Исследователи Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Паулсона (SEAS) разработали литий-металлический твердотельный аккумулятор, который, по их словам, может хранить значительно больше энергии при том же объеме, что и традиционные литий-ионные батареи, при этом заряжаясь за доли времени. Хотя это долгожданная новость о потенциально меняющей мир технологии, вопросы, касающиеся экономически эффективного масштабирования, остаются неопределенными.
На протяжении десятилетий твердотельные батареи были как морковка, висящая перед инженерами и производителями электроники как (относительно) достижимая технология, способная вызвать сдвиг парадигмы в мире потребления энергии. В последние годы все больше исследователей достигают новых рубежей в прототипах твердотельных батарей, но способность массово производить эту технологию по более низкой цене, чем традиционные литий-ионные батареи, остается серьезным препятствием.
Помимо масштабируемости, исследователи Гарварда — последняя команда, анонсировавшая многообещающий прототип твердотельной батареи, разработанный по принципу… сэндвича BLT.
Литий-металлический твердотельный аккумулятор Гарварда
В отчете The Harvard Gazette сообщается, что команда инженеров разработала стабильный твердотельный аккумулятор с использованием литий-металла, который можно заряжать и разряжать не менее 10 000 раз при высокой плотности тока. Согласно отчету, эта технология может увеличить срок службы электромобилей на дополнительные 10-15 лет без замены аккумулятора.
Более того, исследовательская группа Гарварда считает, что твердотельный аккумулятор сможет обеспечить электромобилям возможность полной зарядки за 10-20 минут благодаря высокой плотности тока. Синь Ли, доцент кафедры материаловедения Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Паулсона (SEAS), объясняет:
Наше исследование показывает, что твердотельный аккумулятор может принципиально отличаться от коммерческого литий-ионного аккумулятора с жидким электролитом. Изучая их фундаментальную термодинамику, мы можем раскрыть превосходные характеристики и использовать их обильные возможности.
Основная причина, по которой другие эксперты по аккумуляторам не занимались этим литий-металлическим подходом, заключается в их менее чем идеальной химической летучести. При зарядке литиевых аккумуляторов ионы лития перемещаются от катода к аноду. В случае литий-металлических анодов перемещающийся литий может вызывать образование игольчатых структур, называемых дендритами, на поверхности анода и за его пределами. Эти дендриты затем могут прорастать в электролит, разделяющий анод и катод, вызывая неисправность аккумулятора или даже возгорание.
SSBLT (твердотельный сэндвич с беконом, салатом и помидорами)
Для борьбы с этим Ли и его команда в Гарварде разработали свой твердотельный аккумулятор с многослойным подходом, который располагает материалы различной стабильности между анодом и катодом. Похоже на сэндвич. Этот многослойный аккумуляторный сэндвич помогает смягчить проникновение литиевых дендритов, контролируя и сдерживая их, а не предотвращая полностью.
Как видно из изображения выше, команда Гарварда упростила конструкцию аккумулятора до формы, которая нам более понятна. В данном случае — сэндвич BLT. Верхний ломтик хлеба представляет собой литий-металлический анод, за которым следует салат, соответствующим образом представляющий графитовое покрытие. Два слоя помидоров представляют первый электролит, защищающий вкусный средний слой бекона как второй электролит. Все это лежит на нижнем ломтике хлеба, или катоде. Кто-нибудь еще внезапно проголодался по аккумуляторам?
В этой конструкции дендриты могут прорастать через графит (салат) и первый электролит (помидор), но останавливаются, когда достигают второго электролита (бекона), тем самым предотвращая короткое замыкание всего аккумулятора. Этот многослойный подход провоцирует химическую реакцию, которая делает второй электролит слишком плотным для проникновения дендритов. Кроме того, исследователи Гарварда говорят, что эта же химия может заполнять дыры, сделанные дендритами, фактически делая твердотельный аккумулятор самовосстанавливающимся. Есть ли что-нибудь лучше, чем самовосстанавливающийся сэндвич? Честно говоря.
Взгляд в будущее
Ли объясняет потенциал этого прорыва в области аккумуляторов, но осознает текущую реальность масштабируемости:
Эта концептуальная конструкция показывает, что литий-металлические твердотельные аккумуляторы могут конкурировать с коммерческими литий-ионными аккумуляторами. А гибкость и универсальность нашей многослойной конструкции делают ее потенциально совместимой с процедурами массового производства в аккумуляторной промышленности. Масштабирование до коммерческого аккумулятора будет непростым, и существуют еще некоторые практические проблемы, но мы верим, что они будут преодолены.
Как упоминалось в начале этой статьи, цена и масштабируемость всегда были самыми большими препятствиями на пути к широкому распространению технологий твердотельных аккумуляторов, но гарвардская команда осведомлена об этой сложной задаче и надеется найти решение. Однако конкретных сроков достижения этого пока нет.
Мнение Electrek
Всегда интересно наблюдать за новыми достижениями в области твердотельных аккумуляторов и за тем, как разные команды по-своему подходят к решению этих задач. В то же время, их следует воспринимать с небольшой долей скептицизма просто из-за факторов, которые мы сознательно постарались упомянуть в начале этой истории — доступная масштабируемость.
Независимо от этого факта, такие статьи, как эта, набирают обороты среди нашей аудитории просто потому, что термин «твердотельный» вызывает интерес у людей из мира электромобилей. Более того, я, как и многие другие, почти всегда кликну, просто чтобы увидеть, решил ли кто-нибудь наконец эту дилемму масштабируемого производства.
Команда инженеров Гарварда, возможно, действительно нашла что-то стоящее в своей технологии твердотельных аккумуляторов, но для того, чтобы она получила широкое распространение, они не могут сделать это в одиночку. Производитель с необходимыми мощностями, инфраструктурой, цепочкой поставок и отношениями с клиентами будет иметь жизненно важное значение.
Однако даже при всей этой поддержке, задача достижения массового производства по более низкой цене, чем у литий-ионных батарей, остается висящей морковкой, всего в нескольких дюймах от осла, который движется вперед.