Блог компании Selectel. 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.