От няколко години насам твърдотелните батерии са представяни като следващата

От няколко години насам твърдотелните акумулатори са представяни като идната огромна стъпка за електрическите автомобили. Съществува консенсус, че те ще удвоят пробега на електричките. Човек би си предположил, че производителите на коли и доставчиците на акумулатори ще влагат допустимо най-вече в тази технология.

В същото време отчетите са извънредно спорни по отношение на това дали въобще са жизнеспособни. През януари 2024 година учени от Харвардския университет създадоха нова твърдотелна батерия. Тя може да се зарежда за 10 минути, без това да се отразява на продължителността на живота. Както знаем, батериите на електрическите автомобили имат податливост да се утежняват с течение на времето.

Малка вест, която електропроповедниците по този начин и не съумяват да чуят

През април 2024 година създателят и основен изпълнителен шеф на CATL (Contemporary Amperex Technology Company Limited) съобщи, че твърдотелните акумулатори не са безвредни и че те не са универсалното решение, на което всички се надяват. Д-р Робин Зенг е отпред на най-големия производител на акумулатори на Земята. Наблюдавал е по какъв начин инженерите на компанията му се трудят в продължение на 10 години, без да реализират важен прогрес.

И двата източника са надеждни и знаят защо приказват. Дали твърдотелните акумулатори са идващият миг от вида “Ford Model T ”, или концепцията ще се провали като GM EV1?

За да разберем това, ние се потопихме в технологията, с цел да открием плюсовете и минусите и да се надяваме да разкрием свястно умозаключение. Но преди да пристъпим към това, си коства да разбираем какво в действителност съставляват твърдотелните акумулатори.

Тази публикация съдържа редица хипотетични и теоретични изказвания, защото технологията на твърдотелните акумулатори към момента не е тествана в действителни сюжети. Всички тези изказвания са подкрепени от научноизследователски документи и оценки, направени от автомобилни производители и експерти по акумулаторни технологии.

Според NewScientist основната дума тук е твърдo

Повечето електронни устройства, като коли, телефони, таблети и преносими компютри, употребяват литиево-йонна батерия. В тази батерия се намира течен електролит, през който протичат йони. При зареждане йоните текат в една посока, а при разреждане – в друга.

Генералната концепция, когато става въпрос за твърдотелни акумулатори, е да се размени упоменатата течност с твърдо вещество. Това е най-основното пояснение и звучи много елементарно, нали?

Малко по-сложно е, тъй като твърдотелните акумулатори механически не би трябвало да разчитат на литий, който е замърсен детайл за рандеман. Една твърдотелна батерия би могла да употребява сулфид или керамика. Трябва да се каже, че множеството твърдотелни акумулатори, които се създават сега, към момента разчитат в огромна степен на въглерод, фосфати и литий. За анода се употребява литий, а за катода – оксиди или сулфиди.

Твърдотелните акумулатори не са нова идея

Майкъл Фарадей пръв открива твърдите електролити през 30-те години на XIX век, само че не прави нищо с проучването. През 1986 година Кейичи Канехори прави тънкослойна твърдотелна батерия. Тя не може да зарежда нищо по-голямо от часовник, тъй че концепцията е забравена. Истинският татко на батерията е Джон Гудену. Той е и татко на литиево-йонната батерия. Гудену умира през 2023 година на 100-годишна възраст. Той посвещава по-голямата част от живота си на проучванията на батериите. През 2017 година показва евентуално първата в света жизнеспособна твърдотелна батерия.

От 2018 година нататък са основани няколко компании, профилирани в тази технология. Примери за това са Solid Power, Quantumscape и Marata Manufacturing.

Предимства на твърдотелните акумулатори

Преди да стартираме, си коства да отбележим, че не всички позитивни качества на твърдотелните акумулатори са научно потвърдени. Някои от тях към момента са в теоретична фаза. Стандартният теоретичен способ (или емпиричен метод) изисква доктрина, редовно наблюдаване, премерване и опит, както и формулиране, инспекция и смяна на първичните хипотези.

Фолксваген, който е част от взаимно дружество с Quantumscape, одобри доставката на прототипи на твърдотелни акумулатори през 2023 година Полученият акумулаторен пакет не е инсталиран на автомобил. Вместо това вътрешното поделение на VW за батерии, PowerCo, подлага пакета на няколко теста. След 1000 цикъла на зареждане (малко над 498 000 км) пакетът е изгубил единствено пет % от потенциала си. 

Твърдотелните акумулатори имат по-дълъг живот

Както към този момент споменахме, твърдотелните акумулатори на VW и Quantumscape са изгубили единствено пет % от потенциала си след 1000 цикъла на зареждане. Сегашният допустим стандарт е 20% загуба след 700 цикъла на зареждане. Тези числа сами по себе си са безсмислени, по тази причина дано използваме действителен артикул на VW, с цел да ги демонстрираме.

Volkswagen ID.4 в модификациите Pro, Pro S и Pro S може да измине 468 км с цялостно зареждане. Прилагайки сегашния стандарт, 700 зареждания биха довели до 326 000 км пробег. Ако използван 20% загуба, акумулаторната батерия ще може да издържи единствено 374 км. Ако използван сякаш новата технология, 1000 зареждания биха довели до пробег от 468 000 км. След тези зареждания загубата ще бъде единствено 5%, което значи, че този предполагаем акумулаторен пакет ще бъде пробег от 455 км.

Според последните изследвания, извършени от The Zebra, американците задържат колите си в продължение на осем години или към 320 000 км. Традиционната литиево-йонна батерия ще ви обезпечи единствено малко повече, до момента в който твърдотелната батерия теоретично ще ви обезпечи доста повече.

Твърдотелните акумулатори са с по-голяма енергийна компактност

Според изследване, оповестено от ScienceDirect (Are Solid-State Batteries More Environmentally Friendly Compared To Traditional Batteries?), актуалната технология на литиево-йонните акумулатори е достигнала своя връх във връзка с енергийната компактност. Тази компактност е главно количеството сила, което се получава на кг. Горната граница за това, което в този момент считаме за обичайни акумулатори, е 350 Wh на 1 кг.

Твърдотелните акумулатори могат да обезпечат до 500 Wh на 1 кг. Това е 30% нарастване на пробега при същото тегло. Отново можем да разгледаме тези числа в подтекст, като използваме за образец характерен електромобил.

Сравнение на твърдотелните акумулатори на Tesla Model Y

Стандартна батерия / Твърдотелна батерия /
Капацитет на батерията: 82 kWh / 106 kWh*
Обхват: 498 км / 648 км*
Пробег след 320 000 км: 439 км**/ 616 км***

*Теоретичното нарастване на потенциала на батерията и пробега се основава на 30% нарастване, прегледано нагоре.
**Предполага се 12% степен на утежняване на качеството въз основа на отчета на Tesla за въздействието през 2022 година
***Теоретичен пробег при допускане на 5% степен на деградация въз основа на изпитванията на Volkswagen и Quantumscape.

Акумулаторният пакет на Tesla Model Y Long Range тежи 771 кг. Това му разрешава да измине 498 км сред презарежданията. Ако Tesla размени сегашната батерия с твърдотелна батерия със същото тегло, автомобилът ще усили пробега си с 150 км. Това ще го сложи по-високо в листата на електрическите автомобили с най-дълъг пробег. Още по-важно е, че даже след цялостен живот приложимост (320 000 км), твърдотелен Model Y теоретично ще има по-голям остатъчен пробег от сегашния автомобил като чисто нов.

Производителите могат да употребяват по-малки акумулатори

Използването на твърдотелната технология за основаване на акумулатори с еднообразно тегло обаче би било контрапродуктивен ход. Средностатистическият американец изминава единствено 68 км дневно. Пробег сред 400 и 480 км е изцяло задоволителен. Това е положителният остарял спор: пробег или инфраструктура. Той се свежда до това, че хората не схващат концепцията, че не е нужен допустимо максимален пробег. Наличието на къща със зарядно устройство от второ равнище е най-хубавото решение. С него се поставя завършек на кошмара, обвързван с притежаването на електрически автомобил.

Има огромна възможност производителите на коли да употребяват корав електролит, с цел да понижат размера и тежестта на електрическите автомобили. Теглото е един от най-големите врагове на всички коли. Тежкият автомобил изисква повече сила, с цел да се движи, и има по-голямо противодействие при търкаляне. Това води до по-бързо изхабяване на гумите.

”Отслабването ” на електрическия автомобил е от изгода освен за притежателя, само че и за необятната общност.

По-малко тегло значи по-безопасни пътища за всички

Електромобилът GMC Hummer EV е най-крещящият образец за казуса, от който страдат всички електрически транспортни средства. Той употребява 205 kWh акумулаторна батерия. Тя е почти два пъти по-голяма от общоприетата в промишлеността. Благодарение на този голям акумулаторен пакет тежестта на автомобила надвишава 4000 кг. В комбиниране с времето за ускоряване от 0 до 100 км/ч от 3,5 секунди, получавате голям обект, който може да сътвори огромни главоболия за по-малко от четири секунди. Ние обаче не сме единствените, които се тормозят от тежестта.

Застрахователният институт за пътна сигурност (IIHS) стартира да актуализира системите си за краш проби за тежки EV пикапи, в това число Hummer, Ford F-150 Lightning и Rivian R1T. IIHS разгласи тези актуализации през декември 2022 година, а до март 2023 година прикани за по-ниски ограничавания на скоростта. Защо? Защото електрическите транспортни средства са прекомерно тежки.

Rivian R1T публично е най-безопасният електрически камион, който можете да си купите. Същото не може да се каже за всеки автомобил, в който се блъсне. През 2024 година Kia Telluride е един от единствено петте приблизително огромни SUV автомобила, които са получили Top Safety Pick + от IIHS. Това го трансформира в един от най-безопасните фамилни SUV, които можете да си купите, само че представете си какво би се случило, в случай че взе участие в преден конфликт със 3100-килограмовия R1T. Kia тежи 2260 кг. Това прави Rivian съвсем с една Mazda Miata по-тежък от триредовия SUV с 3,8-литров V6. Няма система за сигурност, която да може да победи физичните закони.

Твърдотелните акумулатори се зареждат по-бързо

След повече от десетилетие прогрес междинното време за зареждане към момента е почти 20 до 40 минути. Знаем, че последователите на електрическите транспортни средства ще кажат, че можете да употребявате това време, с цел да ядете, за няколко кафета или да се разтегнете. Хората просто не пътуват по този метод. Този мотив е годен и единствено в случай че приемете, че ще желаете да ядете на всеки 480 км. Повечето хора, които пътуват на дълги дистанции, просто желаят да ги изминат с минимални проблеми.

Както споменахме при започване на тази публикация, учени от Харвард към този момент са създали твърдотелна батерия, която може да се зарежда в границите на 10 минути. Това е доста по-приемливо и доста по-близо до петте минути, които са нужни за зареждане на автомобил с ДВГ.

При този сюжет сме съгласни, че е добре да слезете от колата и да раздвижите краката си за малко. Ако се нуждаете от две зареждания за един ден, това са единствено 20 изгубени минути. С актуалните технологии за батерии ще стоите на място 40 минути при идеални условия.

Не единствено учените от Харвард вършат това изказване. Твърдотелните акумулатори от първо потомство на Toyota ще се зареждат със същата скорост. Ако се появят през 2027-2028 година

Твърдотелните акумулатори са по-щадящи за околната среда. Евентуално

Компанията Transport & Environment, профилирана в разбор на виталния цикъл на суровините, откри, че твърдотелните акумулатори могат да понижат въглеродния отпечатък на един електрически автомобил с 39%. Както множеството хора към този момент знаят, няма такова нещо като автомобил с нулеви излъчвания.

Веднага щом първата тежка машина стартира да копае в земята, електрическият автомобил стартира да отделя излъчвания. По-малкият пакет явно изисква по-малко първични материали. Спестяването е по-скоро от страна на добива. Една твърдотелна батерия ще изисква 35% повече литий, само че по-малко графит и кобалт.

За страдание, има някои ангажименти, за които си коства да се знае, само че ще ги разгледаме в раздела за минусите.

Твърдотелните акумулатори са по-безопасни

Течните електролити, за които споменахме по-рано, са запалими и са главната причина за термичния теч. Пожарите в електрическите автомобили се оказват и един от главните причини на съперниците на електрическите автомобили. Те са също толкоз досадни, колкото и електроталибаните. В твърдо положение тези електролити не са запалими и могат да устоят на по-високи температури. Така че, макар че няма проучвания, които емпирично да настояват, че електрическите автомобили са по-склонни към запалване от колите с ДВГ, твърдотелните акумулатори би трябвало най-малко да обезпечат по-добра известност на електрическите автомобили. За страдание, това е още един „ плюс “, който идва с спогодба.

Като гледате горните плюсове, евентуално се чудите за какво твърдотелните акумулатори не са към този момент оборудвани във всеки автомобил. Mustang Mach-E Rally с двойно по-голям пробег звучи като дебела филия бял самун, печена върху котлон от старите, намазана с масло и поръсена с чубрика. Демек напълно. Lucid теоретично може да пусне Air с пробег от над 1600 км.

Така ще приключим с всевъзможни тревоги във връзка с пробега. Но както е при всички нови технологии, твърдотелните акумулатори имат проблеми с концепцията си. За страдание, тези проблеми са много съществени. Поради това някои автомобилни производители даже не се интересуват от тях или се постанова да отсрочат въвеждането им най-рано за 2030 г. 

Най-големите дефекти на този стадий са:

Учените не схващат изцяло явлението твърдо положение

Една от основните аргументи за забавянето на твърдотелните мотори е явлението, наречено „ електрически двоен пласт “ (EDL). Както е обяснено от Science Daily, това е „ микроскопична дисперсия на един тип частици в друго вещество “. За тези от нас, които не владеят науката, сред позитивния електрод и твърдия електролит има електрическо противодействие, което се утежнява при излагане на въздух. Учените не схващат какво се крие зад него и даже откакто го схванат, към момента би трябвало да намерят решение.

– Д-р Тохру Хигучи, доцент в Токийския теоретичен университет.

Забавянето на въвеждането на твърдотелните акумулатори може да има тежки последствия за технологията. Това не е единствената опция. Има и други, в това число литиево-серни, безкобалтови, натриево-йонни и желязо-въздушни акумулатори, които се стремят да се трансфорат в решение. Твърдотелните акумулатори би трябвало да се конкурират и с други възможности, които ще поддържат вътрешното горене живо, като синтетичните горива.

Технологията коства прекомерно скъпо

Подобно на множеството нови технологии е належащо време, с цел да се понижат разноските. Вече повече от десетилетие използваме обичайна BEV технология, а до ценовия паритет остават още години. За да бъдат налични твърдотелните акумулатори, производството би трябвало да се усили фрапантно.

Това няма да се случи скоро, както обявиха от Toyota. Нейната първа партида от коли с твърдотелна технология ще се състои единствено от „ няколко десетки хиляди автомобила “. Това може да звучи като доста, само че предходната година Toyota е произвела повече от 11 милиона автомобила. В съпоставяне с тази цифра, десетки хиляди са дребен %.

Тези акумулатори не могат да работят на студено

Традиционните литиево-йонни акумулатори не работят оптимално в студено време, само че твърдотелните акумулатори прибавят още едно равнище на трудност. Понастоящем производителите на коли употребяват системи за топлинен мениджмънт, с цел да поддържат оптимална работна температура на акумулаторните акумулатори.

Използването на същите системи в твърдотелна система не е допустимо, защото съставените елементи би трябвало да се съхраняват под голямо налягане, с цел да се предотврати образуването на дендрити. Необходимото налягане е повече от 250 MPa. Това е в мегапаскали и е една от най-хубавите измервателни системи, изобретявани в миналото. Един мегапаскал е налягането на един милион банкноти. Не знаем дали това са един милион „ десетки “ или един милион “стоянки ”. Така или другояче, налягането в твърдотелната батерия е еднакво на това да имате 250 милиона $ в банкноти, подредени на гърдите си.

Досаден напредък на дендритите

Както може би към този момент сте разбрали, твърдият литий е доста значима част от твърдотелната батерия. За страдание, литият в това положение има податливост да образува дендрити. Това е несиметричен напредък, който може да се насочи във всяка посока и е задоволително изострен, с цел да пробие други елементи на батерията.

Това не е съвършеното нещо, в случай че би трябвало да се справите с налягане от банкнотите от 250 милиона $. Най-добрият метод да илюстрирате дендрита е като употребявате най-известния образец, а точно кристалите. Погледнете кристалното образувание по-долу и си представете какъв брой вреди може да нанесе то на вътрешността на акумулаторната батерия.

Същите учени от Харвард, за които споменахме по-рано, настояват, че техният първообраз на твърдотелна батерия е по-устойчив на тези дендрити. За задачата употребява силициеви частици с размер на микрона в областите, където йоните се прикрепят по време на зареждането. Но увеличението на този метод до равнището, належащо за прекосяването на цялата автомобилна промишленост към твърдотелни акумулатори, е напълно друго предизвикателство.

„ Едно е да искаш, друго е да можеш, а трето и четвърто – да го направиш. “ Н. Хайтов

Твърдотелните акумулатори са екологични единствено при подобаващи условия

По-рано се позовахме на изследване на Transport & Environment, съгласно което твърдотелните акумулатори могат да понижат въглеродния отпечатък на един електрически автомобил с 39%. Това ще се случи единствено в случай че някои държавни управления съумеят да се спогодят за набор от разпореждания, които ще създадат производството на литий по-чисто за околната среда.

Съществуват по-нови модели на рандеман, като да вземем за пример геотермални кладенци. Този способ има доста по-ниско влияние върху околната среда. Китай е най-големият производител на литий в света и към този момент разполага с голяма инфраструктура за рандеман.

Европейският съюз също желае да вкара система за стабилно доставяне с литий, само че още веднъж няма надзор върху Китай. Всички тези хрумвания са положителни, само че нямат никаква стойност, в случай че не съумеят да убедят Китай да промени напълно своята минна инфраструктура.

Твърдотелните акумулатори не са толкоз безвредни, колкото се смяташе в началото

Главният изпълнителен шеф на CATL направи сензация, когато съобщи, че твърдотелните акумулатори са непрактични и рискови. Според доктор Робин Зенг, прочут още като Краля на батериите, твърдотелните акумулатори имат проблеми с налягането. Това съставлява заплаха и при зареждане, защото батериите се уголемяват. А инженерите не могат да заобиколят казуса с налягането поради дендритите, за които споменахме нагоре.

И въпреки че тези акумулатори може и да не се възпламенят, те евентуално съставляват по-голяма опасност за водачите и пасажерите. Ако батерията бъде пробита при положение на случай, наличието ѝ ще реагира с кислорода, създавайки литиев хидроксид, който е отровен за хората. По принцип ще висите с главата надолу в балон от токсични изпарения и заради това спасителите няма да могат да стигнат до вас.

Заключение: Статутът на избавител е под въпрос

Списъкът с плюсовете безспорно е впечатляващ, само че не би трябвало да забравяме, че множеството от тях са теоретични. Малкото доказателства, с които разполагаме, са направени в лаборатория, а не в действителния свят. Въвеждането на технологията, което непрекъснато се отсрочва, също е тревожно.

От в този момент до 2030 година могат да се случат доста неща. В други технологии за акумулатори се реализира голям прогрес и това е преди да се вземат поради политическите промени, които могат да преобърнат целия сегмент на електрическите автомобили.

Най-голямото ни безпокойствие е обвързвано с трудностите, които технологията към момента би трябвало да преодолее. Учените безусловно не знаят за какво твърдотелните акумулатори вършат избрани неща, което значи, че жизнеспособно решение надалеч не е готово. Второ, казусът с налягането е огромен. Намаляването на налягането води до голям проблем, а увеличението му – до още по-голям – „ Параграф 22 “.

Бихме ли ги отписали изцяло? Все още не напълно, тъй като през последното десетилетие хората сътвориха някои невероятни технологии. Започнахме с Model S с пробег от 420 км, а в този момент Lucid Air с повече от 800 к.с. може да измине 830 км сред зарежданията.