Японская компания Koike разработала монокристалл, который можно использовать в качестве электролита в батареях. Его сопротивление примерно на 90% меньше, чем у материалов на основе поликристаллов, используемыми в стандартных твердотельных аккумуляторах. По словам авторов идеи, новинка дает возможность увеличить срок службы аккумуляторов до 10 раз. Если все получится, это может стать технологическим прорывом, поскольку Подробности — под катом.
Немного о самих электролитах
Сначала немного поговорим о самих электролитах. Так, Википедия говорит нам, что электролит — “вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы, что происходит в растворах и расплавах, или движения ионов в кристаллических решётках твёрдых электролитов”. Примерами электролитов могут служить кислоты, соли, основания и некоторые кристаллы.
Хорошо, так а что там за разработка?
В литий-ионных аккумуляторах, которые сегодня доминируют на рынке, используется жидкий электролит. Батареи на его основе служат не очень долго, есть у такого типа аккумуляторов и другие недостатки.
Есть и альтернатива — твердотельные аккумуляторы. Они лишены таких недостатков, но на сегодня ресурсы производства для монокристаллических материалов ограничены. Компания Koike, расположена в префектуре Яманаси (Япония) и производит монокристаллические пластины в качестве подложек интегральных схем для телекоммуникационных устройств. В сотрудничестве с исследовательским отделом института AIST Nikkei Asian Review, она разработала новый материал, способный сделать прорыв в сфере твердотельных аккумуляторов. При использовании монокристаллического материала в качестве электролита, сопротивление в батарее уменьшается на 90%. Среди прочих достоинств технологии — возможность продления срока службы батареи и повышение ее емкости.
Твердотельные аккумуляторы не боятся ударов и способны выдерживать высокие температуры, что делает их безопасными для использования. Кстати, батареи от японской компании позиционируются как «полутвердотельные» (semisolid-state). Дело в том, что электроды в них японцы будут обрабатывать специальной жидкостью, для того, чтобы снизить скорость деградации аккумулятора.
На сегодня твердотельные аккумуляторы уже разрабатывает Toyota Motor и японская энергетическая группа Idemitsu Kosan. В качестве материала для электродов они используют сульфиды. Но даже по сравнению с ними, новые монокристаллический материал — более безопасный и эффективный. По оценкам канадской компании Emergen Research, в 2021 году рынок твердотельных батарей оценивался в 600 миллионов долларов. Ожидается, что к 2030 году он вырастет до $10,1 млрд.
Особенности и перспективы технологии
Большие монокристаллы получить трудно. Koike удалось запустить производство монокристаллов диаметром до 25 мм. Это существенно ограничивает область применения твердотельных аккумуляторов. Их можно устанавливать в небольших медицинских устройствах, таких как кардиостимуляторы, а также в умных часах и других носимых гаджетах. Скорее всего их использование начнется с устройств, герметичный корпус которых не подразумевает замену батареи.
Срок службы аккумулятора, например, в кардиостимуляторе, составляет от 5 до 10 лет. С батареей нового типа его срок службы может составлять до 50 лет. Кроме того, аккумуляторы весят меньше литий-ионных версий, что позволит производителям снизить общий вес устройства. К минусам стоят отнести высокую стоимость твердотельных батарей, однако в Koike не сообщают конкретных цифр. Возможно, к началу запуска массового производства, инженеры компании найдут способы сделать аккумуляторы конкурентоспособными по стоимости. По планам компании, с 2027 по 2028 года вся ее деятельность будет направлена на массовое производство новинки, а также на формирование коллабораций с производителями и создание совместных предприятий.
Но не только Koike занимается «твердотельниками». Так, в начале этого года компания Samsung заявила о желании наладить массовое производство твердотельных аккумуляторов до 2027 года. У корейской компании вообще особенные отношения с батареями. Так, до 2021 года телефоны и планшеты компании неоднократно взрывались в руках или карманах одежды у людей, вызывая ожоги. Случаев возгорания Note 7 было настолько много, что компания отозвала по всему миру около 2,5 миллионов смартфонов и потерпела убытки на миллиарды долларов. При этом некоторые авиакомпании стали запрещать смартфоны Samsung на борту самолетов, чтобы не допустить появления проблемных ситуаций.
Аналогичные проблемы возникают с автомобилями Tesla, чьи аккумуляторы периодически воспламеняются. Потушить такое возгорание практически невозможно и чаще всего автомобили сгорают до тла. Если бы в электромобиле стоял твердотельный аккумулятор, то случаев возгорания бы не случалось. А за счет меньшего веса батареи машина могла бы проходить большие расстояния на одном заряде.
Дальнейшие исследования Koike направлены на улучшение катодных материалов и увеличение размеров аккумуляторных ячеек. В теории подобные разработки могут применяться и при производстве тяговых аккумуляторов для электромобилей. Такие батареи не будут бояться высоких температур и механических воздействий, что существенно повысит безопасность транспортных средств. Однако с технической точки зрения еще нет возможностей создавать батареи с монокристаллами большего размера.
Другие полезные материалы
Комментарии (17)
RigidStyle
29.11.2023 01:41-4Продлить время автономной работы? Не емкость увеличить? Что за эффективные маркетолухи пишут эти статьи...
FreeNickname
29.11.2023 01:41И минусуют ещё потом, не в силах вынести Правды! /s
Время автономной работы != срок службы :) Не всегда все кругом дебилы :)RigidStyle
29.11.2023 01:41Статья была изменена (отредактирована) после моего комментария. Изначально в ней присутствовали в одном предложении "продлить время автономной работы и увеличить срок службы". То-есть автор статьи специально написал эти два понятия отдельно.
Так что все таки все кругом... Особенно те, кто не знает истории и контекста, а думает, что знает. Поищите в статье словосочетание "автономной работы". Нашли? Нет? А откуда тогда я это взял? Наверное сам придумал и докопался.FreeNickname
29.11.2023 01:41В таком случае мои извинения)
Наверное сам придумал и докопался.
Это происходит чаще, чем хотелось бы)
ABRogov
Видимо мы так и не узнаем, что же там за монокристаллический твердый-полутвердый электролит с электродами пропитанными какой-то жидкостью.
Спорное утверждение. Возгорание обычно происходит от короткого замыкания и высокой удельной энергоемкости, а не от агрегатного состояния электролита, который к запасанию энергии вообще не имеет отношения, это чисто транспорт.
jarkevithwlad
бывает от нагрева акб, хотя по сути внутри акб мржет и быть замыкание. Кстати встречал теслы с литийжелезофосфатным акб, да там чуть меньше ёмкость на вес/объём, но они до -20 хорошо себя чувствуют и не горят при механическом повреждении элементов, ах да и по статистике электроавто горят реже чем другие
HardWrMan
Это снова качается тема ионистора?
Fell-x27
Возгорание да. Но потом в дело вступает электролит. И как правило, соединения лития в батареях - это то еще зажигательное оружие. И вот тут работает тезис, что "потушить такое возгорание практически невозможно". Эти хреновины будут гореть даже под водой.
Но, справедливости ради, не все литий-ионники одинаково горючи. Литий-марганцевые вообще няшки в этом плане. Не горят, не бахают. А литий-железофосфатные даже газы выделять не должны. То есть, технически, вопросы безопасности давно решены, но тут встает вопрос долговечности и стоимости производства. И нет, не в плане, что "не горят, но быстро дохнут". Наоборот! LFP - аккумуляторы могут жить десятки лет, пережить до 10 тысяч зарядов-разрядов, они безопасны и хороши. Но...тогда и продать их много не получится, верно? :)
domix32
Два самых горючих металла в тандеме друг с другом не горят? Что-то удивительное. А есть информация почему?
телефонные литий-ионные батарейки ЕМНИП примерно на столько и рассчитаны, но это ресурс на лет 5-10, никак не на десятилетия.
Fell-x27
Ага.
Потому что соединение элементов имеет свои свойства, а не наследует свойства элементов, из которых получено. Поэтому, например, мы тушим пожары соединением самого горючего и самого взрывучего газов, которое, раз на то пошло, вообще жидкость при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении. А еду приправляем соединением смертельных хлора и натрия.
Важно отличать "смесь" и "соединение". Если просто "смешать" водород и кислород, мы получим "гремучий газ" - тупо смесь "горючего со взрывучим". Они не прореагируют друг с другом и не соединятся. Так что да, тут свойства наследуются. Но если кинуть туда спичку и сделать вид, что взрыв - это то, что мы изначально задумали, весь гремучий газ превратится в воду(в основном), и атомарный\обычный кислород (в остатке). И вот вода - это уже не смесь, а соединение. Произошла реакция в присутствии катализатора - тепла от спички. Атомы разных веществ сцепились и сформировали новое, с совершенно другими качествами, химическими свойствами и даже физическими параметрами.
domix32
В случае с водой понятно - для начала цепной реакции там сначала надо электронные уровни поосвобождать. В случае гремучего газа достаточно немного энергии для этого кинуть. В случае с литий-ионными батареями вроде горит LiOH, где на выбивание гидроксильной группы много тоже не надо. А как в случае с LiMg происходит? И насколько разнятся ёмкостные характеристики?
Fell-x27
Конкретно марганцевые средние в плане ТТХ. До тысячи циклов, либо, в среднем, 6 лет. На холоде перестают работать. При перегреве никакой реакции не начинается. Ну то есть, если его закоротить, то он еств, быстренько в накал уйдет, физику-то никто не отменял, мб даже что-то оплавит и подожжет, но сам поддавать жару не будет. Последствия от КЗ будут обычными последствиями от КЗ, то бишь, если заметишь и примешь меры, все будет ок, а не как у LiOH, мгновенно превращающегося в зажигательный заряд, либо постепенно накачивающего банку водородом, откладывая фаершоу на потом.
kvazimoda24
На сколько я понимаю, гремучий газ, это смесь водорода и кислорода в соотношении 2 к 1. Соответственно, при реакции, провзаимодействуют все молекулы, и атомарного кислорода остаться не должно. В пределах погрешности, конечно, но тогда и молекулярные кислород с водородом останутся.
Fell-x27
Гремучий газ это смесь кислорода с водородом с пропорции "как придется, но лучше б не пришлось". Реакция горения водорода в кислороде это, в любом случае, H2+O2 = H2O + O. Другое дело, что атомарный кислород штука навязчивая и долго в одиночестве не пробудет. Какая там пропорция была изначально, сколько водорода прореагирует, сколько останется, это не так важно, в общем-то, важно то, что финальный продукт совершенно не похож на "сырье".
sappience
Марганец не особо горюч. То есть в кислороде поджечь можно, но в кислороде и железо горит лучше того же марганца.
Литий горюч, но тоже не самый горючий. Цезий вот самовозгорается на воздухе, а литий нет. С ним спокойно можно обращаться на открытом воздухе (если воздух сухой, и надолго оставлять кусок лития в контакте с воздухом не требуется).
saege5b
Объёмная плотность энергии всё же ниже, и там вполне прилично даже в пределах есамоката набегает.
Во вторых: у классического лития кривая падения напряжения при разряде, криво-косо как-то коррелирует с остаточной ёмкостью. А вот что делать, если в пределах ~70-80% изменения ёмкости, напряжение меняется на сотые, край - десятые вольта? Ставить двунаправленные счётчики кулонов, память, логику для компенсации ошибок связанных с износом?
Так то анонсированных аккумуляторов которые и в холод, и ёмкие, и напряжение не экстремально низкое - толпы ждут давно. Только они как-то дальше спецзаказов не выходят.
prostokvasili
Что вы имеете ввиду под литий-марганцем? LMO? NCM?
При прочих равных наиболее безопасной химией можно назвать LTO (литий-титанат) и частично LFP (литий-железофосфат). Тот же железофосфат замечательно газит при перезаряде и очень активно горит (но поджечь его достаточно сложно).
Решения на основе NCM достаточно горючи, при этом с каждым поколением именно сама горючесть материала повышается, тот же 811 в среднем по больнице более сложная штучка относительно 622. Но безопасность системы определяется кучей технических решений, включая типы сепараторов, наличие защитных разрывных клапанов (разрывающих электрический контакт), наличие разрывных мембран для сброса давления, концепции построения батареи и применения специальных методов снижения скорости распространения (или его полной остановки) терморазгона внутри блока. Ну и самое главное - системы управления.
С точки зрения циклирования - любой современный электромобиль (если он сделан не на цилиндрах) как правило переживет от 5 до 10 тысяч циклов глубиной в 70-80 процентов от изначальной, современный транспортный литий-ион очень живуч с точки зрения ресурса.