В обычной конструкции аккумуляторов чаще всего используются два твердых металлических электрода с жидкой литиевой солью, действующей в качестве электролита. Ионные частицы движутся от одного электрода (катода) к другому (аноду), когда заряжается аккумулятор, и наоборот, когда он разряжается. Жидкий электролит литиевой соли – это среда, которая обеспечивает это движение. Если вы когда-либо видели пробитую батарею смартфона, то видели как из неё сочится жидкость, которая представляет собой жидкий электролит.
В твердотельной батарее как положительный, так и отрицательный электроды и электролит между ними представляют собой твердые куски металла, сплава или другого синтетического материала. Термин «твердотельный» может напоминать вам о накопителях SSD, и это не совпадение. Твердотельные накопители используют флэш-память, которая не перемещается, в отличие от стандартного жесткого диска, который хранит данные на вращающемся магнитном диске, вращаемым крошечным двигателем.
Хотя идея твердотельных батарей существует уже много десятилетий, успехи в их развитии только появились, благодаря стимуляции через инвестиции от компаний, производящих электронику, электромобили и промышленную продукцию.
Преимущества твердотельных аккумуляторов
Твердотельные батареи обещают несколько отличных преимуществ перед своими «кузенами», наполненными жидкостями: лучшее время автономной работы, более быстрое время зарядки и безопасное использование.
Твердотельные батареи сжимают анод, катод и электролит на три плоских слоя, вместо суспендирования электродов в жидком электролите. Это означает, что вы можете сделать их меньше или, по крайней мере, более плоскими, при этом удерживая столько же энергии, сколько более крупная батарея на основе жидкости.
Если вы замените литий-ионный или литиево-полимерный аккумулятор на своем телефоне или ноутбуке на твердотельную батарею такого же размера, она сможет удерживать намного больший заряд.
Твердотельные батареи также более безопасны, поскольку нет токсичных, легковоспламеняющихся жидкостей, и они не выделяют столько тепла, сколько обычные аккумуляторные батареи.
Согласно последним исследованиям, твердотельная батарея может превосходить обычные перезаряжаемые батареи на 500% и больше с точки зрения мощности и заряжаться в десятки раз быстрее.
Каковы недостатки твердотельных аккумуляторов
Поскольку твердотельные батареи представляют собой новую технологию, они невероятно дороги в производстве. Так дорого, что пока они не установлены ни на одном крупном потребительском устройстве.
В 2012 году аналитики подсчитали, что типичная твердотельная батарея размером со смартфон будет стоить около 15000 долларов США. Один достаточно большой для питания электромобиля элемент обойдется в 100000 долларов.
Отчасти это связано с тем, что отсутствует производственная экономия – сотни миллионов жидких перезаряжаемых батарей производятся каждый год прямо сейчас, поэтому стоимость производства материалов и оборудования распределяется по огромным линиям. Вместе с тем, существует лишь несколько компаний и университетов, изучающих твердотельные батареи, поэтому стоимость производства пока астрономическая.
Другая проблема – материалы. Хотя свойства различных металлов, сплавов и металлических солей, используемых для обычных перезаряжаемых батарей, хорошо известны, в настоящее время ещё не найдено идеального химического и атомного состава для «твердого электролита». Текущие исследования сужают эти поиски, но нужно собрать более надежные данные, прежде чем можно будет выбрать или синтезировать материалы и инвестировать в производственные процессы.
Когда появятся твердотельной аккумуляторы
Как и для всех новых технологий, попытка понять, когда мы получим её на руки, – это, в лучшем случае, догадки.
Отрадно, что огромные корпорации инвестируют в исследования, необходимые для вывода на рынок твердотельных аккумуляторов, но в ближайшем будущем они не смогут совершить крупный прорыв, трудно сказать, будет ли большой шаг вперед.
По крайней мере, одна автомобильная компания заявляет, что к 2023 году она будет готова поставить на рынок транспортное средство с твердотельным источником питания, но можно только догадываться, сколько будет стоить этот автомобиль. Пять лет кажутся слишком оптимистичными; вероятнее всего, десять лет. А, может, двадцать лет или более до того, прежде чем будут урегулированы все проблемы с материалами и будут разработаны производственные процессы.
Но, как мы уже говорили в начале статьи, обычная технология аккумуляторов достигла потолка. И нет иного выхода, как стимулировать исследования и разработки. Возможно, что в скором времени вы всё-таки сможете использовать гаджет или автомобиль на базе твердотельной батареи.
