Компания QuantumScape сообщила о начале поставок прототипов A0 новых 24-слойных твердотельных литийметаллических аккумуляторов. Они выполнены в призматическом формфакторе, тогда как раньше компания выпускала аккумуляторы в виде мешочков. Новая гибридная форма обещает намного большую ёмкость батарей и со временем должна уравнять в дальности пробега электромобили и машины на ДВС.

Аккумуляторная ячейка QuantumScape. Источник изображения: QuantumScape

Компания QuantumScape создана около 12 лет назад выходцами из Стэнфордского университета. Десять лет (до выхода компании в конце 2020 года в публичное пространство) она финансировалась только из двух источников: из одного из фондов Билла Гейтса и компанией Volkswagen. Созданные в недрах QuantumScape твердотельные литийметаллические аккумуляторы представлялись и до сих пор остаются прорывной технологией. Они обладают повышенной ёмкостью, выдерживают намного большие токи, что гарантирует быструю зарядку, и менее взрывоопасны, чем классические литийионные батареи.

Главными особенностями батарей QuantumScape стала конструкция без заводского изготовления анода и негорючий керамический сепаратор, разделяющий электроды. Что-то из этого не позволяло создать удобный для использования цилиндрический аккумулятор, и в компании пошли по другому пути. Они собрали из мешочков призматический аккумулятор, также широко используемый для производства тяговых аккумуляторов. Именно такие 24-слойные прототипы компания начала рассылать производителям автомобильных комплектующих для тестирования.

Подробно о новой разработке планируется рассказать в 2023 году. Пока лишь известно, что ёмкость прототипов лежит в диапазоне нескольких А·ч. До начала массового производства пройдёт ещё пару лет, в течение которых прототипы пройдут стадии B и C.

Исследователи из Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) США, работающие в рамках проекта Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety (SABERS), добились прогресса в разработке инновационного аккумулятора — более лёгкого, эффективного и безопасного в сравнении с аналогами, используемыми сейчас в промышленности. Речь идёт о твердотельном аккумуляторе, который по характеристикам значительно превосходит литийионные аналоги.

Источник изображения: NASA

Производительность аккумуляторов является ключевым аспектом в разработке экологически чистых видов транспорта, таких как электрические самолёты. Батареи должны хранить огромное количество энергии, необходимой для питания самолёта, при этом они должны иметь небольшую массу и разряжаться с определённой скоростью.

Для создания такого аккумулятора в SABERS использовали инновационные материалы, которые прежде не применялись в этой сфере. За счёт этого исследователям удалось добиться существенного прогресса. За последний год им удалось сократить скорость разряда батареи сначала в 10 раз, а потом ещё в 5 раз, приближая разработку к цели — созданию батареи для питания самолёта.

Использование инновационных материалов также позволило внести ряд изменений в конструкцию и способ упаковки твердотельных аккумуляторов. Это помогло уменьшить их массу и увеличить ёмкость. Вместо того, чтобы размещать каждый отдельный элемент аккумулятора в отдельном стальном корпусе, как это делается в случае с литийионными батареями, все элементы аккумулятора SABERS могут быть уложены вертикально внутри одного корпуса. Используя такой подход, исследователи наглядно показали, что твердотельные батареи могут питать машины с мощностью 500 Вт·ч/кг — вдвое больше, чем у современных электромобилей.

«Такая конструкция не только устраняет 30-40 % массы батареи, но и позволяет нам удвоить или даже утроить энергию, которую она может хранить, что значительно превосходит возможности литийионных батарей, которые считаются передовыми», — сообщил один из участников проекта SABERS Рокко Виджано (Rocco Viggiano).

Безопасность является ещё одним из ключевых требований для использования батарей в электрических самолётах. В отличие от литийионных аккумуляторов, твердотельные батареи не загораются при физическом повреждении и могут продолжать работать даже в таком состоянии. Исследователи SABERS испытали свою батарею при разных давлениях и температурах. В итоге было установлено, что она может работать при температурах почти в два раза более высоких, чем литийионные аккумуляторы, причём без необходимости задействования сложных систем охлаждения.

Большинство автопроизводителей нацелено до конца десятилетия освоить выпуск электромобилей с твердотельными аккумуляторами, которые обладают более высокими плотностью хранения электроэнергии и пожарной безопасностью по сравнению с существующими батареями. Японские компании рискуют оказаться на передовой тестирования аккумуляторов нового поколения, получив преимущества перед конкурентами.

Источник изображения: OKI Engineering

Как поясняет Nikkei Asian Review, подразделение сталелитейной компании Nippon Steel Technology собирается уже в марте 2023 года запустить тестирование аккумуляторных ячеек, созданных по критериям заказчиков. Это позволит приступить к тестированию аккумуляторов с твердотельным электролитом уже в обозримом будущем. Теоретически, это даст клиентам данного исследовательского центра возможность приблизить момент начала серийного выпуска тяговых аккумуляторов с твердотельным электролитом.

Подобные услуги по тестированию прототипов аккумуляторных ячеек готова предложить и компания OKI Engineering, которая уже проводит испытания электронных элементов типа конденсаторов, но вскоре собирается приступить к тестированию аккумуляторных ячеек для электронных устройств, а затем добраться и до тяговых аккумуляторов, используемых электромобилями. К 2025 году OKI рассчитывает зарабатывать на подобных услугах до $3,5 млн ежегодно. Помимо испытаний батарей под воздействием высоких температур и влажности, специалисты OKI готовы проводить и дополнительные виды тестов по просьбе заказчиков.

Аккумуляторы с твердотельным электролитом на основе оксидов для использования в электронных устройствах уже выпускаются серийно, но для электромобилей будут предназначаться батареи с твердотельным электролитом на основе сульфидов, и их массовое производство ещё не началось. Впрочем, до середины этого десятилетия гибридный автомобиль на основе аккумуляторов с твердотельным электролитом обещает запустить в серию корпорация Toyota Motor. Конкурирующие Honda и Nissan параллельно ведут собственные разработки по созданию тяговых батарей с твердотельным электролитом. Компания Maxell собирается наладить выпуск аккумуляторов с твердотельным электролитом для промышленного оборудования в ближайшие месяцы, TDK уже выпускает подобные элементы для потребительской электроники. По оценкам аналитиков, с 2019 по 2035 год ёмкость рынка твердотельных аккумуляторов вырастет более чем в 1000 раз до $14,5 млрд. Именно тяговые батареи для электромобилей будут определять основную часть этого оборота к концу периода прогнозирования.

Большинство автопроизводителей в той или иной степени заинтересовано в переходе на использование тяговых батарей с твердотельным электролитом, поскольку они не только увеличивают плотность хранения заряда, но и безопаснее в эксплуатации. Компания Honda Motor к весне 2024 года запустит в Японии пилотную линию по выпуску твердотельных батарей, а во второй половине десятилетия рассчитывает наладить их серийное производство.

Источник изображения: Honda Motor

Об этом сообщает Nikkei Asian Review со ссылкой на комментарии представителей японского автопроизводителя. Исследовательский центр Honda к северу от Токио разместит экспериментальную линию, на которой компания рассчитывает отработать нюансы массового производства тяговых аккумуляторов с твердотельным электролитом. Во второй половине десятилетия Honda намеревается применять такие батареи не только на автотранспорте, но и на двухколёсной технике.

Конкурирующая Nissan Motor также ведёт разработку твердотельных батарей, рассчитывая наладить их массовое производство к 2028 году. В химический состав аккумуляторов будет входить соединения серы, а вот от использования никеля, марганца и кобальта Nissan намеревается отказаться. Экспериментальная линия по производству таких аккумуляторов будет запущена на предприятии в Йокогаме в 2024 году.

Toyota Motor и Panasonic объединили усилия в разработке твердотельных тяговых батарей, первая из компаний намеревается оснащать ими свои машины с гибридной силовой установкой с середины этого десятилетия. Европейские автопроизводители не стесняются инвестировать в сторонних разработчиков батарей с твердотельным электролитом. Volkswagen сотрудничает с американской компанией QuantumScape, BMW и Ford Motor стали акционерами американской компании Solid Power. К дорожным испытаниям прототипов автомобилей, оснащённых твердотельными аккумуляторами, BMW собирается приступить в 2025 году, а в продажу они поступят к концу десятилетия.

В 2017 году немецкий автопроизводитель BMW инвестировал средства в капитал молодой компании Solid Power, которая своей целью поставила разработку и массовое производство аккумуляторов с твердотельным электролитом, которые можно использовать в электромобилях. Позже к числу инвесторов присоединилась Ford Motor, а теперь к концу года оба автопроизводителя могут получить первые образцы аккумуляторов Solid Power для дальнейшего тестирования.

Источник изображения: Solid Power

Это станет возможным, если верить пресс-релизу, благодаря запуску пилотной линии по производству аккумуляторов Solid Power с твердотельным электролитом в штате Колорадо. Данная линия сможет выпускать по 300 аккумуляторных ячеек в неделю, в годовом выражении производительность достигнет 15 000 штук. Этого должно хватить, чтобы снабдить ключевых клиентов достаточным количеством аккумуляторов для квалификационных испытаний. BMW и Ford начнут получать образцы ячеек Solid Power уже в конце этого года.

В число партнёров Solid Power также входят Hyundai, Samsung и SK On. Две последние наверняка смогут в случае необходимости наладить массовое производство соответствующих аккумуляторов — тем более, что разработчики указывают на возможность использования существующего технологического оборудования. Разработанные Solid Power ячейки содержат на 50 % больше кремния в аноде, повышая плотность хранения энергии и увеличивая дальность хода электромобиля без изменения массы. Отсутствие жидкого электролита в ячейке повышает безопасность эксплуатации и позволяет быстрее заряжать батарею.

На основе ячеек Solid Power можно будет создавать батареи ёмкостью от 60 до 100 А‧ч. Себестоимость новых батарей должна оказаться ниже, чем у традиционных, что также будет способствовать росту их популярности.