Третий китайский саммит по инновациям в области твердотельных батарей, прошедший в Пекине в начале этого месяца, выявил проблемы, стоящие перед всей отраслью. Профессор Ся Дингуо из Пекинского университета отметил, что плотность энергии, которая в основном определяется материалами катода, остается критически важным фактором. По его словам, именно инновации в сфере катодов, а не прорывы в области электролитов, являются ключом к переходу твердотельных батарей из лабораторий в сферу коммерческого производства, как сообщает Autohome.
Возросший интерес к твердотельным батареям обусловлен двумя основными факторами: значительным прогрессом в общих исследовательских возможностях с 1990-х годов и растущим спросом на более высокую плотность энергии, безопасность и оптимизацию материалов в приложениях для электромобилей. Ожидается, что твердотельные батареи обеспечат высокую плотность энергии, безопасность, долгий срок службы и низкую стоимость, но без прорывов в технологии катодов их промышленное значение остается ограниченным. Это говорит о том, что пропуск этого аспекта приведет к стагнации развития.
Нынешние трудности сосредоточены на стабильности интерфейсов и совместимости материалов. Эксперименты с высоконикелевыми катодами демонстрируют улучшенную термическую стабильность, но сохраняют риски безопасности при высоких токах или напряжениях из-за локальной поляризации, образования слоя с высоким импедансом и, как следствие, деградации производительности. Легирование фтором может временно стабилизировать циклы, но деградация ускоряется примерно после 125 циклов. Кристаллические катодные материалы анизотропны, и даже незначительные изменения объема могут концентрировать напряжение на интерфейсах, ограничивая срок службы.
Совместимость материалов еще больше ограничивает коммерческое внедрение. Различные твердые электролиты, включая хлориды, сульфиды и оксиды, обладают разной жесткостью и поведением на границе раздела. Оксиды слишком жесткие; для сульфидов и хлоридов часто требуется приложенное давление, что усложняет производство. Решение этих проблем потребует электролитов с низкой жесткостью и дружелюбным интерфейсом, либо оптимизированных полимеров, способных работать в широких окнах напряжения и обеспечивать высокую проводимость. Это демонстрирует многогранность задачи.
Ведущие китайские производители аккумуляторов, такие как CATL, BYD и Eve Energy, приступили к комплексной разработке систем катодов и электролитов, формируя патентные защиты и одновременно оптимизируя характеристики элементов. Достижения в области сухих электродов, совместного спекания и холодного спекания дополнительно способствуют масштабируемому производству и снижают зависимость от сложных процессов нанесения покрытий. Именно такие подходы открывают путь к массовому производству.
В перспективе отрасль, как ожидается, будет двигаться разными путями для различных применений: высококлассные электромобили с полимерными электролитами и высоконикелевыми или богатыми литием катодами; электромобили массового рынка с акцентом на системы LiFePO4, подчеркивая безопасность и стоимость; и специализированные приложения, где будут использоваться сульфидные электролиты в сочетании с серными катодами. Такой дифференцированный подход позволит удовлетворить разнообразные потребности рынка.
На саммите был сделан вывод, что инновации в материалах катода являются «ключевым моментом» для индустриализации твердотельных аккумуляторов. Электролиты по-прежнему важны, но плотность энергии, стоимость и стабильность в основном зависят от разработки катодов. Будущее потребует двухстороннего прогресса в области инноваций материалов и производственного инжиниринга, чтобы обеспечить лидерство Китая в мировом секторе твердотельных аккумуляторов. Этот синергетический подход является залогом успеха.
