Японская компания Koike разработала монокристаллический электролит, который снижает внутреннее сопротивление батареи. По словам авторов идеи, новинка дает возможность продлить время автономной работы аккумуляторов и увеличить срок их службы до 10 раз. Подробности — под катом.
Немного о самих электролитах
Сначала немного поговорим о самих электролитах. Так, Википедия < href=”https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D1%82”>говорит нам, что электролит — “вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы, что происходит в растворах и расплавах, или движения ионов в кристаллических решётках твёрдых электролитов”. Примерами электролитов могут служить кислоты, соли, основания и некоторые кристаллы.
В литий-ионных аккумуляторах, которые сегодня доминируют на рынке, используется жидкий электролит. Его недостаток в том, что при механическом повреждении батареи электролит перегревается, в результате чего может произойти возгорание или даже взрыв.
Хорошо, так а что там за разработка?
Есть альтернатива — твердотельные аккумуляторы. Они лишены таких недостатков, но на сегодня ресурсы производства для монокристаллических материалов ограничены. Компания Koike, расположена в префектуре Яманаси (Япония) и производит монокристаллические пластины в качестве подложек интегральных схем для телекоммуникационных устройств. В сотрудничестве с исследовательским отделом института AIST Nikkei Asian Review, она разработала новый материал, способный сделать прорыв в сфере твердотельных аккумуляторов. При использовании монокристаллического материала в качестве электролита, сопротивление в батарее уменьшается на 90%. Среди прочих достоинств технологии — возможность продления срока службы батареи.
Твердотельные аккумуляторы не бояться ударов и способны выдерживать высокие температуры, что делает их безопасными для использования. Кстати, батареи от японской компании позиционируются как «полутвердотельные» (semisolid-state). Дело в том, что электроды в них японцы будут обрабатывать специальной жидкостью, для того, чтобы снизить скрорость деградации аккумулятора.
На сегодня твердотельные аккумуляторы уже разрабатывает Toyota Motor и японская энергетическая группа Idemitsu Kosan. В качестве материала для электродов они используют сульфиды. Но даже по сравнению с ними, новые монокристаллический материал — более безопасный и эффективный. По оценкам канадской компании Emergen Research, в 2021 году рынок твердотельных батарей оценивался в 600 миллионов долларов. Ожидается, что к 2030 году он вырастет до $10,1 млрд.
Особенности и перспективы технологии
Большие монокристаллы получить трудно. Koike удалось запустить производство монокристаллов диаметром 25 мм. Это существенно ограничивает область применения твердотельных аккумуляторов. Их можно устанавливать в небольших медицинских устройствах, таких как кардиостимуляторы, а также в умных часах и других носимых гаджетах. Скорее всего их использование начнется с устройств, герметичный корпус которых не подразумевает замену батареи.
Срок службы аккумулятора, например, в кардиостимуляторе, составляет от 5 до 10 лет. С батареей нового поколения его срок службы может составлять до 50 лет. Кроме того, аккумуляторы весят меньше литий-ионных версий, что позволит производителям снизить общий вес устройства. К минусам стоят отнести высокую стоимость твердотельных батарей, однако в Koike не сообщают конкретных цифр. Возможно, к началу запуска массового производства, инженеры компании найдут способы сделать аккумуляторы конкурентоспособными по стоимости. По планам компании, с 2027 по 2028 года вся ее деятельность будет направлена на массовое производство новинки, а также на формирование коллабораций с производителями и создание совместных предприятий.
Но не только Koike занимается «твердотельниками». Так, в начале этого года компания Samsung заявила о желании наладить массовое производство твердотельных аккумуляторов до 2027 года. У корейской компании вообще особенные отношения с батареями. Так, до 2021 года телефоны и планшеты компании неоднократно взрывались в руках или карманах одежды у людей, вызывая ожоги. Случаев возгорания Note 7 было настолько много, что компания отозвала по всему миру около 2,5 миллионов смартфонов и потерпела убытки на миллиарды долларов. При этом некоторые авиакомпании стали запрещать смартфоны Samsung на борту самолетов, чтобы не допустить появления проблемных ситуаций.
Аналогичные проблемы возникают с автомобилями Tesla, чьи аккумуляторы периодически воспламеняются. Потушить такое возгорание практически невозможно и чаще всего автомобили сгорают до тла. Если бы в электромобиле стоял твердотельный аккумулятор, то случаев возгорания бы не случалось. А за счет меньшего веса батареи машина могла бы проходить большие расстояния на одном заряде.
Дальнейшие исследования Koike направлены на улучшение катодных материалов и увеличение размеров аккумуляторных ячеек. В теории подобные разработки могут применяться и при производстве тяговых аккумуляторов для электромобилей. Такие батареи не будут бояться высоких температур и механических воздействий, что существенно повысит безопасность транспортных средств. Однако с технической точки зрения еще нет возможностей создавать батареи с монокристаллами большего размера.
