Зелен хайвер ли са обещанията за твърдотелни батерии?

Електромобилите може и да ни дадат по-екологичен и достатъчно бърз транспорт напоследък. Но ако искат да спечелят обичта на класическите автомобилни фенове, те трябва да предложат и пъргавина - каквато сега нямат заради огромното тегло на батериитe, писа прочутият инженер Джейсън Фенске в стотия за R&T. Фенске, чийто канал в YouTube - EngineeringExplained - вече има над 3.6 милиона абонати, вижда надежда за промяна в т. нар. твърдотелни батерии, тоест батерии с твърд електролит. Но предупреждава, че масовото им въвеждане няма да е толкова лесно и скорошно, колкото обещават някои компании.              Големите батерии доставят достатъчно енергия за по-бързо ускоряващите електромобили, но са изключително тежки, напомня Фенске. Едно иновативно решение е твърдотелната батерия – която потенциално предлага два пъти по-голям заряд и тежи наполовина по-малко спрямо сегашния стандарт - за бъдеще, което не включва само тромави SUV модели и пикапи.

През последното десетилетие производителите на автомобили предоставиха непрекъснат поток от вдъхновяващи и революционни технологии, наред с още толкова неизпълнени обещания и подвеждащи реклами. Автономно управление, изкуствен интелект, твърдотелни батерии – все маркетингови кампании, пълни с наелектризиращи думи, които ви уверяват, че това бъдеще е близо, докато вашият електромобил едва успява да постигне 80% от обещания пробег. Светът на технологиите винаги ще бъде смесица от факти и фантазия, но поне обещанието за твърдотелни батерии е реално.         Днешните електрически автомобили използват литиево-йонни батерии. Вътре в батерията възниква реакция, при която литиев йон преминава през течен електролит от едната страна на батерията до другата, след като отдели електрон. Изхвърлените електрони захранват електрическия мотор, който задвижва колата. Твърдотелните батерии премахват този течен електролит в полза на твърд аналог. Въпреки че разликата изглежда твърде елементарна, химията е сложна, а последиците от ефективността са драматични.

Течните електролити са летливи и лесно запалими, докато твърдите могат да бъдат инертни, което води до подобрена безопасност - ключов фактор, задвижващ развитието на технологията. Всички сме гледали видеоклиповете, показващи колко трудно е да се борим с пожари, предизвикани от пламнали литиево-йонни батерии, така че промяната на химията на твърдотелните батерии би направила нашите пътища по-безопасни.

Има обаче и някои проблеми. Първо, простото заместване на течен електролит с твърд може доста да намали енергийната плътност. Твърдите вещества не пренасят електрони толкова лесно, колкото течностите. Батерията е със същия размер, но сега реакцията е по-трудна, намалявайки ефективната плътност.         Твърдотелните батерии могат да преодолеят този проблем с енергийната плътност по няколко начина. При традиционните литиево-йонни батерии анодът -  частта, която съхранява лития преди разреждането на батерията - обикновено е направен от графит. Батериите с твърд електролит заменят този анод с литиево-метален или дори напълно премахват анода. Литиево-металните аноди имат около 10 пъти по-голям специфичен капацитет от графита, което означава, че съхраняват повече енергия в по-малко пространство. При практически приложения това означава скок от днешната плътност на литиево-йонната батерия от приблизително 250 Wh/kg до много по-висока плътност от 400 Wh/kg.

Скорошно разглобяване на батерийния пакет на Volkswagen ID.3 разкри тегло от около 377 кг, с брутен капацитет на пакета от приблизително 65 kWh. Ако производителят използва 400 Wh/kg твърдотелни клетки вместо 273 Wh/kg клетки, с които Volkswagen борави сега, капацитетът ще бъде около 95 kWh. Това ще увеличи пробега на ID.3 от 410 км до над 600 км, без да променя размера или теглото на батерията.

Като алтернатива пробегът може да остане същият със значително по-малка и по-лека батерия. И в двата случая съотношението мощност-тегло на автомобила ще бъде значително подобрено, съчетавайки скоростта с пъргавината. За съжаление, предизвикателствата, свързани с твърдотелните батерии, са толкова много, колкото и предимствата, които те трябва да предоставят. Ето защо днес все още не ги виждаме такива батерии в масово произвежданите автомобили.

Проучване, публикувано по-рано тази година в Nature Energy, обобщава трудностите. Литият, движещ се в батерията, независимо дали се зарежда или разрежда, създава промени в обема на различните компоненти - те се раздуват и свиват. Това може да причини пукнатини, дефекти и дори кухини, където загубата на контакт означава повредена батерия. Върху анода могат да се образуват нещо като сталактити от литий, наречени дендрити, да пробият батерията или да предизвикат късо съединение. Твърдотелните батерии могат буквално да се разкъсат, когато отприщят енергията, която съдържат.

Трудностите не свършват с химията. Сериозно предизвикателство е също как такива батерии да се произвеждат в големи количества и на ниска цена. Има примери за производство на твърдотелни батерии за нишова употреба, но те са скъпи. Масовото производство на електромобили ще изисква непрекъснати изследвания, разработки и тестове.

Въпреки че здравият скептицизъм остава оправдан, оптимистичните заявки продължават да валят, отбелязва Фенске. През 2020 Toyota обяви амбицията си да бъде първият автомобилен производител, използващ твърдотелни батерии в леки автомобили, с ограничено производство, планирано за 2025 г. Три години по-късно производственият график е изместен най-рано до 2027 г. Междувременно Nissan казва, че неговите твърдотелни батерии ще се появят на пазара до 2028. 

Други компании гледат с недоверие към технологията. Представител на ръководството на Ford твърди, че компанията не очаква комерсиализация на твърдотелните батерии преди 2030.

Твърдотелните батерии са истинска технология с реални предимства и е почти сигурно, че в някакъв бъдещ момент те ще се прилагат в глобален мащаб. За съжаление остава загадка кога ще дойде това време.