Плюсове и минуси на твърдотелните батерии. Ще успеят да спасят електричките?

От няколко години насам твърдотелните батерии са представяни като следващата голяма стъпка за електромобилите. Съществува консенсус, че те ще удвоят пробега на електричките. Човек би си предположил, че производителите на автомобили и доставчиците на батерии ще инвестират възможно най-много в тази технология.

В същото време докладите са изключително противоречиви относно това дали изобщо са жизнеспособни. През януари 2024 г. учени от Харвардския университет разработиха нова твърдотелна батерия. Тя може да се зарежда за 10 минути, без това да се отразява на продължителността на живота. Както знаем, батериите на електромобилите имат склонност да се влошават с течение на времето.

Малка новина, която електропроповедниците така и не успяват да чуят

През април 2024 г. основателят и главен изпълнителен директор на CATL (Contemporary Amperex Technology Company Limited) заяви, че твърдотелните батерии не са безопасни и че те не са универсалното решение, на което всички се надяват. Д-р Робин Зенг е начело на най-големия производител на батерии на Земята. Наблюдавал е как инженерите на компанията му се трудят в продължение на десет години, без да постигнат значим напредък.

И двата източника са надеждни и знаят за какво говорят. Дали твърдотелните батерии са следващият момент от типа “Ford Model T”, или концепцията ще се провали като GM EV1?

За да разберем това, ние се потопихме в технологията, за да открием плюсовете и минусите и да се надяваме да разкрием смислено заключение. Но преди да пристъпим към това, си струва да обясним какво всъщност представляват твърдотелните батерии.

Тази статия съдържа редица хипотетични и теоретични твърдения, тъй като технологията на твърдотелните батерии все още не е проверена в реални сценарии. Всички тези твърдения са подкрепени от научноизследователски документи и оценки, направени от автомобилни производители и специалисти по акумулаторни технологии.

Според NewScientist ключовата дума тук е твърдo

Повечето електронни устройства, като автомобили, телефони, таблети и лаптопи, използват 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 идея, когато става въпрос за твърдотелни батерии, е да се замени споменатата течност с твърдо вещество. Това е най-основното обяснение и звучи доста лесно, нали?

Малко по-сложно е, защото твърдотелните батерии технически не трябва да разчитат на литий, който е мръсен елемент за добив. Една твърдотелна батерия би могла да използва сулфид или керамика. Трябва да се каже, че повечето твърдотелни батерии, които се разработват в момента, все още разчитат в голяма степен на въглерод, фосфати и литий. За анода се използва литий, а за катода – оксиди или сулфиди.

Твърдотелните батерии не са нова концепция

Майкъл Фарадей пръв открива твърдите електролити през 30-те години на XIX век, но не прави нищо с изследването. През 1986 г. Кейичи Канехори прави тънкослойна твърдотелна батерия. Тя не може да захранва нищо по-голямо от часовник, така че идеята е забравена. Истинският баща на батерията е Джон Гудену. Той е и баща на литиево-йонната батерия. Гудену умира през 2023 г. на 100-годишна възраст. Той посвещава по-голямата част от живота си на изследванията на батериите. През 2017 г. представя вероятно първата в света жизнеспособна твърдотелна батерия.

От 2018 г. нататък са създадени няколко компании, специализирани в тази технология. Примери за това са Solid Power, Quantumscape и Marata Manufacturing.

Предимства на твърдотелните батерии

Преди да започнем, си струва да отбележим, че не всички положителни качества на твърдотелните батерии са научно доказани. Някои от тях все още са в теоретична фаза. Стандартният научен метод (или емпиричен метод) изисква теория, системно наблюдение, измерване и експеримент, както и формулиране, проверка и промяна на първоначалните хипотези.

Фолксваген, който е част от съвместно предприятие с Quantumscape, прие доставката на прототипи на твърдотелни батерии през 2023 г. Полученият акумулаторен пакет не е монтиран на автомобил. Вместо това вътрешното подразделение на VW за акумулатори, PowerCo, подлага пакета на няколко теста. След 1000 цикъла на зареждане (малко над 498 000 км) пакетът е загубил само пет процента от капацитета си. 

Твърдотелните батерии имат по-дълъг живот

Както вече споменахме, твърдотелните батерии на VW и Quantumscape са загубили само пет процента от капацитета си след 1000 цикъла на зареждане. Сегашният приемлив стандарт е 20% загуба след 700 цикъла на зареждане. Тези цифри сами по себе си са безсмислени, затова нека използваме реален продукт на VW, за да ги демонстрираме.

Volkswagen ID.4 в модификациите Pro, Pro S и Pro S може да измине 468 км с пълно зареждане. Прилагайки настоящия стандарт, 700 зареждания биха довели до 326 000 км пробег. Ако приложим 20% загуба, акумулаторната батерия ще може да издържи само 374 км. Ако приложим уж новата технология, 1000 зареждания биха довели до пробег от 468 000 км. След тези зареждания загубата ще бъде само 5%, което означава, че този хипотетичен акумулаторен пакет ще бъде пробег от 455 км.

Според последните проучвания, проведени от The Zebra, американците задържат автомобилите си в продължение на осем години или около 320 000 км. Традиционната литиево-йонна батерия ще ви осигури само малко повече, докато твърдотелната батерия теоретично ще ви осигури много повече.

Твърдотелните батерии са с по-голяма енергийна плътност

Според проучване, публикувано от ScienceDirect (Are Solid-State Batteries More Environmentally Friendly Compared To Traditional Batteries?), настоящата технология на литиево-йонните батерии е достигнала своя връх по отношение на енергийната плътност. Тази плътност е основно количеството енергия, което се получава на килограм. Горната граница за това, което сега считаме за традиционни батерии, е 350 Wh на 1 кг.

Твърдотелните батерии могат да осигурят до 500 Wh на 1 кг. Това е 30% увеличение на пробега при същото тегло. Отново можем да разгледаме тези цифри в контекст, като използваме за пример типичен електрически автомобил.

Сравнение на твърдотелните батерии 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 увеличение на капацитета на батерията и пробега се основава на 30% увеличение, разгледано по-горе.
**Предполага се 12% степен на влошаване на качеството въз основа на доклада на Tesla за въздействието през 2022 г.
***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 позволява да измине 498 км между презарежданията. Ако Tesla замени сегашната батерия с твърдотелна батерия със същото тегло, автомобилът ще увеличи пробега си с 150 км. Това ще го постави по-високо в списъка на електромобилите с най-дълъг пробег. Още по-важно е, че дори след цял живот употреба (320 000 км), твърдотелен Model Y теоретично ще има по-голям остатъчен пробег от настоящия автомобил като чисто нов.

Производителите могат да използват по-малки батерии

Използването на твърдотелната технология за създаване на батерии с еднакво тегло обаче би било контрапродуктивен ход. Средностатистическият американец изминава само 68 км на ден. Пробег между 400 и 480 км е напълно достатъчен. Това е добрият стар спор: пробег или инфраструктура. Той се свежда до това, че хората не разбират концепцията, че не е необходим възможно най-голям пробег. Наличието на къща със зарядно устройство от второ ниво е най-доброто решение. С него се слага край на кошмара, свързан с притежаването на електромобил.

Има голяма вероятност производителите на автомобили да използват твърд електролит, за да намалят размера и теглото на електромобилите. Теглото е един от най-големите врагове на всички автомобили. Тежкият автомобил изисква повече енергия, за да се движи, и има по-голямо съпротивление при търкаляне. Това води до по-бързо износване на гумите.

”Отслабването” на електромобила е от полза не само за собственика, но и за широката общественост.

По-малко тегло означава по-безопасни пътища за всички

Електромобилът GMC Hummer EV е най-крещящият пример за проблема, от който страдат всички електрически превозни средства. Той използва 205 kWh акумулаторна батерия. Тя е приблизително два пъти по-голяма от стандартната в индустрията. Благодарение на този огромен акумулаторен пакет теглото на автомобила надхвърля 4000 кг. В съчетание с времето за ускорение от 0 до 100 км/ч от 3,5 секунди, получавате огромен обект, който може да създаде големи главоболия за по-малко от четири секунди. Ние обаче не сме единствените, които се притесняват от теглото.

Застрахователният институт за пътна безопасност (IIHS) започна да актуализира системите си за краш тестове за тежки EV пикапи, включително Hummer, Ford F-150 Lightning и Rivian R1T. IIHS обяви тези актуализации през декември 2022 г., а до март 2023 г. призова за по-ниски ограничения на скоростта. Защо? Защото електрическите превозни средства са твърде тежки.

Rivian R1T официално 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 г. Kia Telluride е един от само петте средно големи SUV автомобила, които са получили Top Safety Pick + от IIHS. Това го превръща в един от най-безопасните семейни SUV, които можете да си купите, но представете си какво би се случило, ако участва в челен сблъсък със 3100-килограмовия R1T. Kia тежи 2260 кг. Това прави Rivian почти с една Mazda Miata по-тежък от триредовия SUV с 3,8-литров V6. Няма система за безопасност, която да може да победи физичните закони.

Твърдотелните батерии се зареждат по-бързо

След повече от десетилетие напредък средното време за зареждане все още е приблизително 20 до 40 минути. Знаем, че привържениците на електрическите превозни средства ще кажат, че можете да използвате това време, за да ядете, за няколко кафета или да се разтегнете. Хората просто не пътуват по този начин. Този аргумент е валиден и само ако приемете, че ще искате да ядете на всеки 480 км. Повечето хора, които пътуват на дълги разстояния, просто искат да ги изминат с минимални проблеми.

Както споменахме в началото на тази статия, учени от Харвард вече са разработили твърдотелна батерия, която може да се зарежда в рамките на 10 минути. Това е много по-приемливо и много по-близо до петте минути, които са необходими за зареждане на автомобил с ДВГ.

При този сценарий 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 само 20 загубени минути. С настоящите технологии за акумулатори ще стоите на място 40 минути при идеални условия.

Не само учените от Харвард правят това твърдение. Твърдотелните батерии от първо поколение на Toyota ще се зареждат със същата скорост. Ако се появят през 2027-2028 г.

Твърдотелните батерии са по-щадящи за околната среда. Евентуално

Компанията Transport & Environment, специализирана в анализ на жизнения цикъл на суровините, установи, че твърдотелните батерии могат да намалят въглеродния отпечатък на един електромобил с 39%. Както повечето хора вече знаят, няма такова нещо като автомобил с нулеви емисии.

Веднага щом първата тежка машина започне да копае в земята, електромобилът започва да отделя емисии. По-малкият пакет очевидно изисква по-малко суровини. Спестяването е по-скоро от страна на добива. Една твърдотелна батерия ще изисква 35% повече литий, но по-малко графит и кобалт.

За съжаление, има някои уговорки, за които си струва да се знае, но ще ги разгледаме в раздела за минусите.

Твърдотелните батерии са по-безопасни

Течните електролити, за които споменахме по-рано, са запалими и са основната причина за термичния теч. Пожарите в електромобилите се оказват и един от основните аргументи на противниците на електромобилите. Те са също толкова досадни, колкото и електроталибаните. В твърдо състояние тези електролити не са запалими и могат да издържат на по-високи температури. Така че, въпреки че няма изследвания, които емпирично да твърдят, че електромобилите са по-склонни към запалване от автомобилите с ДВГ, твърдотелните батерии би трябвало поне да осигурят по-добра репутация на електромобилите. За съжаление, това е още един „плюс“, който идва с уговорка.

Като гледате горните плюсове, вероятно се чудите защо твърдотелните батерии не са вече оборудвани във всеки автомобил. Mustang Mach-E Rally с двойно по-голям пробег звучи като дебела филия бял хляб, печена върху котлон от старите, намазана с масло и поръсена с чубрика. Демек съвършено. Lucid теоретично може да пусне Air с пробег от над 1600 км.

Така ще приключим с всякакви тревожности по отношение на пробега. Но както е при всички нови технологии, твърдотелните батерии имат проблеми с концепцията си. За съжаление, тези проблеми са доста сериозни. Поради това някои автомобилни производители дори не се интересуват от тях или се налага да отложат въвеждането им най-рано за 2030 г. 

Най-големите недостатъци на този етап са:

Учените не разбират напълно явлението твърдо състояние

Една от главните причини за забавянето на твърдотелните двигатели е явлението, наречено „електрически двоен слой“ (EDL). Както е обяснено от Science Daily, това е „микроскопична дисперсия на един вид частици в друго вещество“. За тези от нас, които не владеят науката, между положителния електрод и твърдия електролит има електрическо съпротивление, което се влошава при излагане на въздух. Учените не разбират какво се крие зад него и дори след като го разберат, все още трябва да намерят решение.

„[Това представлява] проблем при литиевите батерии с изцяло твърдо състояние.“

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

Забавянето на въвеждането на твърдотелните батерии може да има тежки последици за технологията. Това не е единствената алтернатива. Има и други, включително литиево-серни, безкобалтови, натриево-йонни и желязо-въздушни батерии, които се стремят да се превърнат в решение. Твърдотелните батерии трябва да се конкурират и с алтернативи, които ще поддържат вътрешното горене живо, като синтетичните горива.

Технологията струва твърде скъпо

Подобно на повечето нови технологии е необходимо време, за да се намалят разходите. Вече повече от десетилетие използваме традиционната BEV технология, а до ценовия паритет остават още години. За да бъдат достъпни твърдотелните батерии, производството трябва да се увеличи драстично.

Това няма да се случи скоро, както заявиха от Toyota. Нейната първа партида от автомобили с твърдотелна технология ще се състои само от „няколко десетки хиляди автомобила“. Това може да звучи като много, но миналата година Toyota е произвела повече от 11 милиона автомобила. В сравнение с тази цифра, десетки хиляди са малък процент.

Тези батерии не могат да работят на студено

Традиционните литиево-йонни батерии не работят оптимално в студено време, но твърдотелните батерии добавят още едно ниво на сложност. Понастоящем производителите на автомобили използват системи за топлинен мениджмънт, за да поддържат оптимална работна температура на акумулаторните батерии.

Използването на същите системи в твърдотелна система не е възможно, тъй като компонентите трябва да се съхраняват под огромно налягане, за да се предотврати образуването на дендрити. Необходимото налягане е повече от 250 MPa. Това е в мегапаскали и е една от най-добрите измервателни системи, изобретявани някога. Един мегапаскал е налягането на един милион банкноти. Не знаем дали това са един милион „десетки“ или един милион “стоянки”. Така или иначе, налягането в твърдотелната батерия е равносилно на това да имате 250 милиона долара в банкноти, подредени на гърдите си.

Досаден растеж на дендритите

Както може би вече сте разбрали, твърдият литий е много важна част от твърдотелната батерия. За съжаление, литият в това състояние има склонност да образува дендрити. Това е неравномерен растеж, който може да се насочи във всяка посока и е достатъчно остър, за да пробие други части на батерията.

Това не е перфектното нещо, ако трябва да се справите с налягане от банкнотите от 250 милиона долара. Най-добрият начин да илюстрирате дендрита е като използвате най-известния пример, а именно кристалите. Погледнете кристалното образувание по-долу и си представете колко щети може да нанесе то на вътрешността на акумулаторната батерия.

Същите учени от Харвард, за които споменахме по-рано, твърдят, че техният прототип на твърдотелна батерия е по-устойчив на тези дендрити. За целта използва силициеви частици с размер на микрона в областите, където йоните се прикрепят по време на зареждането. Но увеличаването на този подход до нивото, необходимо за преминаването на цялата автомобилна индустрия към твърдотелни батерии, е съвсем друго предизвикателство.

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

Твърдотелните батерии са екологични само при подходящи условия

По-рано се позовахме на проучване на Transport & Environment, според което твърдотелните батерии могат да намалят въглеродния отпечатък на един електромобил с 39%. Това ще се случи само ако някои правителства успеят да се споразумеят за набор от разпоредби, които ще направят производството на литий по-чисто за околната среда.

Съществуват по-нови модели на добив, като например геотермални кладенци. Този метод има много по-ниско въздействие върху околната среда. Китай е най-големият производител на литий в света и вече разполага с огромна инфраструктура за добив.

Европейският съюз също иска да въведе система за устойчиво снабдяване с литий, но отново няма контрол върху Китай. Всички тези идеи са добри, но нямат никаква стойност, освен ако не успеят да убедят Китай да промени изцяло своята минна инфраструктура.

Твърдотелните батерии не са толкова безопасни, колкото се смяташе първоначално

Главният изпълнителен директор на CATL направи сензация, когато заяви, че твърдотелните батерии са непрактични и опасни. Според д-р Робин Зенг, известен още като Краля на батериите, твърдотелните батерии имат проблеми с налягането. Това представлява опасност и при зареждане, тъй като батериите се разширяват. А инженерите не могат да заобиколят проблема с налягането заради дендритите, за които споменахме по-горе.

И макар че тези батерии може и да не се запалят, те вероятно представляват по-голяма заплаха за водачите и пътниците. Ако батерията бъде пробита в случай на инцидент, съдържанието ѝ ще реагира с кислорода, създавайки литиев хидроксид, който е токсичен за хората. По принцип ще висите с главата надолу в балон от токсични изпарения и поради това спасителите няма да могат да стигнат до вас.

Заключение: Статутът на спасител е под въпрос

Списъкът с плюсовете несъмнено е впечатляващ, но не трябва да забравяме, че повечето от тях са теоретични. Малкото доказателства, с които разполагаме, са направени в лаборатория, а не в реалния свят. Въвеждането на технологията, което постоянно се отлага, също е обезпокоително.

От сега до 2030 г. могат да се случат много неща. В други технологии за батерии се постига огромен напредък и това е преди да се вземат предвид политическите промени, които могат да преобърнат целия сегмент на електромобилите.

Най-голямото ни безпокойство е свързано с препятствията, които технологията все още трябва да преодолее. Учените буквално не знаят защо твърдотелните батерии правят определени неща, което означава, че жизнеспособно решение далеч не е готово. Второ, проблемът с налягането е голям. Намаляването на налягането води до огромен проблем, а увеличаването му – до още по-голям – „Параграф 22“.

Бихме ли ги отписали напълно? Все още не съвсем, защото през последното десетилетие хората създадоха някои невероятни технологии. Започнахме с Model S с пробег от 420 км, а сега Lucid Air с повече от 800 к.с. може да измине 830 км между зарежданията.