Енергія
Нова стратегія інтерфейсу покращує іонний потік у твердотільних акумуляторах
Літій-іонні акумулятори стали світовим стандартом. Сьогодні це найпопулярніший і найширше використовуваний тип акумуляторів, розмір його ринку оцінюється приблизно в 65 млрд доларів В 2023.
Але, звичайно, вони не позбавлені недоліків, включаючи чутливість до температури, проблеми безпеки та обмежений термін служби.
Щоб зробити літій-іонні акумулятори безпечнішими та потужнішими, рідкі електроліти замінюються твердими для створення твердотільних акумуляторів, ринок яких... прогнозовані зростати зі середньорічним темпом зростання (CAGR) на рівні 41.6% між 2024 і 2032 роками.
Перехід до твердотільних акумуляторів (SSB)
У акумуляторі електроліт – це матеріал, який дозволяє іонам рухатися через пристрій для вироблення енергії.
Отже, акумулятор із твердим електролітом є твердотільним акумулятором, який забезпечує вищу щільність енергії, швидше заряджання, стійкість до температур, довший час роботи та підвищену безпеку.
Незважаючи на свою перспективність, SSB також стикаються з кількома проблемами, включаючи складне виробництво та потенційні проблеми безпеки, пов'язані з утворенням дендритів. Крім того, вони можуть зазнавати міжфазного розшарування, що обмежує їхню продуктивність та термін служби. Разом ці обмеження перешкоджають широкому впровадженню SSB.
Щоб подолати ці труднощі, дослідники та компанії по всьому світу активно працюють над удосконаленням технології.
Наприклад, Samsung SDI це націлювання щільність енергії 900 Вт·год/л завдяки запатентованим технологіям твердого електроліту та безанода, що на 40% вище, ніж у поточних акумуляторах.
Китайські гіганти CATL та BYD також роблять значні кроки в технології SSB, причому перша працює над гібридним «конденсованим акумулятором», а друга досліджує тверді електроліти на основі оксидів та сульфідів, обидві компанії прагнуть досягти щільності енергії 500 Вт·год/кг.
У ЄС Volkswagen співпрацює з QuantumScape (QS )Його підрозділ з виробництва акумуляторів, PowerCo, також уклав ліцензійну угоду на масове виробництво твердотільних елементів з початковою потужністю 40 ГВт·год на рік, на 30% більшим запасом ходу та надшвидкою зарядкою.
Nissan планує розпочати масове виробництво своїх перших твердотільних елементів до кінця десятиліття, тоді як LG планує комерціалізацію до 2030 року. Тим часом Solid Power співпрацює з Ford (F ), BMW та SK Innovation для прискорення комерціалізації технології повністю твердотільних акумуляторів з акцентом на тверді електроліти на основі сульфідів для електромобілів.
Раніше цього місяця німецька багатонаціональна автомобільна компанія Mercedes-Benz Group AG (раніше Daimler) представила перший автомобіль на дорозі з літій-металевим SSB. Прототип SSB був інтегрований в EQS наприкінці минулого року.
Компанія зазначила, що SSB в автомобілі на базі EQS може збільшити запас ходу на 25%.
Отже, хоча це ще триває, комерціалізація твердотільних акумуляторів (SSB) все ще триває кілька років. Тим часом команда дослідників з Техаського університету в Далласі знайшла спосіб підвищити продуктивність твердотільних акумуляторів.
Підвищення іонної провідності в SSB
опублікований в ACS Energy Letters, останнє дослідження детально описує відкриття підвищеної іонної провідності1 при змішуванні твердого електроліту з іншим твердим електролітом.
Ця підвищена іонна провідність спричинена утворенням шару просторового заряду на межі розділу, що забезпечує нову стратегію для розробки швидких іонних провідників для однофазних стовбурових електролітів (SSB). «Шар просторового заряду», що утворюється в результаті змішування дрібних частинок між двома твердими електролітами, являє собою накопичення електричного заряду на межі розділу між двома матеріалами.
Коли тверді електролітні матеріали, які знаходяться окремо, вступають у фізичний контакт, на їхній межі утворюється шар. На межі накопичуються заряджені частинки через різницю в хімічному потенціалі кожного матеріалу.
Цей шар потім допомагає створювати шляхи, які полегшують переміщення цих заряджених частинок або іонів по межі розділу. За словами співавтора дослідження, доктора Лайсуо Су, доцента кафедри матеріалознавства та інженерії в Школі інженерії та комп'ютерних наук Еріка Йонссона:
«Уявіть, що ви змішуєте два інгредієнти в рецепті та несподівано отримуєте результат, який кращий, ніж будь-який з них окремо».
Він додав:
«Цей ефект посилив рух іонів понад те, чого будь-який матеріал міг досягти самостійно», – додав він.
Дослідження доктора Су зосереджені на розробці революційних матеріалів для пристроїв відновлюваної енергії в галузі акумуляторних батарей. Окрім особливого інтересу до електролітів, як твердих, так і рідких, а також до межі електроліт-електрод, де відбуваються важливі реакції, він працює над створенням передових інструментів для моніторингу хімічних та електрохімічних реакцій, що відбуваються в обладнанні відновлюваної енергії.
«Це відкриття пропонує новий спосіб розробки кращих твердих електролітів шляхом ретельного вибору матеріалів, які взаємодіють таким чином, що посилюють іонний рух, що потенційно може призвести до створення більш продуктивних твердотільних батарей».
– Доктор Су
В рамках ініціативи UTD «Батареї та енергетика для просування комерціалізації та національної безпеки» (BEACONS), яка отримала фінансування у розмірі 30 мільйонів доларів від Міністерства оборони після запуску у 2023 році, проект спрямований на розробку та комерціалізацію нових технологій та виробничих процесів акумуляторів, покращення внутрішньої доступності критично важливої сировини та підготовку висококваліфікованих працівників для промисловості.
За словами співавтора дослідження, доктора Кьондже Чо, який також є професором матеріалознавства та інженерії та директором BEACONS:
«Технологія твердотільних акумуляторів є частиною наших досліджень хімії акумуляторів наступного покоління в центрі BEACONS, і очікується, що вона дозволить передовим системам акумуляторів покращити продуктивність безпілотників для оборонних застосувань».
Літій-іонні акумулятори, що зараз використовуються в споживчих товарах, переважно містять рідкі електроліти, які є легкозаймистими і тому створюють проблеми безпеки.
Оскільки звичайні літій-іонні акумулятори досягли своєї теоретичної межі щодо обсягу накопиченої енергії, SSB, за словами Су, демонструють потенціал для генерування та зберігання більш ніж удвічі більшої енергії, ніж акумулятори з рідкими електролітами. А оскільки вони не є легкозаймистими, вони також безпечніші.
Однак переміщення іонів через тверді матеріали є складним, що створює проблеми врозробка твердотільних акумуляторів.
Отже, дослідники вивчали ефективність двох перспективних твердофазних електролітних сполук (ТЕС). До них належать хлорид літію-цирконію (Li2ZrCl6) та хлорид літію-ітрію (Li3YCl6).
Потім дослідники запропонували теорію щодо того, чому змішування цих речовин посилило іонну активність. «Інтерфейс утворював унікальні канали для транспорту іонів», – сказав Су.
Рухаючись далі, дослідники продовжуватимуть вивчати, як склад, а також структура інтерфейсу призводять до більшої іонної провідності.
Вирішення проблеми дендритів у одноланцюгових об'єктивах (SSB)
Потреба в батареях з вищою щільністю енергії спонукала іншу команду дослідників працювати над критичною проблемою дендритів. Спочатку вважалося, що дендрити не можуть проникати крізь твердий електроліт. Але, як і інші архітектури батарей, вони також є проблемою для повністю твердотільних батарей.
Команда інженерів та вчених-матеріалознавців з кількох установ Китаю... відкритий2 що втома металу на аноді є однією з головних причин, чому SSB з часом виходять з ладу. Це також сприяє деградації інтерфейсу та росту дендритів.
Група використовувала скануючу електронну мікроскопію та моделювання фазового поля для вивчення росту дендритів у літієвих однофазних батареях (SSB).
Вони виявили, що під час заряджання та перезаряджання постійне набухання та стискання літію призводило до втоми металу в аноді, що сприяло росту дендритів. Більш конкретно, було виявлено, що постійне розширення та стискання призводило до розвитку мікропорожнин та тріщин на аноді, що, у свою чергу, спричиняло ріст та деградацію дендритів навіть за низьких щільностей.
Що стосується дендриту, то це деревоподібна структура, яка утворюється внаслідок хімічних реакцій на поверхні анода.
Аноди в акумуляторі проходять процеси літієвого покриття та зняття ізоляції під час циклів заряджання та розряджання. У цьому оборотному процесі іони літію осідають на поверхні анода (покриття) та видаляються (зняття ізоляції) з нього під час звичайних циклів заряджання та розряджання акумулятора.
Однак неоднорідне осадження літій-іонів на поверхні анода, як правило, призводить до утворення ділянок, які притягують більше літій-іонів, що призводить до подовження ланцюга іонів літію. Деревоподібна структура потім проникає крізь акумулятор, руйнуючи його структуру та спричиняючи коротке замикання.
У SSB (нержавіючих батареях з однофазним живленням) існує велика площа контакту між металевим літієм та твердим електролітом. І якщо в твердому електроліті з'являються будь-які порожнечі, металевий літій швидко їх заповнює, що призводить до серйозного утворення дендритів та поширення глибоких тріщин через електроліт.
Отже, Хегьом Кім, науковий співробітник з матеріалів Національної лабораторії імені Лоуренса Берклі в Каліфорнії, опублікований3 рішення цієї проблеми.
У їхньому дослідженні детально описано використання подвійного буферного шару олова та вуглецю на струмозбірнику для запобігання утворенню дендритів у літієвих, повністю твердотільних батареях (ASSB) без анода. У цій архітектурі SSB анод не будується заздалегідь, а формується під час першого циклу зарядки на струмозбірнику літій-іонами з катода, що зменшує складність, вагу та вартість.
У попередній статті дослідників Samsung було показано можливість використання шарів срібла та вуглецю як буферного шару в літієвих батареях, що забезпечує дуже стабільний та рівномірний цикл покриття та зняття літію.
Вивчивши, чому це було ефективно, команда Кіма виявила, що срібло дуже літофільне, а іони літію рівномірно вирівнюються поверх його шару, навіть за високих концентрацій літію, що робить літієве покриття дуже однорідним, якщо осадження срібла було рівномірним.
Однак розуміння ролі вуглецю тут лягло в основу нової роботи, де команда обрала олово, яке працює краще, ніж дороге срібло.
Щоб з'ясувати роль вуглецю, команда розробила кілька тестів і використала чотири різні напівелементи акумулятора. Один з буферним шаром олова, один без буферного шару, один з оловом поверх вуглецевого буферного шару і один з вуглецем поверх олов'яного буферного шару.
Шари були нанесені на струмозбірник з нержавіючої сталі, і буферний шар з вуглецем поверх олова показав найкращі характеристики.
«Ми зрозуміли, що олово діє як літофільний шар, подібно до срібла, тому розташування олова є важливим, оскільки саме там відбувається покриття».
- Кім
Виявилося, що вуглецевий шар є літофобним, що означає, що літій-іони насилу рухаються крізь цей шар, а радше прагнуть рухатися у протилежному напрямку. Розміщення його на олові запобігало міграції літію з щойно утвореного шару покриття на олові та зупиняло проникнення дендритів в електроліт.
За словами Кім:
«Йдеться не лише про внутрішні властивості одного матеріалу. Те, як ми їх поєднуємо, дуже важливо, оскільки це може суттєво змінити властивості бар'єрного шару».
Зараз команда працює над новими буферними шарами з кращою продуктивністю, тестує їх протягом триваліших циклів і переходить до більш практичних систем.
Видалення порожнеч для збільшення довголіття
Ще один прорив у наближенні однофазних акумуляторів (SSB) до реального застосування був зроблений завдяки розумінню того, чому додавання невеликої кількості металів, таких як магній, до анода покращує продуктивність акумулятора.
Хоча це робиться часто, досі не було відомо, чому це так.
Для цього дослідники з Х'юстонського університету за допомогою скануючої електронної мікроскопії дослідили все, що відбувається в одношарових акумуляторних батареях (SSB), щоб зрозуміти, чому вони ламаються та що можна зробити, щоб уповільнити цей процес.
«Це дослідження розгадує давню загадку про те, чому твердотільні акумулятори іноді виходять з ладу», — сказав автор дослідження Ян Яо, заслужений професор електротехніки та комп’ютерної інженерії імені Х’ю Роя та Ліллі Кранц Каллен і головний дослідник Техаського центру надпровідності.
Їх відкриття4, за словами Яо, дозволяє SSB працювати під нижчим тиском. Це потенційно може зменшити потребу в громіздкій зовнішній обшивці та підвищити загальну безпеку.
Було з'ясовано, що з часом всередині акумулятора утворюються крихітні порожнечі, що призводить до його виходу з ладу. Проведення кількох випробувань показало, що навіть додавання невеликої кількості елементів, таких як магній (Mg), може закрити ці порожнечі та допомогти акумулятору продовжувати функціонувати.
«Лише невеликою зміною хімічного складу акумулятора ми можемо значно покращити його продуктивність, особливо в практичних умовах, таких як низький тиск».
– Перший автор Ліхун Чжао, доцент кафедри електротехніки та комп’ютерної інженерії в Університеті Університету
Для роботи однофазних акумуляторів (SSB) потрібен високий зовнішній тиск у стеку, але, як зазначив Чжао, «ретельно регулюючи хімічний склад акумулятора, ми можемо значно знизити тиск, необхідний для його стабільної роботи».
Тим часом дослідники з Університету Міссурі використали чотиривимірну скануючу просвічуючу електронну мікроскопію (4D STEM) для... оцінити атомна структура батареї.
Вони виявили, що коли твердий електроліт торкається катода, він реагує та утворює міжфазний шар товщиною 100 нм, який блокує легкий рух літій-іонів та електронів, що, у свою чергу, обмежує продуктивність акумулятора.
Дослідницька група зараз планує перевірити, чи можуть тонкоплівкові матеріали, сформовані методом парофазного осадження (oMLD), забезпечити захисне покриття, «достатньо тонке, щоб запобігти реакціям» між твердим електролітом та катодними матеріалами, «але не настільки товсте, щоб блокувати потік літій-іонів».
Використання штучного інтелекту для сприяння дослідженням та розробкам SSB
З штучний інтелект трансформує галузі, цілком логічно, що дослідники також користуються його допомогою для вирішення проблеми досліджень та розробок SSB, які є ресурсомісткими та трудомісткими.
Складне хімічне середовище SSB фактично ускладнює прогнозування продуктивності та затримує масштабну індустріалізацію.
В вчитися5 Минулого тижня інженери з Сучжоуського університету та Нанкінського університету (Китай) вказали на потенціал штучного інтелекту для забезпечення ефективного скринінгу матеріалів та прогнозування їхньої продуктивності. Зазначається, що останні досягнення у використанні алгоритмів машинного навчання (ML) можуть бути використані для аналізу великих баз даних матеріалів та пришвидшення пошуку високопродуктивних матеріалів, придатних для одношарових сплавів (SSB).
Стрімкий розвиток технології штучного інтелекту, згідно з дослідженням, надає нові ідеї для вирішення основних проблем, пов'язаних з однофазними батареями (SSB), а саме: анодний інтерфейс, катодний інтерфейс, синтез та відкриття електролітів, а також виробництво акумуляторів.
Дослідники зі Сколтеху та Інституту AIRI також скористалися перевагами нейронних мереж і виявили, що вони здатні ідентифікувати перспективні матеріали для твердого електроліту, а також його захисних покриттів.
«Ми продемонстрували, що графові нейронні мережі можуть ідентифікувати нові матеріали для твердотільних акумуляторів з високою іонною рухливістю та робити це на порядок швидше, ніж традиційні методи квантової хімії», що потенційно пришвидшує розробку нових матеріалів для акумуляторів, сказав провідний автор дослідження Артем Дембицький.
Використовуючи підхід, прискорений машинним навчанням, дослідники визначили сполуки Li3AlF6 та Li2ZnCl4 як перспективні матеріали для покриття суперіонного літієвого провідника Li10GeP2S12.
Інвестування в технологію SSB
Коли йдеться про інвестування в компанію, яка активно розвиває технологію твердотільних акумуляторів, Toyota (TM ) пропонує солідний потенціал.
Японський автовиробник уклав партнерство з Panasonic для... форму спільне підприємство під назвою Prime Planet Energy & Solutions, що спеціалізується на твердих електролітах на основі сульфідів. Компанія планує розпочати виробництво наступного року, а масове виробництво очікується не раніше 2030 року, з метою забезпечення запасу ходу 1,000 км, швидкої зарядки за 10 хвилин та річної потужності 9 ГВт·год.
Вона також співпрацює з Idemitsu Kosan для масового виробництва електролітів на основі сульфідів до 2027–2028 років.
Toyota Motor Corp (TM )
Співпраця Toyota з твердотільними акумуляторами розпочалася майже два десятиліття тому зі створенням відділу досліджень акумуляторів, метою якого є розробка акумуляторів наступного покоління для гібридних та електричних автомобілів.
Що стосується ринкових показників Toyota Motors, то вони були досить сильними, а її акції зараз торгуються на рівні $183.60. Хоча з початку року вони впали на 4.87%, вони зросли більш ніж на 17% з квітневого мінімуму. Тільки минулого року, у березні, ціна акцій компанії перевищила $255, досягнувши нового максимуму.
(TM )
З огляду на це, ринкова капіталізація компанії становить 292.4 мільярда доларів, прибуток на акцію (TTM) компанії Toyota становить 24.01, а коефіцієнт P/E (TTM) – 7.71. Компанія навіть пропонує привабливу дивідендну дохідність у розмірі 3.27%.
Фінансові результати компанії за 1 квартал 2025 року показав Його чистий дохід зріс на 6.5% до 314 мільярдів доларів, тоді як операційний прибуток зменшився більш ніж на 15% до 31.3 мільярда доларів. За цей період компанія продала загалом близько 9,362,000 81,000 XNUMX одиниць. Незважаючи на зменшення продажів на XNUMX XNUMX одиниць за квартал, Toyota все ще залишалася брендом, що найбільше продавався.
Це сталося після того, як Toyota продала 10.8 мільйона автомобілів у 2024 році, ставши лідируючою у світі. найбільш продавані автовиробник п'ятий рік поспіль.
Останні новини та події щодо акцій Toyota Motor Corp. (TM)
Висновок: Майбутнє твердотільних акумуляторів
Твердотільні акумулятори обіцяють багато переваг порівняно з широко використовуваними літієвими акумуляторами. Хоча вони пропонують кращу безпеку, щільність енергії та довговічність, такі проблеми, як міжфазне розшарування та утворення дендритів, все ще перешкоджають їх масовому впровадженню.
Тут останнє відкриття, що змішування певних твердих електролітів створює «шар просторового заряду», який покращує рухливість іонів, являє собою багатообіцяючий новий напрямок. Завдяки таким проривам, а також постійним експериментам компаній, односторонній заряд нарешті може стати придатним для реального використання в мобільних пристроях та електромобілях.
Посилання на дослідження:
1. Ван, Б., Лімон, МСР, Чжоу, Ю., Чо, К., Ахмад, З., та Су, Л. (2025). Ефект 1 + 1 > 2, викликаний об'ємним зарядом у твердих електролітах. Енергетичні листи ACS, 10 (3), 1255 – 1257. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c03398
2. Ван, Т., Чен, Б., Лю, Ю., Сонг, З., Ван, З., Чен, Ю., Юй, К., Вен, Дж., Дай, Ю., Канг, К., Пей, Ф., Сюй, Р., Луо, В., та Хуан, Ю. (2025). Втома літієво-металевого анода в твердотільних акумуляторах. наука, 388 (6744), 311 – 316. https://doi.org/10.1126/science.adq6807
3. Аввару, В.С., Огунфунмі, Т., Чонґ, С., Діалло, М.С., Ватт, Дж., Скотт, М.К. та Кім, Х. (2025). Подвійний буферний шар олово-вуглець для придушення росту літієвих дендритів у повністю твердотільних батареях. ACS Nano, 19 (18), 17347 – 17356. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c16271
4. Чжао Л., Фен М., Ву Ч. та інші Візуалізація еволюції межі розділу літій-твердий електроліт за допомогою операндо-скануючої електронної мікроскопії. Nat Commun 16, 4283 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59567-8
5. Ван, С., Лю, Дж., Сун, Х. та інші Штучний інтелект надає твердотільним акумуляторам можливості для скринінгу матеріалів та оцінки продуктивності. Nano-Micro Lett. 17, 287 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-025-01797-y
