Будущее батарей близко
Твердотельные аккумуляторы работают до 25 лет и позволяют зарядить электромобиль за минуты.
В помещениях «сухих комнат» на заводе Solid Power в штате Колорадо яркий свет и слабый шум от непрерывно работающих кондиционеров. Здесь в очищенном от влаги и загрязнений воздухе компания производит свои первые твердотельные литий-металлические электрохимические ячейки. Под слепящими лампами они переливаются серебром.
В теории технология выглядит слишком хорошей, чтобы быть правдой: она обещает десятикратный рост мощности (или же десятикратное уменьшение размеров) по сравнению с обычными литий-ионными батареями. Первые прототипы Solid Power ориентируются на более умеренные показатели и тем не менее должны оказаться в разы лучше существующих аналогов.
7 августа 2021 года трое инженеров, одетых в защитные костюмы, вошли в «сухие комнаты» и включили самый большой из изготовленных на Solid Power прототипов. Технический директор компании Джош Бюттнер-Гарретт с волнением следил за происходящим из своего кабинета: «Я понимал, что мы могли получить нерабочий мертвый "камень", лишь внешне похожий на аккумуляторную ячейку».
Литий-ионные батареи, которые в Solid Power надеются вывести из употребления, вполне заслужили почетную пенсию: именно они стали одной из ключевых технологий современности и принесли своим разработчикам Нобелевские премии. Литий-йодные аккумуляторы 1970-х годов – их предшественники – работали на порядок лучше щелочных, обеспечивая большую плотность накопления энергии. В числе прочего эти батареи сделали возможным использование искусственных водителей ритма сердца, продлив срок их службы до 10 лет. Но настоящую популярность литий получил после появления в 1990-х перезаряжаемых литий-ионных аккумуляторов, открывших дорогу гаджетам, портативным компьютерам и электромобилям.
Литий остается в центре внимания электрохимиков уже не одно десятилетие. Он отличный проводник и, как все щелочные металлы, несет на своей внешней оболочке лишь один неспаренный электрон, который легко отпускает в свободное путешествие. «Это позволяет создать высокое напряжение», – поясняет профессор инженерии Мичиганского университета Джефф Сакамото, специализирующийся на разработке твердотельных батарей. Литий располагается в самом начале Периодической таблицы, занимая третью позицию после водорода и гелия. Его ионы заметно мельче и легче, чем у аналогов – натрия и калия. Это позволяет «упаковать» в тот же объем больше электронов и накапливать больше заряда в батарее. Плотность энергии у литий-ионных ячеек вчетверо выше, чем у никель-кадмиевых, которые они быстро вытеснили.
Сегодняшние литий-ионные батареи используют жидкий электролит, через который ионы движутся, перемещаясь между анодом и катодом в циклах зарядки и разрядки. Положительно заряженный катод изготавливают из лития, а отрицательный анод – из графита, от которого фактически зависит производительность всей системы. Графит дешев, доступен, отлично проводит ток и удобен в обработке, однако емкость его на порядок меньше, чем у лития.