Як технологія твердотільних акумуляторів Прінстона може змінити накопичення енергії

Неперевершена батарея

Оскільки батареї стали основою силових агрегатів електромобілів, їх продуктивність і профіль безпеки покращилися. Наразі цього вдалося досягти за допомогою різних літієвих батарей: літій-іонних (літій-нікель-марганцевих NMC і літій-нікель-кобальт-алюмінієвих NCA) або літій-ферум-фосфатних (LFP) батарей. Це була трансформаційна технологія, яка по праву приніс своїм винахідникам Нобелівську премію з хімії 2019 року (історія винаходу літій-іонного акумулятора за посиланням).

До цього часу очікувалося, що ці батареї продовжуватимуть домінувати на ринку акумуляторів завдяки своїй надзвичайно високій щільності енергії.

джерело: S&P Global

Однак існує обмеження щодо того, скільки енергії можуть зберігати класичні літій-іонні батареї. Ось чому дослідники розглядають інші варіанти, один із яких, швидше за все, принесе плоди – твердотільні батареї.

Очікується, що твердотільні батареї будуть безпечнішими, енергоємнішими та довговічнішими, ніж традиційні літій-іонні батареї. Однак їх дуже важко надійно виробляти в масштабах економічно ефективним способом, що сповільнило їх впровадження.

Це може змінитися, і дослідники Прінстонського університету, Університету Пердью, Мічиганського університету та Брукхейвенської національної лабораторії дійшли висновку про те, чому твердотільні батареї виходять з ладу.

Вони опублікували свої останні відкриття у двох наукових статтях у Advanced Energy Materials¹ і ACS Energy Letters², відповідно, під заголовками «Кінетика літію в пористому прошарку Ag–C у безрезервуарних твердотільних батареях"&"Відмова в літієвих твердотільних батареях без резервуарів, спричинена розжаренням".

Вони також проаналізували поточний стан науки про акумулятори щодо безанодних батарей і опублікували його в Nature Materials.³, під назвою «Електрохімікомеханіка безанодних твердотільних акумуляторів".

Безанодний твердотільний акумулятор

Ідея твердотільних акумуляторів полягає в заміні рідкого електроліту в літій-іонних шаром твердого металу. Це головне джерело збільшення ефективності, оскільки електроліти важкі та об’ємні.

джерело: Чиказький університет

Це також покращує профіль безпеки, оскільки розчинники електролітів, як правило, легкозаймисті, створюючи рідкісні, але вражаючі пожежі акумулятора, які створювали погану репутацію першим електромобілям.

Нещодавно дослідники дослідили ще один крок, повністю видаливши половину батареї. Батареї складаються з катода та анода, кожен з яких має різний електричний заряд.

Безанодні батареї повністю відмовляються від анода,

«Натомість іони течуть від позитивного катода безпосередньо до струмознімачів на протилежному кінці батареї. Потім іони осідають на сам струмоприймач, утворюючи тонкий металевий шар під час заряджання акумулятора».

джерело: Прінстонський університет

У своєму сьогоднішньому аналізі безанодної технології дослідники Прінстонського університету стверджують, що головною проблемою для подальшого розвитку технології є погане розуміння механічного ефекту циклу заряджання-розряджання, а не хімічних реакцій.

Механізми, що керують циклічним зарядом і розрядом безанодних батарей, значною мірою контролюються електро-хіміо-механічними явищами на межі розділу тверде тіло–тверде тіло, і існують важливі механічні відмінності порівняно зі звичайними літієвими батареями..

 Проблеми з твердим тілом

У класичній батареї з’єднання з електродами (анодом і катодом) відносно просте, оскільки електроліт знаходиться в рідкому вигляді. У твердотільному акумуляторі твердий метал повинен ідеально контактувати зі струмоприймачем.

Якщо це не ідеально рівно, ділянки з хорошим контактом стають гарячими точками, а ділянки з поганим контактом утворюють порожнечі.

Щоб зрозуміти, чому це відбувається, дослідникам необхідно добре розуміти складний процес, що відбувається під час заряджання та розряджання батареї. Це не лише хімічне явище, а й механічне, коли матеріал з часом трохи змінює форму.

У першій статтівони виявили, що тиск може відігравати важливу роль у реакції твердого металу.

Проблеми з низьким тиском

Скануюча електронна мікроскопія показує, як літій має більший поверхневий контакт зі збільшенням тиску. Отже, це означає, що занадто низький тиск недостатньо покращує нерівний контакт, спричинений цими нерівностями поверхні.

джерело: Публікація ACS

Зрештою, нерівне покриття призвело до утворення гострих металевих ниток, які, як крихітні голки, могли проколоти твердий електроліт і спричинити коротке замикання батареї.

Проблеми з високим тиском

Незважаючи на те, що високий тиск може створити рівномірне покриття та зачистку, це не є магічним рішенням.

Дослідники виявили, що електроліт і струмоприймач з’єднувалися настільки інтенсивно, що будь-які недоліки обох збільшувалися, доки механічне навантаження не спричиняло утворення тріщин.

джерело: Публікація ACS

Використовуючи рентгенівську томографію, дослідникам вдалося відобразити ці тріщини, що утворюються під високим тиском.

При збільшенні тиску в трубі від 2 до 10 МПа зростає весь обсяг крекінгу. Багато тріщин поширюються на сторону протиелектрода (рис. 3b–e і S10), і один дендрит літію, що досягає протиелектрода, може спричинити коротке замикання.

джерело: Публікація ACS

Загалом, кінцевою метою індустрії акумуляторів буде знайти найкращу точку достатньо низького тиску, але ефективного контакту.

«Святим Граалем у цій галузі буде з’ясувати, як підтримувати міцний контакт за низького тиску, оскільки виробництво бездефектного електроліту практично неможливо. Якщо ми хочемо реалізувати потенціал цих батарей, ми повинні вирішити проблему контакту».

Пр. Келсі Хатзелл – доцент кафедри машинобудування та аерокосмічної інженерії

Краще покриття

Досягнення більш рівномірного покриття є темою другий папір опубліковано командою Пр-ра Хатцелла та їхніми співробітниками в інших університетах та лабораторіях.

Вони виявили, що тонкий шар покриття між струмоприймачем і електролітом сприяє кращому транспорту іонів. Вони протестували кілька дизайнів цього покриття.

Зрештою, вони виявили, що найкращим варіантом є проміжні шари, виготовлені з наночастинок вуглецю та срібла. Срібло в цих прошарках утворювало сплави з іонами під час заряджання та розряджання батареї, забезпечуючи рівномірне покриття та зняття з струмоприймача.

Однак деталі того, як виготовляються частинки срібла, мають велике значення. При використанні більших наночастинок розміром 200 нм (нанометрів) вони утворювали тонкі нерівні металеві структури на струмоприймачі. Це зменшує ємність і можливий вихід батареї з ладу протягом кількох циклів зарядки.

джерело: Сучасні енергетичні матеріали

«Лише кілька груп досліджували фактичні процеси, які відбуваються в цих прошарках. Серед інших знахідок ми продемонстрували, що стабільність цих систем пов’язана з морфологією металу, коли він знімає пластини та смуги від струмоприймача».

Парк Се Хван - Ростдокторант в Прінстонському університеті

Частинки срібла 50 нм працюють набагато краще, створюючи щільніші та однорідніші структури, що призводить до більшої стабільності та вищої потужності акумуляторів.

«Ці висновки можуть сформулювати стратегію виготовлення цих проміжних шарів.

Зменшуючи розмір частинок срібла, ми можемо переконатися, що ми отримуємо лише переваги срібла в проміжному шарі, що, у свою чергу, може дозволити нам досягти хорошого контакту та рівномірного покриття навіть за низького тиску».

Парк Се Хван - Ростдокторант в Прінстонському університеті

Створення кращих твердотільних батарей

Довгий час концепція твердотільного акумулятора намагалася вийти з лабораторії на виробництво з масштабним виробництвом.

Зараз це змінюється: такі країни, як Китай, Японія та Південна Корея, мають найближчі плани вивести на ринок твердотільні батареї.

Наприклад:

• Samsung SDI (006400.KS) пообіцяла почати масове виробництво твердотільних батарей до 2027 року
• Hyundai (HYMTF) шукає у масове виробництво до 2030 року
• Toyota (TM ) має ціль масового виробництва 2028, оновивши попередню ціль до 2030 року.

 «Завдання полягатиме в тому, щоб перейти від досліджень до реального світу лише за кілька років. Сподіваємося, що робота, яку ми зараз виконуємо в МУЗИКА (Механо-хімічне розуміння твердих іонних провідників) може стати основою розробки та розгортання цих акумуляторів наступного покоління у значно великому масштабі».

Пр. Келсі Хатзелл – доцент кафедри машинобудування та аерокосмічної інженерії]

Інвестиції в передові акумуляторні технології

Батареї знаходяться в центрі тенденції електрифікації, яка сама по собі є великою багатотрильйонною роботою, спрямованою на вилучення викопного палива з наших джерел енергії.

Ви можете інвестувати в компанії, пов’язані з акумуляторами, через багатьох брокерів, і ви можете знайти тут, на цінні папери.io, наші рекомендації для найкращих брокерів у США, Канада, Австралія, Великобританія, а також багато інших країн.

Якщо ви не зацікавлені у виборі конкретних компаній, що займаються виробництвом акумуляторів, ви також можете ознайомитися з такими ETF акумуляторів Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X's Lithium & Battery Tech ETF (LIT), Або WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, що забезпечить більш диверсифіковану експозицію для отримання прибутку від зростаючої індустрії акумуляторів.

Компанія з виробництва твердотільних акумуляторів

QuantumScape

З моменту свого заснування в 2010 році каліфорнійський Quantum Scape був видатним стартапом у галузі твердотільних акумуляторів, примітним своїм раннім переходом у цю сферу та своєю незалежністю від більших виробників акумуляторів, які також прагнуть твердотільних технологій, таких як CATL (300750.СЗ), Samsung або LG Energy Solution (373220.KS).

джерело: QuantumScape

Однією з унікальних особливостей акумуляторів QuantumScape, які на той час вважалися революційними, є використання конструкції без анодів. Він забезпечує швидку зарядку протягом приблизно 15 хвилин (10-80% при 45 ºC), а сепаратор є негорючим і негорючим.

джерело: QuantumScape

Це також ставить батареї QuantumScape в окрему лігу, коли справа доходить до щільності енергії та швидкості заряджання, значно перевершуючи таких лідерів, як Tesla (як її власного дизайну, так і CATL).

джерело: QuantumScape

Однак цим видатним результатам регулярно заважає боротьба за збільшення виробництва. Це також змусило компанію спалити купу грошей, що призвело до розмивання попередніх інвесторів і падіння цін на акції.

Відтоді це, здається, змінюється 2024 угода з PowerCo, підрозділ акумуляторів Volkswagen Group, за ліцензійну угоду на розробку та масове виробництво акумуляторів QuantumScape компанією PowerCo.

Згідно з невиключною ліцензійною угодою, PowerCo може виробляти до 40 гігават-годин акумуляторів для електромобілів на рік з можливістю розширення до 80 ГВт-год на рік.

Раптове розширення виробництва QuantumScape, схоже, пов’язане з Кобра, компанія наступне покоління обладнання для розділення твердотільних батарей, прорив у виробництві кераміки.

Загалом, Cobra має бути інтегровано у виробництво у 2025 році, а перший готовий електромобіль із використанням батарей QuantumScape має бути виготовлений у 2026 році.

джерело: QuantumScape

Це може стати поворотним моментом для компанії, яка через 16 років після заснування перейде від багатообіцяючого стартапу з цікавою інтелектуальною власністю до отримання зростаючих доходів від партнерства з одним із найбільших автовиробників у світі.

Тим часом інвестори все ще повинні очікувати певної волатильності в ціні акцій, але з світлом у кінці тунелю розробки продукту.

Останнє на QuantumScape

Посилання на дослідження:

^{1. Парк Се Хван, та ін. (2025) Відмова в літієвих твердотільних батареях без резервуарів, спричинена розжаренням. Енергетичні листи ACS. 22 Лютого, 2025  https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.5c00004} 

^{2. Парк Се Хван, та ін. (2024). Кінетика літію в пористому прошарку Ag–C у безрезервуарних твердотільних батареях. Удосконалений енергетичний матеріал. 19 грудня 2024 р https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202405129} 

^{3. Стефані Елізабет Сандовал та ін. (2025). Електрохімікомеханіка безанодних твердотільних акумуляторів. Матеріали природи. 02 січня 2025 р https://www.nature.com/articles/s41563-024-02055-z}