Твердотельная батарея использует твёрдый электролит вместо жидкого или гелеобразного. Электролит находится между катодом и анодом и проводит электрический заряд.
Такая конструкция позволяет уменьшить батарею и повысить плотность энергии. Электромобиль сможет проезжать большее расстояние на одном заряде либо сохранять прежний запас хода с более лёгким аккумулятором. Кроме того, батарея потенциально будет дешевле и сможет быстрее заряжаться благодаря меньшему нагреву.
В ячейке батареи анод обычно делают из графита, а катод — из литий-железо-фосфата (LFP) или никель-марганец-кобальтового оксида лития (NMC). Производители также испытывают другие материалы.
В обычной батарее между электродами находится жидкий или гелеобразный электролит, а также сепаратор — мембрана, которая помогает ионам перемещаться и не даёт электродам соприкасаться. При многократной зарядке и разрядке на поверхности электродов могут образовываться острые наросты лития. Если они соединят электроды, батарея может замкнуть или загореться. В твердотельных аккумуляторах вместо жидкого электролита используют твёрдые материалы — стекло, керамику или полимеры.
По оценке автора, до появления серийных и доступных твердотельных батарей для массовых электромобилей остаётся примерно 5–7 лет. Сегодня аккумуляторный блок размером почти с теннисный стол позволяет электромобилю массой 2–2,6 тонны проехать около 600–700 км. В будущем показатели нынешних машин могут восприниматься как ранний этап развития электромобилей.
Литий-ионные батареи, которые используют сегодня, имеют среднюю плотность энергии около 200–280 Вт·ч/кг. Поэтому электромобили оснащают тяжёлыми аккумуляторами массой 600–800 кг, чтобы обеспечить запас хода примерно 500–700 км.
В перспективе твердотельные батареи, а также решения с кремниевым анодом или металлическим литием могут достичь плотности 500–600 Вт·ч/кг. CATL, Chery Rhino, Toyota и Idemitsu уже испытывают прототипы с плотностью энергии выше 500 Вт·ч/кг. Если плотность энергии вырастет более чем вдвое, батарейный блок сможет стать примерно вдвое меньше и легче при той же ёмкости. А аккумулятор большего размера потенциально обеспечит запас хода 1 200–1 500 км.
Нынешние батареи включают не только ячейки, но и систему жидкостного охлаждения, прочный защитный корпус и материалы, замедляющие распространение огня. Это увеличивает размер и массу блока. Твёрдый электролит не протекает и менее склонен к возгоранию, поэтому в будущем системы охлаждения и защиты можно будет уменьшить. В результате на сами ячейки может приходиться 80–90% объёма батарейного блока. Запас хода до 1 500 км на одном заряде автор прогнозирует на 2030–2033 годы.
Согласно планам автопрома, уже в 2026 году могут появиться полутвердотельные батареи ёмкостью 150 кВт·ч с запасом хода около 1 000 км — например, на отдельных моделях NIO ET7 и других китайских марок. Однако такие аккумуляторные блоки пока остаются крупными и тяжёлыми.
В 2027–2030 годах отрасль рассчитывает перейти к коммерческому выпуску твердотельных батарей. Toyota, Chery и CATL разрабатывают такие решения и нацелены начать серийное производство для электромобилей примерно с 2030 года. Более компактные и лёгкие аккумуляторы смогут обеспечить пробег 1 200–1 500 км на одном заряде.
К 2030 году батареи могут стать компактнее, аккуратно размещаться под днищем и заряжаться за несколько минут. Теоретически электромобиль сможет проезжать до 1 500 км без остановки для подзарядки.
Однако о твердотельных батареях говорят уже 6–7 лет, а технология всё ещё остаётся преимущественно лабораторной. Заявления автопроизводителей помогают привлечь внимание СМИ и покупателей, а также поддержать интерес инвесторов, но не означают, что батареи готовы к массовому выпуску.
Основные препятствия — стабильность и безопасность. Учёным ещё нужно предотвратить рост литиевых наростов, который может привести к короткому замыканию, и наладить производство плотных слоёв твёрдого электролита без пузырьков. Также необходимо обеспечить устойчивость ячеек к нагрузкам, обойтись без чрезмерно мощных систем сжатия и снизить стоимость до уровня, позволяющего конкурировать с батареями LFP и NMC.
Ожидается, что в 2027–2028 годах твердотельные батареи начнут выпускать серийно, но они останутся очень дорогими и появятся главным образом в премиальных электромобилях. Массовое применение полностью твердотельных батарей в обычных моделях может начаться лишь в 2033–2035 годах: сейчас их производство обходится примерно в 2–3 раза дороже, чем выпуск традиционных аккумуляторов. Сначала технология, вероятно, будет доступна для гиперкаров и суперкаров.
