Прорыв в аккумуляторных технологиях: скоро появятся литий-металлические аккумуляторы

Почти все, что имеет аккумулятор, использует литий-ионную технологию. Изучаются альтернативы для удовлетворения высоких энергетических потребностей все более крупных смартфонов, более мощных компьютеров и электромобилей с большим запасом хода.
Одним из перспективных вариантов является литий-металлическая батарея. Пока, однако, у нее есть один большой недостаток. Срок службы примерно вдвое меньше, чем у литий-ионного аккумулятора. Калифорнийский стартап Cuberg, который в 2021 году перешел во владение шведской компании Northvolt, утверждает, что решил проблему.

Более долговечный, чем литий-ионный аккумулятор

Литий-металлические элементы Cuberg были переданы в независимую испытательную лабораторию. Там был использован стандартизированный тест для проверки того, как часто аккумуляторы можно разряжать и заряжать до тех пор, пока емкость не упадет до 80% от исходной максимальной емкости. Для перезаряжаемых аккумуляторов вполне нормально терять емкость при зарядке и разрядке — именно поэтому аккумуляторы в смартфонах не служат так долго, как в начале эксплуатации.
В лаборатории было установлено, что литий-металлические элементы выдержали 672 цикла зарядки, прежде чем достигли отметки 80%. Это значительное увеличение по сравнению с 370 циклами, достигнутыми предыдущей моделью стартапа.
Это означает, что будущие литий-металлические батареи будут не только иметь такой же срок службы, как литий-ионные, но возможно и дольше. Целевой показатель в 500 циклов зарядки стандарт для многих современных литий-ионных аккумуляторов.
Cuberg предполагает, что готовые к производству литий-металлические батареи будут иметь еще более длительный срок службы. В большинстве современных аккумуляторов используются оптимизированные процедуры зарядки. Они снижают нагрузку на компоненты батареи и, таким образом, увеличивают срок службы. В текущем лабораторном тесте не использовались оптимизированные процедуры зарядки. И если они будут использоваться, литий-металлические батареи смогут дольше сохранять высокую емкость.

Как работает литий-металлический аккумулятор

Cuberg использует в своих элементах электродный материал, который образует слой лития вокруг анода и катода. Эта оболочка сохраняет слой материала, который хранит ион лития в литий-ионном аккумуляторе. Чем меньше слоев, тем больше места для хранения энергии.

Недостатком металлического лития является то, что литиевые отложения могут образовываться на электродах неравномерно. После многих циклов зарядки могут образоваться дендриты, что может вызвать короткое замыкание. Кроме того, металлический литий очень реакционноспособен. Он может реагировать с химическими веществами в электролите, который находится между анодом и катодом. Это затрудняет формирование желаемого литиевого слоя.
Cuberg решает проблему с помощью электролита собственной разработки. Это ионная жидкая соль с добавлением химических веществ для повышения стабильности. Металлический литий все еще может реагировать с ним, но создает гладкую поверхность, защищающую электроды.
В отличие от твердотельных батарей, решение Cuberg почти полностью совместимо с существующими материалами батарей и методами производства. Единственным исключением здесь является электролит.

На 40% больше емкости

Реальным преимуществом литий-металлических аккумуляторов является более высокая плотность энергии. При одинаковом размере литий-металлический аккумулятор может иметь большую емкость, чем литий-ионный.
По словам Cuberg, можно достичь плотности энергии 380 ватт-часов на килограмм. Литий-ионные батареи обычно потребляют около 270 Втч/кг. Это соответствует увеличению мощности на 40%.

Продукт готов к серийному производству через 3 года

Cuberg рассчитывает начать поставки готовых к производству литий-металлических аккумуляторов в 2025 году. Однако аккумуляторов в смартфонах, ноутбуках или электромобилях не будет: первая цель — это eVTOL (электрический вертикальный взлет и посадка), то есть аэротакси и «летающие автомобили».
По словам Cuberg, причиной этого является цена. Первые партии будут значительно дороже в производстве, чем нынешние перезаряжаемые батареи. Это противоречит современным тенденциям в автомобильной промышленности. Клиентам часто рекламируется высокий пробег. Однако производители электромобилей очень сильно отстают от снижения стоимости киловатт-часа. Только когда это будет достигнуто до определенного уровня, электромобили должны быть такими же дешевыми, как сопоставимые модели с двигателями внутреннего сгорания.
В авиации цена играет меньшую роль. Технология eVTOL в настоящее время в первую очередь направлена на снижение веса. Причиной этого являются авиационные правила. Поскольку eVTOL должны летать в городских районах, они должны иметь особенно большое количество механизмов безопасности, например, для предотвращения возгорания аккумуляторов. Эти средства защиты означают дополнительный вес, а больший вес означает меньшую дальность полета и меньшую вместимость для пассажиров. При той же емкости литий-металлический аккумулятор значительно меньше и легче литий-ионного аккумулятора.
По словам Cuberg, разработчикам eVTOL и электрических самолетов придется полагаться на литий-металлические батареи. Предписанные меры безопасности сделают литий-ионный аккумулятор настолько тяжелым, что разрабатываемые в настоящее время аэротакси не смогут достичь желаемой дальности полета. Boeing, который также работает над eVTOL, ранее инвестировал в Cuberg в 2018 году.

Будущее с литий-металлическими батареями через 10 лет

На следующем этапе электрогрузовики потенциально интересны для дальних поездок с целью реализации литий-металлической технологии. Cuberg ожидает, что ее батареи будут оптимизированы и будут стоить так же, как литий-ионные батареи, примерно через 10-15 лет. Самое позднее к тому времени можно ожидать, что литий-металлические батареи также будут использоваться в смартфонах и ноутбуках.
Другие компании также проводят интенсивные исследования литий-металлических аккумуляторов и способов увеличения срока их службы. Также проводятся исследования других комбинаций, таких как литий-воздух, литий-сера или ионы магния.