Гарвард заявляет о прорыве в области аккумуляторных батарей для электромобилей “Святой Грааль”. Но когда мы его увидим?

Литий-металл отличается от литий-иона тем, что в его аноде, или положительной стороне, используется литий, а в катоде, или отрицательной стороне, – литий-ионный оксид металла. О том, что это значит для батареи, мы расскажем чуть позже, а сначала нужно понять, почему мы пытаемся перейти от литий-ионных батарей.

Литий-ионные батареи имеют тенденцию разрушаться в процессе использования из-за внутреннего роста дендритов. Это крошечные шипы, которые растут из анода и могут проникать через барьер к катоду, вызывая внутреннее короткое замыкание, которое может снизить энергоемкость или даже вызвать пожар. В Гарварде утверждают, что выяснили, как это происходит, объяснив, что дендриты образуются, когда ионы неравномерно “накладываются” на анод во время зарядки. При разрядке этот слой счищается, но остаются толстые и тонкие участки. Постепенно они превращаются в дендриты.

Но, разделив аноды и катоды дополнительными слоями новых материалов, гарвардские исследователи утверждают, что нашли решение, которое контролирует образование дендритов. Добавив на поверхность анода слой кремниевых частиц микронного размера, они добились более равномерного покрытия и, по сути, остановили образование дендритов еще до их появления.

“В нашем проекте металлический литий обернут вокруг частицы кремния, как твердая шоколадная оболочка вокруг ядра лесного ореха в шоколадном трюфеле”, – говорит Синь Ли, доцент кафедры материаловедения.

Внедорожник Mercedes-Benz EQS 2023 года. Джеймс Гилбой

В результате, как утверждают в Гарварде, получены лучшие показатели среди всех существующих ячеек карманного типа. Прототип размером с почтовую марку, как сообщается, сохранил 80 % емкости после 5 000 циклов зарядки, а срок службы превысил 6 000 циклов. Подзарядка занимает около 10 минут, а плотность энергии анода в 10 раз выше, чем у литий-иона. Гарвард уже лицензировал технологию для испытаний в масштабах батареи смартфона и определил другие материалы, которые могут работать вместо кремния.

Если говорить о перспективах, то литий-ионные батареи рассчитаны на 300-500 циклов зарядки в бытовой электронике до существенной деградации, а в электромобилях – на 1000-2000. Неясно, связано ли это с улучшением управления батареями, более равномерным распределением нагрузки, меньшим спросом на пиковую нагрузку или различиями в самих элементах. Тем не менее, вполне логично, что литий-металлические батареи получат аналогичный прирост долговечности при использовании в электромобилях.

2022 Kia EV6 на зарядке в Кайгуне, Австралия. Джеймс Гилбой

Все это хорошо, но так всегда бывает, когда речь заходит о перспективных разработках твердотельных батарей. Остаются проблемы, которые необходимо преодолеть, например, потребность твердотельных батарей в большом количестве лития. Это увеличит их стоимость и может создать проблему с поставками, поскольку уже через пару лет ожидается хронический дефицит минерального сырья для батарей. Более сложные батареи также могут потребовать более сложного производства, что еще больше увеличит стоимость.

Более того, аппаратные прорывы не похожи на программные: их нельзя мгновенно распространить. Toyota – один из ближайших автопроизводителей, внедряющих твердотельные технологии, но даже он не ожидает, что в 2030 году у него будет достаточно батарей нового поколения для более чем 10 000 автомобилей. Даже если разработка Гарварда окажется такой же замечательной, как и звучит, скорее всего, пройдут годы, прежде чем ее технология получит коммерческое применение, особенно в массовом масштабе. При всем ажиотаже по поводу следующей большой вещи, которым вечно заражены технологические СМИ, скачок от лаборатории до производственной линии гораздо шире, чем кажется.