Енергія
Натрієво-водневі твердотільні акумулятори виклик літієвим
Securities.io дотримується суворих редакційних стандартів і може отримувати винагороду за перевірені посилання. Ми не є зареєстрованим інвестиційним консультантом, і це не є інвестиційною порадою. Будь ласка, перегляньте наші розкриття партнерів.
Перехід за рамки літій-іонних
З електрифікацією всіх видів транспорту, починаючи з автомобілів, а незабаром вона охопить і вантажівки, кораблі та, можливо, навіть літаки, акумуляторні накопичувачі стали... ключ технологія десятиліття.
Спочатку домінувала літій-іонна технологія завдяки досвіду її виробництва для невеликої електроніки та властивим літію електричним властивостям.
Однак, літій-іонна технологія має кілька ключових проблем, які можуть обмежувати її впровадження:
- Він дорожчий і рідкісніший за інші метали, що потенційно обмежує його застосування акумуляторами надвисокої щільності або високоякісними продуктами.
- Він має тенденцію утворювати металеві дендрити, які можуть спричинити катастрофічні поломки та займання акумулятора.
- Він погано працює за мінусових температур, що робить його непридатним для холодного клімату та стаціонарного зберігання в холодних регіонах.
З усіх цих причин вчені та виробники акумуляторів досліджують альтернативні хімічні методи. Одним з них є використання натрію, одного з компонентів надзвичайно багатої та дешевої морської солі.
Натрій-іонні акумулятори незабаром досягнуть стадії масового виробництва, і компанія... КАТЛ (300750.СЗ) лідирує в цій галузі.
«Це не питання натрію чи літію. Нам потрібні обидва. Коли ми думаємо про рішення для зберігання енергії майбутнього, нам слід уявити, що один і той самий гігафабрика може виробляти продукти на основі хімічних речовин як літію, так і натрію».
Ширлі Менг- Професор молекулярної інженерії в Університеті медицини Чикаго.
Тим не менш, очікується, що як літій-іонні, так і натрій-іонні акумулятори стануть кроком до вдосконаленої технології акумуляторів: твердотільні батареї.
Спочатку зосереджена на літії, твердотільна технологія зараз розширюється в нових напрямках. Наприклад, ми обговорювали раніше можливість створення безанодного твердотільного акумулятора на основі натрію.
Нове дослідження показало, що метастабільна форма твердого натрієвого електроліту може бути використана для створення твердотільних натрієвих акумуляторів, які не тільки мають більшу щільність енергії, але й зберігають продуктивність навіть за мінусових температур.
Цю роботу виконали вчені з Каліфорнійського університету, Чиказького університету та Національного тайванського університету науки і технологій, і вона була опублікована в журналі Joule.1 під назвою "Метастабільні клозогідрідоборати натрію для повністю твердотільних акумуляторів з товстими катодами".
Проблеми твердотільних електролітів
У «звичайній» батареї катод і анод розділені рідким електролітом. Цей електроліт дуже корисний, але також дуже важкий і є основною причиною пожежі в несправних батареях.
Ось чому заміна його шаром твердого матеріалу робить акумулятор не тільки набагато щільнішим, але й безпечнішим. Однак, підтримка стабільності цього твердого електроліту та запобігання його набуханню під час заряджання або розряджання акумулятора (що призводить до тріщин) була проблемою.
Тверді електроліти натрію мають додаткову проблему, оскільки вони демонструють обмежену іонну провідність за кімнатної температури.
Альтернативою може бути використання такого матеріалу, як гідридоборат натрію, відомий своєю дуже високою іонною провідністю. Але для цього його метастабільну форму необхідно підтримувати в акумуляторі у великих масштабах.
«Ця метастабільна структура гідридоборату натрію має дуже високу іонну провідність, щонайменше на порядок вищу, ніж та, що описана в літературі, і на три-чотири порядки вищу, ніж у самого попередника».
Ширлі Менг- Професор молекулярної інженерії в Університеті медицини Чикаго.
Стабілізація твердофазних електролітів натрію
Під час виробництва акумулятора з гідридоборатом натрію матеріал при охолодженні має тенденцію рухатися до стабільної структури, відокремлюючи молекули NaBH4 від Na2B12H12.
Метастабільна форма існує за високої температури, змішуючи 2 кристали, що дозволяє набагато швидше переміщувати натрій в батареї, що призводить до більшої електричної ємності.
джерело: Джоуль
При швидкому охолодженні матеріалу в метастабільній формі кристал зберігає свою структуру, замість того, щоб повертатися до стабільної форми. Такий вид швидкого охолодження, який також називають гартуванням, є ключовим методом, що використовується у виробництві, зокрема в металургії для сталі та інших металів.
джерело: Джоуль
Відомий метод масштабованості
Вже було відомо, що для стабілізації хімічної структури часто корисним методом є гартування (швидке охолодження). Однак досі це ніколи не було продемонстровано в твердотільному електроліті.
Той факт, що це загальноприйнята практика, може значно допомогти зробити цю техніку масштабованою та прийнятою виробниками акумуляторів.
«Оскільки ця техніка налагоджена, ми маємо більше можливостей для масштабування в майбутньому».
Якщо ви пропонуєте щось нове або якщо є потреба змінити чи встановити процеси, то галузь буде менш охоче це приймати».
Сем О - Інститут дослідження та інженерії матеріалів A*STAR у Сінгапурі.
Товстий електрод та низькі температури
Більшість твердотільних конструкцій намагаються створити надтонкий катод, щоб максимізувати поверхню контакту та обмежити кількість «мертвого» матеріалу, який не зберігає енергію.
Гартування вирішує цю проблему, створюючи постійні пори, де може циркулювати іон натрію.
«Поєднання цієї метастабільної фази з катодом типу O3, покритим твердим електролітом на основі хлориду, може створити товсті катоди з високим площинним навантаженням, що виводить цю нову конструкцію за рамки попередніх натрієвих батарей».
Сем О - Інститут дослідження та інженерії матеріалів A*STAR у Сінгапурі.
Це створює цікавий конструкторський потенціал, оскільки збільшення товщини електрода в цьому конкретному випадку має покращити роботу акумулятора, а не погіршити його.
«Чим товщий катод, тим покращується теоретична щільність енергії батареї – кількість енергії, що утримується в певній області»,
Сем О - Інститут дослідження та інженерії матеріалів A*STAR у Сінгапурі.
Під час тестування катода дослідники виявили, що його продуктивність зберігалася за кімнатної температури і навіть нижче нуля — помітна перевага для роботи в холодному кліматі порівняно зі звичайними літій-іонними акумуляторами з рідким електролітом, хоча ширша перевага над комерційними літій-іонними акумуляторами на системному рівні ще не була продемонстрована.
Водень як носій заряду
Коли ми обговорюємо водень у зв'язку з транспортом та зеленою енергією, ми зазвичай маємо на увазі дигідроген (H2) та його спалювання або окислення у спеціалізованих двигунах або паливних елементах.
Але водень також може мати потенціал як ключовий компонент акумуляторів у майбутньому, замінивши літій або натрій. У такому разі замість нього використовується гідрид (H-).
Оскільки водень є найпоширенішим елементом у Всесвіті, це може зробити його особливо корисним для світу, який прагне бути повністю електрифікованим та працювати на зеленій енергії та батареях.
Китайські дослідники з Університету Китайської академії наук, Університету науки і технологій Китаю (USTC), Університету Цзілінь та Державної ключової лабораторії каталізу Китайської Народної Республіки повідомили у престижному науковому журналі Nature.2 концепція твердотільного гідридно-іонного акумулятора під назвою «Повністю твердотільний гідридно-іонний акумулятор, що перезаряджається за кімнатної температури".
Гідрид-іони
В батареях використовується негативний носій заряду для перенесення електронів між анодом і катодом. Теоретично, гідрид-іони (H−) є більш енергійними, поляризованими та реакційноздатними, ніж катіони, такі як літій або натрій.
Водень також є найменшим атомом, що робить його особливо легким, що є ключовим елементом для акумуляторів, що використовуються в транспорті.
Однак, незважаючи на ці добре відомі переваги, гідрид-іони досі не використовувалися в акумуляторах, оскільки жоден електроліт не зміг забезпечити поєднання швидкого руху іонів, термічної стабільності та сумісності електродів, яких потребують такі системи.
Поєднання провідності зі стабільністю
Дослідники синтезували новий композитний гідрид типу ядро-оболонка, 3CeH.3@BaH2, де тонкий шар BaH2 оболонка інкапсулює CeH3Ця структура використовує високу провідність гідридних іонів CeH2.3 і стабільність BaH2.
Використовуючи цей композитний матеріал оболонки як будівельний блок, дослідники створили CeH2|3CeH3@BaH2|NaAlH4 прототип повністю твердотільного гідридного іона. NaAlH4, класичний матеріал для зберігання водню, був використаний як активний компонент катода.
Видалення дендритів назавжди?
Окрім високої енергетичної ємності, гідрид-іони мають ще одну важливу перевагу: на відміну від катіонів металів, вони не можуть об'єднуватися один з одним, утворюючи дендрити, що є основною причиною більшості поломок акумуляторів після занадто великої кількості циклів заряду-розряду, що призводить до коротких замикань та пожеж.
Тож це може бути шляхом до безпечного, ефективного та сталого зберігання енергії.
Однак ця технологія набагато менш зріла, ніж літієві батареї або навіть натрієві батареї, і потрібен прогрес у підвищенні довговічності цієї конструкції.
Наразі дослідникам вдалося створити високу щільність енергії 984 мАг/г за кімнатної температури. Але ємність акумулятора знизилася до 402 мАг/г лише після 20 циклів.
Майбутнє твердотільних батарей
У найближчій перспективі акумулятори з використанням літій-іонної технології, ймовірно, залишаться основою зеленої енергії та електромобілів.
Однак у середньостроковій перспективі твердотільні акумулятори або натрієві (і твердотільні натрієві) можуть витіснити домінування літій-іонних, особливо якщо їм вдасться запропонувати достатньо високу щільність енергії за нижчою ціною.
Швидка зарядка твердотільних акумуляторів також може бути аргументом для водіїв, які неохоче переходять на електромобілі чи комерційне використання.
Довговічність та стійкість до низьких температур також будуть важливим фактором у рівнянні, оскільки протягом 2030-х років потенційно співіснуватиме широкий спектр паралельних хімічних складів акумуляторів, зокрема деякі спеціалізовані акумулятори для електромобілів у холодному кліматі.
Більше про ці теми ви можете прочитати в наших наступних статтях:
Проведіть пальцем, щоб прокрутити →
| Тип батареї | Щільність енергії | Цикл життя | Коштувати | зрілість |
|---|---|---|---|---|
| Літій-іонний | 250–300 Вт·год/кг | 1,000+ циклів | Високий | Комерційний |
| Натрій-іон | 160–200 Вт·год/кг | 1,000+ циклів | Опустіть | Масштабування (CATL) |
| Твердотільний (літієвий) | 350–500 Вт·год/кг | >2,000 циклів (ціль) | Високий (НДДКР) | Пілотний проект (2026–27) |
| Гідрид-іон | 984 мАг/г (прототип) | 20 циклів (струм) | Невідомий | Ранні дослідження |
Твердий стан Компанія з виробництва акумуляторів
QuantumScape
(QS )
З моменту свого заснування у 2010 році каліфорнійська компанія QuantumScape була відомим стартапом у сфері твердотільних акумуляторів, що примітно своєю ранньою появою в цій галузі та незалежністю від великих виробників акумуляторів, які також прагнуть розробки твердотільних технологій, таких як CATL (300750.СЗ), Samsung або LG Energy Solution (373220.KS).
джерело: QuantumScape
Одна унікальна особливість батарей QuantumScape, яка на момент своєї презентації вважалася революційною, полягає в тому, що вона використовує безанодну конструкцію.
Він дозволяє швидко заряджати акумулятор приблизно за 15 хвилин (10-80% при 45 ºC), а сепаратор є негорючим та 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 вражаючим результатам регулярно перешкоджала боротьба з нарощуванням виробництва. Це також змусило компанію витрачати всі свої готівкові кошти, що призвело до розмивання капіталу попередніх інвесторів та падіння цін на акції.
Відтоді це, здається, змінилося 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 збільшення масштабів виробництва QuantumScape пов'язане з Cobra, обладнання компанії для розділення твердотільних акумуляторів наступного покоління, прорив у виробництві кераміки.
Загалом Cobra має бути інтегровано у виробництво у 2025 році, а перший готовий електромобіль на акумуляторах 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.
Відносини з PowerCo стають тіснішими у 2025 році, С твердотільні акумулятори, що використовуються в мотоциклах Ducati, а також оскільки PowerCo надаватиме до 131 мільйона доларів нових платежів протягом наступних двох років після досягнення спільною командою з розширення певних етапів.
«Ця розширена угода є чітким сигналом зростаючої стратегічної, технічної та фінансової співпраці між двома компаніями».
Це відображає нашу спільну впевненість у QSE-5 як платформі, яка змінює правила гри в акумуляторній галузі».
Доктор Сіва Сіварам - Генеральний директор та президент QунатумSнакидка.
Тим часом інвестори все ще повинні очікувати певної волатильності в ціні акцій, але з світлом у кінці тунелю розробки продукту.
(Ви також можете ознайомитися з іншими компаніями-виробниками акумуляторів у США та за кордоном у нашій статті)
"10 найкращих акцій акумуляторів, у які варто інвестувати»).
Посилання на дослідження
1. Джин Ан Сем О та ін. Метастабільні клозогідрідоборати натрію для повністю твердотільних акумуляторів з товстими катодами. Джоуль. 102130. 16 вересня 2025 р. https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00311-3
2. Jirong Cui та ін. Повністю твердотільний гідридно-іонний акумулятор, що перезаряджається за кімнатної температуриПрирода. 17 вересня 2025 року. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09561-3
