така хімічна стабільність робить їх безпечнішим вибором для електромобілів, оскільки вони менш схильні до перегріву, що запобігає витоку або займання. Твердотільні акумулятори також забезпечують вищу енергоємність, що робить їх ефективнішими та покращує продуктивність електродвигунів.
Як працюють твердотільні акумулятори
У твердотільних акумуляторів анод, катод і електроліт між ними є твердими металами, сплавами або іншими синтетичними матеріалами, а весь принцип роботи схожий на принцип роботи літій-іонних акумуляторів.
Переваги твердотільних акумуляторів
Енергоємність твердотільних акумуляторів у 2,5 раза вища, ніж у літій-іонних акумуляторів.
Твердотільні акумулятори мають енергоємність у 2–10 разів вищу, ніж літій-іонні акумулятори однакового розміру. Це означає, що потужність акумулятора буде більшою без збільшення його габаритів, або ж конструкція акумуляторної батареї буде компактнішою без втрати потужності. Це означає, що електромобілі та вантажівки, а також менші й легші електромобілі можуть бути ефективнішими та мати більший запас ходу. Твердотільні акумулятори довговічніші та безпечніші.
Твердотільні акумулятори використовують твердий електроліт, який не горить і тому менш схильний до займання.
Порівняно з рідкими акумуляторами, твердотільні акумулятори не містять рідкого електроліту й використовують невеликі електроліти, що допомагає уникнути таких небезпек, як займання акумуляторів. Деякі тверді електроліти є електрохімічно безпечнішими за літієвий метал.
Твердотільні акумулятори мають вищу електрохімічну стабільність, довший термін служби й дозволяють більшу кількість циклів заряджання.
Твердотільні акумулятори можуть витримувати більше циклів розряджання та заряджання, ніж літій-іонні, оскільки їм не потрібно витримувати вплив хімічних речовин у рідкому електроліті, які можуть спричинити корозію електродів або утворення твердих шарів в електроліті, що скорочує термін служби акумулятора. Твердотільні акумулятори можна заряджати у сім разів частіше, ніж літій-іонні, і вони можуть слугувати до десяти років, тоді як літій-іонні акумулятори служать лише кілька років.
Твердотільні акумулятори відносно легкі, менші та компактніші.
Краща продуктивність і густота потужності означає, що твердотільні акумулятори не потребують таких самих компонентів охолодження та керування, як літій-іонні акумулятори, що забезпечує менші загальні габарити, більшу гнучкість шасі та меншу вагу.
Твердотільні акумулятори заряджаються у 4–6 разів швидше, ніж звичайні акумулятори.
Твердотільні акумулятори не містять летких елементів і є більш екологічними.
Використання літій-іонних акумуляторів із рідкими електролітами викликає занепокоєння щодо безпеки та здоров'я, оскільки вони містять легкозаймисті й корозійні рідини.
Сучасні виклики для твердотільних акумуляторів
Одним із найбільших викликів на сьогодні є вартість виробництва. Процес виготовлення твердотільних акумуляторів складніший, а оскільки ця технологія все ще перебуває на початковій стадії розвитку, вартість виробництва висока.
Дослідження твердотільних акумуляторів все ще тривають, і ідеальний електролітний матеріал з оптимальною іонною провідністю ще не знайдено. Також існують проблеми з температурою. Тверді електроліти менш стійкі до коливань температури й потребують певної температури для досягнення оптимальної продуктивності, що може бути серйозною проблемою для електромобілів, які використовуються в холоднішому кліматі.
Тверді електроліти з часом втрачають стабільність і надійність, тому необхідно розглянути додаткові протиходи й повністю протестувати їх на довговічність у дорожніх умовах і при щоденному керуванні.
Перспективи твердотільних акумуляторів
Наразі застосування твердотільних акумуляторів в електромобілях перебуває на стадії досліджень і розробки й ще не комерціалізовано. Однак провідні гравці на ринку активно просувають цю технологію:
Honda планує випустити автомобіль із твердотільними акумуляторами у 2028 році або в другому півріччі 2029 року. Hyundai, BMW, Ford, General Motors, Volkswagen та інші компанії також проводять подібні дослідження. Toyota володіє понад 1300 патентами, пов'язаними з твердотільними акумуляторами, і планує випустити гібридний автомобіль із твердотільними акумуляторами до 2025 року.
Якщо цю технологію буде комерціалізовано, це матиме значний вплив на ринок електромобілів, роблячи електромобілі меншими й легшими або надаючи їм більший запас ходу при тих самих габаритах і вазі.
У майбутньому потяги, літаки та вантажівки також можуть використовувати твердотільні акумулятори, створюючи умови для більш широкої електрифікації транспорту, ніж ми можемо собі уявити сьогодні.
