Современные электромобили используют большие литий-ионные аккумуляторы, которые работают довольно хорошо. Они могут накапливать довольно большое количество энергии по отношению к своему весу. Их также не нужно полностью разряжать каждый раз перед подзарядкой, поэтому обычно вы можете поставить автомобиль на зарядку, когда вам удобно, не слишком задумываясь о том, не повредите ли вы аккумулятор.
Но эти аккумуляторы по-прежнему не обладают достаточной плотностью энергии для новых приложений и электромобилей. Они нестабильны и легко воспламеняются, поэтому, пожалуй, неудивительно, что ведется поиск альтернатив.
“Твердотельные аккумуляторы могут стать будущим для электромобилей завтрашнего дня”, – говорит Дэниел Реттенвандер, профессор кафедры материаловедения и инженерии NTNU.
Реттенвандер является частью исследовательской группы, изучающей, как твердотельные аккумуляторы можно заряжать намного быстрее, чем это возможно в настоящее время, и сделать их более безопасными и простыми в утилизации. Их исследование было опубликовано в журнале Nature Communications. Исследователи из Норвегии сотрудничали с коллегами из Австрии, Германии и США..
Полученные результаты могут быть важны как часть работы по привлечению большего числа людей к использованию твердотельных аккумуляторов, возможно, как технология, которая в какой-то момент будет готова к коммерциализации.
Преимущества твердотельных аккумуляторов
Твердотельные аккумуляторы обладают рядом преимуществ по сравнению с литий-ионными батареями. Они могут иметь более высокое напряжение и более высокую энергетическую емкость для накопления энергии по отношению к их весу и объему.
Такие аккумуляторы сегодня используются в кардиостимуляторах и портативной электронике, где особенно важно, чтобы батарейки были маленькими. Небольшие аккумуляторы также проще в изготовлении — именно поэтому твердотельные аккумуляторы доступны в продаже только в небольших масштабах. Затраты на производство батарей большего размера были бы слишком высоки, поскольку их производство обходится дорого.
Твердотельные аккумуляторы также могут быть более безопасными, чем обычные литий-ионные аккумуляторы. Помимо других характеристик, они выдерживают гораздо большие колебания температуры, чем литий-ионные аккумуляторы. Это особенно приятно холодными зимними утрами в гараже или в длительных поездках.
Кроме того, твердотельные аккумуляторы менее огнеопасны, чем литий-ионные, поскольку они не содержат жидкого электролита. Эти электролиты представляют собой заряженные вещества, которые используются для проведения электричества. Как следует из их названия, твердотельные аккумуляторы используют твердые вещества вместо гораздо более распространенных жидких электролитов.
Быстрее перезаряжается
Но твердотельные аккумуляторы можно было бы заряжать быстрее, чем сегодня. Одна из проблем, которую необходимо преодолеть, заключается в том, что использовать твердые вещества для передачи электрических зарядов сложнее, чем жидкости.
“Мы исследовали, как мы можем более эффективно заряжать твердотельные аккумуляторы при гораздо более высоком токе, что сокращает время зарядки любого электронного устройства или электромобиля, использующего эти аккумуляторы”, – говорит Флориан Флатшер, кандидат философии, который работал с Реттенвандером и Вереной Райзекер из Технологического университета Граца.
Механизм зарядки очень сложен для понимания большинством из нас, но те, кто уже немного разбирается в этом, могут ознакомиться со статьей здесь. Результаты исследования также могут способствовать тому, что твердотельные аккумуляторы будет легче перерабатывать.
Может быть безопаснее
Исследователи также знают больше о том, почему твердотельные аккумуляторы выходят из строя. Само собой разумеется, что это важно.
“Твердотельные аккумуляторы также используют литий. Мы видим, что активность лития может играть решающую роль, когда твердотельные батареи перестают работать”, – говорит Реттенвандер.
Это совершенно новое понимание и шаг на пути к пониманию механизмов, лежащих в основе того, что называется “дендритами”. Это создает проблему в твердотельных батареях. В этом контексте дендриты представляют собой особые частицы лития, которые могут образовываться в результате коррозии и механического воздействия. Эти частицы лития, в свою очередь, могут привести к короткому замыканию проводников.
“Теперь мы знаем больше о том, как мы можем предотвратить образование таких дендритов. Это реальное преимущество с точки зрения безопасности”, – говорит Флэтшер.
Твердотельные аккумуляторы стоят дороже литиевых, но это может измениться при их массовом производстве. Ряд производителей объявили о том, что они разрабатывают автомобили с твердотельными аккумуляторами. Первые из них могут появиться на рынке уже в 2024 году.