Массовые прорывы в технологии литий-ионных батарей стали основой глобальной электрификации, включая революцию в области электромобилей. За последнее десятилетие стоимость литий-ионных аккумуляторных ячеек снизилась примерно на ~28% для каждого накопительного удвоения произведенных единиц, что позволило быстрому основному принятию.
Однако, как и любая другая технология, литий-ионные батареи имеют ряд недостатков, включая способность обеспечивать пиковую зарядку, которая ухудшается со временем; они вырабатывают много тепла, что требует массивных систем охлаждения, и также сопряжены с риском взрыва или возгорания при повреждении во время аварии.
Производители электромобилей считают твердотельные батареи Святым Граалем в индустрии батарей, часто цитируя невероятную производительность и дальность. В отличие от жидких электролитов или полимерных гелей, присутствующих в обычных литий-ионных батареях, твердотельные батареи используют твердый электролит, включая керамику, стекло, сульфиды или твердые полимеры. Твердотельные батареи обещают 2-10 раз большую энергетическую плотность по сравнению с литий-ионными батареями, что означает более мощные аккумуляторы, не занимающие дополнительное пространство, а также более безопасные и стабильные. Они также ожидаются более быстрая скорость зарядки.
И теперь ученые представили новый метод производства, который приблизит твердотельные батареи к повседневной реальности. Исследователи из Пенсильванского университета продемонстрировали метод производства, известный как холодное спекание, который работает при значительно более низких температурах, чем традиционное спекание.
Связано: Цены на золото падают, поскольку Китай избавляется от запасов
По словам Хонгтао Суна, доцента промышленного и производственного инженерного дела в Пенсильванском университете, традиционные керамические твердотельные электролиты обычно состоят из поликристаллических зерен, разделенных зернистыми границами. Однако эти зернистые границы затрудняют транспорт проводящих ионов, снижая проводимость электролита.
Для преодоления этих препятствий команда Суна использовала новый метод: совместное спекание поли-ионного жидкого геля (PILG) с керамикой лития алюминия титанового фосфата (LATP). Результат? Полимерно-керамический композитный электролит с высокой ионной проводимостью, достигнутый всего при 150°C.
Это значительное улучшение по сравнению с традиционными методами спекания, требующими экстремальных температур до 900-1000°C, достаточно высоких для разрушения полимерных добавок до того, как керамика правильно сформируется.
"Одной из проблем изготовления композитных твердотельных электролитов на основе LATP является то, что температура спекания для керамики очень высока, настолько, что традиционное спекание фактически сжигает любые добавки, такие как полимерные соединения, прежде чем керамика сможет быть правильно уплотнена," сказал Сун. "Поэтому нам пришлось использовать холодное спекание, чтобы сохранить температуры намного ниже."
Сун и его команда считают, что применение этой технологии холодного спекания однажды выйдет за рамки производства более эффективных твердотельных батарей и могут иметь серьезные последствия для способа использования композитных керамических материалов компаниями в общем производстве, включая отрасли, такие как производство полупроводников.
Однако, в конечном итоге, вероятно, пройдет еще много лет, прежде чем твердотельные батареи станут массовыми, так как они не смогли этого сделать из-за сочетания технических проблем, высоких затрат и существующего доминирования технологии литий-ионных батарей. Несмотря на перспективы в области энергетической плотности и безопасности, твердотельные батареи сталкиваются с трудностями в масштабировании производства и достижении необходимой производительности по приемлемым ценам.
Toyota (NYSE:TM) является одним из крупнейших инвесторов в твердотельные батареи и даже обладает наибольшим количеством патентов на ТБ. Еще в 2023 году крупнейший автопроизводитель в мире дополнительно увеличил ставки, объявив о намерении инвестировать более $13,5 миллиарда к 2030 году для разработки твердотельных батарей следующего поколения. Toyota объявила о цели снизить стоимость своих батарей на 30% или более. Что более важно, компания представила прототипное транспортное средство на твердотельных батареях, чего многим стартапам, занимающимся твердотельными батареями, не хватает.
Компания QuantumScape Corporation с штаб-квартирой в Сан-Хосе, Калифорния (NYSE:QS) является компанией развития. QuantumScape считается лидером в области твердотельных батарей и поддерживается Volkswagen (OTCPK:VWAGY), Биллом Гейтсом и SAIC Motors. Батареи компании имеют катод и твердотельный керамический сепаратор, который соединяется с анодным электрическим контактом. Компания находится на стадии разработки и начальной коммерциализации своей технологии твердотельных батарей. Хотя они отправили образцы своей батареи QSE-5 автомобильным клиентам для тестирования, они еще не коммерциализировали свои батареи и не генерируют доход.
Тем временем, компания Solid Power с штаб-квартирой в Луисвилле, Колорадо (NASDAQ:SLDP) продает свой собственный сульфидный твердый электролит и также лицензирует свои дизайны твердотельных ячеек. В отличие от QuantumScape, Solid Power уже генерирует доход: компания сообщила о выручке за 2024 финансовый год в размере $20,14 миллиона (+15,7% к предыдущему году), превзойдя консенсус Уолл-стрит на $2,64 миллиона, в то время как чистая прибыль по GAAP за 2024 год составила -$0,54, что хуже на $0,05. Компания прогнозирует инвестиции наличных средств на 2025 год в диапазоне от $100 миллионов до $120 миллионов, за вычетом потенциального гранта от Департамента энергетики США.
С прорывом Пеннского университета в холодном спекании гонка за коммерческими твердотельными батареями делает шаг вперед. Если исследователи и производители смогут преодолеть оставшиеся препятствия, святой грааль энергопотребления электромобилей вскоре покинет лабораторию и выйдет на дорогу.
Автор: Алекс Кимани для Oilprice.com
Еще лучшие чтения от Oilprice.com
OPEC+ поразил рынок более крупным, чем ожидалось увеличением добычи
OPEC+ планирует быстрое сокращение объемов добычи
Morgan Stanley снижает прогноз цены на нефть марки Brent до $62,50
Читайте эту статью на OilPrice.com
