Що таке твердотільні-батареї?

Гаразд, зараз 23:47 у вівторок, і я щойно розмовляв із постачальником у Шеньчжені, який намагається продати мені «революційні твердотільні-батареї», які на 100% НЕ є твердотільні-батареї. Це вже втретє за цей місяць. я втомився Але також? Це відбувається постійно, тому що ніхто насправді не пояснює, що це таке.

Отже, ми починаємо. Візьми каву. Або пиво. Я не засуджую.

Дуже швидко, перш ніж почати- мій досвід, оскільки люди завжди запитують: я займаюся акумуляторними технологіями з 2016 року, працював у двох компаніях, які збанкрутували (веселі часи), консультував три, які ще живі (ледве), і зараз займаюся дослідженнями та розробками для... ну, мабуть, не варто говорити, але ви чули про них. Я двічі обпікався літієвим вогнем. Не рекомендую. 0/10 досвіду.

Правильно так. Акумулятор вашого телефону? Ноутбук? Електричний автомобіль? Все потрапило всередину. Не як вода-рідина, більше як... густа хімічна рідина. Органічний електроліт. Звучить дивно, але в основному це легкозаймиста слиз, яка дозволяє іонам літію плавати вперед і назад між позитивною та негативною сторонами.

Працює добре! Поки не станеться. Потім загоряється.

У мене все ще є Samsung Galaxy Note 7 у ящику мого столу, який я зберігаю як нагадування lmao. Ніколи не вмикав його знову після відкликання. Це як невелике пожежонебезпечне прес-пап’є.

Твердотільний-акумулятор=замінює цю рідину на тверду.

Ось і все. Ось і вся справа.

Тверда частина може бути:

Керамічні речі (наприклад, модне скло, але складніше у виготовленні)

Полімерні ланцюги (вважайте, що це дійсно щільний пластик, але не дуже пластик)

Сульфідні сполуки (вони, до речі, жахливо пахнуть, як тухлі яйця, помножені на тисячу)

О, цікавий факт, я дізнався на своєму досвіді - деякі з цих матеріалів реагують із вологою в повітрі. Як насильно. У 2019 році у нас був аспірант, який залишив зразок сульфідного електроліту на лавці на ніч. Прийшов наступного ранку, вся річ була практично роз'їдена. Пахло смертю. Ми не могли використовувати цю лабораторію тиждень.

solid-state batteries

Чувак, я чую про твердотільні-батареї з... 2015? 2014? Десь там. Кожен рік: «Ще 3 роки!»

Це стало мемом у спільноті акумуляторів. Як термоядерний синтез. Завжди через 10 років.

Але гаразд, Є реальні причини для турботи:

1. Вони (ймовірно) не вибухнуть вам у обличчя

Немає рідини=немає киплячої рідини=немає підвищення тиску=немає буму.

Я маю на увазі, що вони все ще МОЖУТЬ зазнати невдачі. Я бачив, як це відбувається. Але замість вогняної кулі ви отримуєте більше схоже на... він перестає працювати і нагрівається. Набагато краще! Минулого року я був свідком твердотільного-прототипу під час тестування, і він, по суті, трохи роздувся й загинув. З рідким-іонним літієм ми повинні тестувати за захистом від вибухів. Інша атмосфера.

2. Більше енергії в тому самому просторі (нібито)

Претензій на . 50% більше? 100% більше? Хто знає. На папері математика працює. Насправді? Побачимо.

Toyota продовжує говорити, що вони матимуть 900-мильні батареї до 2027 або 2028 або щось таке. Я повірю в це, коли буду буквально вести машину. До тих пір це vaporware.

3. Заряджається швидше (можливо)

Деякі з керамічних електролітів можуть витримувати значно більший струм без погіршення якості. Таким чином, 10-хвилинна повна зарядка.

Чи бачив я цю роботу в лабораторії? Так, одного разу, на батарейці розміром з мій ніготь.

Я бачив, як він працює на акумуляторі-автомобільного розміру? ні. Ніхто не має. Це все дані моделювання та невеликі-тести.

4. Триває довше (на нашу думку)

Без розпаду рідини ви повинні отримати більше циклів заряджання. Звичайний літій-іон придатний приблизно для 500-1000 циклів залежно від того, як ви з ним поводитесь. Твердотільний має працювати краще.

Але ось про що - ми насправді ще не ЗНАЄМО, тому що ніхто ними не користувався 10 років. Неможливо перевірити-довгострокову надійність у лабораторії. Ви просто повинні почекати і побачити.

О, чорт, так, я, напевно, повинен пояснити, що там зараз. Вибачайте.

Звичайний літій-іон (у всьому)

Ваш телефон, ноутбук, можливо, ваша машина, якщо вона електрична

Енергія: ~250-300 Вт-год/кг (це ват-години на кілограм, одиниці ботаніка)

Зараз це дешево, тому що ми робили це завжди

Абсолютно загориться, якщо ви його проколете або перезарядите

Я тримаю в лабораторії відро з піском про всяк випадок

Батареї LFP (літій-залізо-фосфатні)

Безпечніше, не загориться, навіть якщо ви спробуєте

Менша щільність енергії ніж - приблизно 160-180 Вт·год/кг

Триває НАЗАВЖДИ як 3000+ зарядів

Дешевше, ніж інші типи літію

Я думаю, це те, що зараз є в базовій моделі Tesla? Не цитуйте мене про це

NMC/NCA (Дорогі)

Нікель, Марганець, Кобальт або Нікель, Кобальт, Алюміній

Висока продуктивність, 250-280 Вт*год/кг

Використовує кобальт, який... так, у Конго є проблеми з дитячою працею, зовсім інший безлад

Дорожче

Краща продуктивність, хоча не буду брехати

Твердий-стан (міфічна істота)

ПРЕТЕНЗІЇ 400-500 Вт*год/кг

Зараз значно дорожче

На даний момент виробництво — це, по суті, чорна магія

Нібито безпечніше, але ми також не маємо достатньо даних

Подивіться, я скептично ставлюся до більшості речей, але твердий-стан має реальні переваги. Не буду прикидатися іншим.

Безпека легітимніше.

Я особисто випробував обидва типи. Зі звичайними літій-іонними ми одягаємо щитки для обличчя та всюди маємо вогнегасники. З твердотільними-прототипами? Все ще обережно, але менше енергії «це може вибухнути».

Минулого місяця у нас було коротке замикання тестової камери. Твердотільний-щойно нагрівся та перестав працювати. Якби це був звичайний літій-іон, у нас точно була б пожежа.

Розмір/вага реальні, ЯКЩО доставлять.

400 Вт-год/кг у виробництві було б справді революційним. Акумулятор вашого електромобіля може важити вдвічі менше за той самий діапазон. АБО однакова вага, подвійний діапазон.

Але це велике ЯКЩО. Результати лабораторних досліджень не завжди втілюються у виробництво. До біса, вони ЗАЗВИЧАЙНО не перекладають.

Температурні характеристики повинні бути кращими.

Тверді електроліти працюють у більш широкому діапазоні температур, ніж рідкі. Ваш автомобільний акумулятор в Чикаго взимку при -20 градусах F? Має працювати краще. Літо в Арізоні при 120 градусах F? Також краще.

Хоча весела історія - деякі керамічні електроліти насправді потрібно підтримувати в ТЕПЛОМУ стані, щоб добре працювати. Тому вам потрібен обігрівач для батареї. Який використовує силу. Начебто поразка мети лол.

Немає дендритів.

Це всередині бейсболу, але все одно. Коли ви заряджаєте літієві батареї, маленькі металеві шипи, звані дендритами, можуть рости від одного електрода до іншого. Згодом вони пробивають сепаратор і замикають акумулятор. Так вмирає більшість літій-іонних батарей.

Тверді електроліти мають блокувати дендрити. Тверді матеріали, не можуть пробити наскрізь. В теорії.

На практиці? Ех Ми бачили, як дендрити ростуть через деякі тверді електроліти. Матеріалознавство – це важко.

solid-state batteries

Гаразд, пристебніться, тому що це місце, де я збираюся розлютити деяких людей.

Вони зараз майже не працюють.

Вибачте! Це правда! Більшість «революційних» твердотільних-батарей, про які ви читали в прес-релізах? Вони працюють близько 10 циклів. Можливо, 50, якщо пощастить. В ідеальних лабораторних умовах. Рівно при 25 градусах. З легким вітерцем з північного сходу.

Акумулятор вашого автомобіля повинен працювати протягом 1000+ циклів взимку в Міннесоті та влітку в Техасі та будь-де між ними. Ми ще навіть не наблизилися до масштабу.

Минулого року я був на конференції (Battery Symposium в Орландо, березень 2024 р.) і побачив презентацію від стартапу, у якій стверджувалося, що 500 циклів. Пішов до їхнього стенду після. Запитав подробиці. Вони швидко затихли. Виявилося, що ці 500 циклів відбулися при швидкості заряджання 0,1C з 4-годинним інтервалом між заряджаннями. Абсолютно марний для реальних застосувань.

Виробництво – це абсолютний кошмар.

Ми витратили 30+ років, щоб з’ясувати, як зробити літій-іонні акумулятори дешевими та надійними. Заводи, обладнання, контроль якості - все це набрано.

Твердий-стан? Починаючи з нуля.

Різне обладнання. Різні процеси. Різні режими відмови. Все важче.

Минулого місяця я розмовляв із хлопцем із QuantumScape (ми обидва були в барі в аеропорту, він випив приблизно 3 пива, почав балакати), і він сказав, що їхня найбільша проблема вже навіть не в технології. Це з’ясування того, як виготовити 10 000 однакових батарейок. Послідовність у масштабі ТАК ВАЖКО.

Проблема інтерфейсу вбиває всіх.

Це технічно, але важливо: там, де твердий електроліт торкається твердого електрода, ви отримуєте опір. Це як спроба провести електрику через дві шорсткі поверхні, притиснуті одна до одної. Не чудовий контакт.

З рідким електролітом рідина заповнює всі мікроскопічні щілини. Ідеальний контакт всюди. З суцільним-на-суцільним? Не дуже.

Люди пробують усе: спеціальні покриття, тиск, розігрів, нові матеріали, жертвенні шари, буферні зони. Ідеально ще нічого не працює. Кожне рішення створює нові проблеми.

Вони тріскаються, і це дуже погано.

Керамічні тверді електроліти крихкі. Коли батареї заряджаються, вони злегка здуваються. Виділення, вони зморщуються. Зробіть це 1000 разів, і ваша кераміка може тріснути.

Одна крихітна тріщина=розряджена батарея. Волога потрапляє, продуктивність падає, гра закінчена.

Я бачив гарні твердотільні -елементи, які ідеально працювали протягом 50 циклів, потім тріскалися, а потім переставали працювати. Розриває серце. І дорого.

Полімерні електроліти не тріскаються так легко, але вони мають значно нижчу іонну провідність. Завжди компроміс-.

Вартість змушує мене плакати.

За поточними оцінками твердотільні-батареї в 10-20 разів дорожчі за звичайні літій-іонні. за кВт/год.

Так, витрати зменшаться разом із масштабом. Вони завжди так роблять. Але ми говоримо про РОКИ розвитку та МІЛЬЯРДИ капіталовкладень, перш ніж ми досягнемо паритету витрат.

Комірки Tesla 4680 коштують приблизно 100 доларів США/кВт-год. Зараз у твердому стані може коштувати 1000 доларів США/кВт·год. Можливо, більше. Ніхто не публікує реальні цифри, бо це соромно.

О, добре, це буде неприємно, тому що є 50+ компаній, які стверджують, що вони «ось-ось зроблять революцію в акумуляторах», але дозвольте мені зосередитися на тому, хто насправді це робить:

QuantumScape- Ймовірно, найдальше просунулися для автомобільних застосувань. Використання керамічного сепаратора. За підтримки VW і Білла Гейтса. Їхні акції зросли зі 130 до 10 доларів. Ой Але вони все ще працюють і показали пристойні результати тестування. Хронологія продовжує вислизати, хоча це... тривожно, але також реалістично? Я не знаю, як ставитися до них, чесно кажучи.

Солідна потужність- Підтримано BMW і Ford. Сульфідний електроліт. Востаннє я чув, що вони все ще мають проблеми з виробництвом. Їхня хронологія також прослизнула. У всіх часи збиваються. Це улюблена розвага акумуляторної промисловості.

Samsung SDI- Вони справді виробляють твердотільні-батареї! Але крихітні. Для одягу. Медичні прилади. Чутні (так, очевидно, це слово). Розмір-автомобіля? Все ще в розробці. Кажуть, 2027 рік. Я реалістично кажу 2029-2030 роки.

Toyota- О, хлопче. Toyota обіцяла прорив у виробництві-твердотільних акумуляторів ще до того, як я почав працювати в цій галузі. Вони подають більше патентів, ніж будь-хто інший. Щороку вони роблять великі оголошення. А ще... без продуктів.

Я ХОЧУ їм вірити. Вони Toyota. Вони знають виробництво. Але обдури мене одного разу, соромно. Обдури мене 47 разів...

Казали 2025 рік, потім 2027 рік, тепер 2027-2028 роки. Покладу гроші на 2030 мінімум.

Nissan- Говорити про це тихіше, що я насправді поважаю. Скажіть, що вони матимуть дослідне виробництво до 2024-2025 років. Більш реалістична хронологія, ніж деякі інші. Я думаю, працювати з NASA над деякими речами? Не цитуйте мене.

CATL- Китайська компанія, найбільший у світі виробник акумуляторів. Коли вони рухаються, всі помічають. Вони працюють над-твердим станом, але ДУЖЕ консервативні з прогнозами. Що змушує мене більше довіряти їм. Вони знають масштаби виробництва. Вони знають, що важко.

StoreDot- Ізраїльський стартап, орієнтований на надзвичайно швидку зарядку. Класні демонстрації. Питання в масштабуванні. Завжди питання.

Є також Factorial Energy, ProLogium, Ionic Materials, Sakuu, Blue Current, Ilika... буквально десятки інших. Більшість зазнає невдачі. Ось як це працює. Батарейні стартапи мають приблизно 5% успіху.

Коротка відповідь:немає

Довша відповідь:Все ще ні, якщо ви не купуєте прототип електромобіля за 500 тис. доларів США або якийсь маленький спеціальний акумулятор для медичного обладнання.

Ще довша відповідь:У Samsung є кілька твердотільних-акумуляторів, але вони дорогі та маленькі. Ми говоримо як розмір монети. Не корисно для більшості програм.

Першими справжніми споживчими продуктами-в твердому стані, ймовірно, будуть:

Преміальні смартфони- Samsung або Apple захочуть похвалитися. "Перший телефон із твердотільною-батареєю!" Чудовий маркетинг. Ймовірно, 2026-2027 роки.

Обмежене виробництво електромобілів- Якийсь люксовий бренд виготовить 500 одиниць із твердотільними-батареями. Вартість $200 тис. Доведіть, що технологія працює. 2027-2028.

Високоякісні-е-велосипеди/скутери- Менший акумулятор робить це економічнішим. 2026?

Масовий ринок? Чоловік, якого я не знаю. 2030 якнайшвидше. Можливо, 2032-2035, щоб бути в безпеці. І навіть тоді «масовий ринок» може означати «додаткове оновлення за 10 тисяч доларів».

Мабуть, я песиміст. Але я надто багато разів розчаровувався.

Прямо зараз? Переважно презентації PowerPoint.

Але серйозно:

Електричні автомобілі- Це те, про що дбає кожен. 500+ радіус дії, 10-хвилинна зарядка, легше, безпечніше. Справді змінить ринок електромобілів. ЯКЩО це станеться.

Телефони та ноутбуки- Уявіть, що ваш телефон працює 2 повних дні при інтенсивному використанні. Або на половину товщини. Або ніколи більше не матиме ситуацій із Samsung Note 7. Ось така мрія.

Медичні імплантати- Ось де деякі твердотільні-батареї ВЖЕ використовуються! Для кардіостимуляторів потрібні батареї, які на 100% не вийдуть з ладу та не потечуть у ваше тіло. Твердий-стан ідеально підходить для цього. Маленька батарея, необов’язково бути дешевою, безпека — головне.

Безпілотники/авіація- Електричним літакам потрібна найвища щільність енергії. Кожен грам має значення. Твердий-стан може зробити електричну авіацію справді життєздатною, ніж маленькі дрони.

Grid Storage- Можливо? Але, чесно кажучи, для стаціонарного зберігання вага не має значення. LFP вже дешевий і досить безпечний. Важко перевершити за вартістю. Твердотільний-мало б бути ДУЖЕ дешевим, щоб конкурувати тут.

Мене постійно це запитують. На вечірках (батарейники ходять на вечірки нормально), на конференціях, у випадкових родичів у Facebook.

Відповідь: Ні. Не чекайте.

Якщо ви хочете EV зараз, купіть EV зараз. Сучасні електромобілі дійсно хороші! Модель 3, Ioniq 5, F-150 Lightning, всі хороші варіанти. Перевірена технологія. Відома надійність.

До того часу, коли з’являться доступні твердотільні електромобілі:

Ви їздите на поточному електромобілі вже 5+ років

Технологія все ще буде першого-покоління з невідомими проблемами

Інфраструктура зарядки стане ще кращою

Ціни на вживані електромобілі могли впасти, хто знає

Якщо ви плануєте купувати в кінці 2027 або 2028? ТОДІ, можливо, зачекайте, щоб побачити, що насправді буде випущено. Але не відкладайте своє життя на паузу.

Технології постійно вдосконалюються. Завжди є щось краще «незабаром». Не можу чекати вічно.

Я чекав, щоб купити телевізор 4K до 2019 року. Знаєте, що сталося? Стали дешевше і краще. Але 4K-телевізора у мене також не було 6 років. Чи було воно того варте? Чесно... ні. Треба було просто купити один.

solid-state batteries

Добре, не брехня. Але вводить в оману.

Усі перекидаються цифрами щільності енергії. "400 Вт/кг!" "500 Вт/кг!" "900 Вт/кг!"

Ось що вам не кажуть:

Сучасні літій-ІОНОВІ ЕЛЕМЕНТИ: 250-300 Вт·год/кг
Сучасні літій{0}}ПАКЕТИ: 150-200 Вт·год/кг

Бачите різницю? У комплект входить корпус, охолодження, проводка, системи управління акумулятором. Приблизно 30-40% ваги акумуляторної батареї – це навіть не батарея.

Твердотільні -заяви CELL: 400-500 Вт·год/кг
Твердотільний{0}}реальний PACK: Хто знає? Можливо, 250-350 Вт/кг?

Тож коли Toyota каже "вдвічі більша щільність енергії!" вони порівнюють-найкращі номери клітинок із поточними номерами пакетів. Не яблука до яблук.

Реальне покращення на рівні пакету, ймовірно, становитиме 50-75%. Що все ще чудово! Справді чудово! Але не революція, яку передбачає маркетинг.

Крім того, щільність енергії - це ще не все. Щільність потужності має значення (як швидко ви розряджаєтеся). Цикл життя має значення. Температурні характеристики. Вартість кВт-год має найбільше значення для масового впровадження.

Батарея, яка коштує 2000 доларів США/кВт-год з 500 Вт-год/кг, гірша за батарею, яка коштує 100 доларів США/кВт-год з 250 Вт-год/кг. У будь-якому випадку для більшості програм.

Якщо ви звичайна людина:Наразі забудьте про твердотільний-стан. Купуйте все, що вам потрібно, за допомогою сучасних технологій. Працює добре.

Якщо ви купуєте електромобіль у 2025-2026 роках:Купуйте зараз із поточним літій-іонним. Не чекай. Ідеальний електромобіль майбутнього з’явиться нескоро.

Якщо ви інвестор:Це високий ризик, висока винагорода. Я б ставив на відомих гравців (Samsung, Toyota, CATL), а не на стартапи. Але це тільки я. Я не схильний-до ризику, тому що я бачив, як надто багато стартапів, що працюють на акумуляторах, виходять із ладу та згоряють. Буквально в одному випадку.

Якщо ви інженер:Заходьте в це поле! Це неприємно, але справді захоплююче. Просто будьте готові до повільного прогресу та багатьох тупиків.

Якщо ви плануєте купувати в 2027-2028 роках:Почніть звертати увагу на те, хто насправді доставляє, а не на те, хто просто робить оголошення. Мої гроші на Samsung і, можливо, на Nissan.

Чого НЕ робити:Не купуйте «твердотільні батареї, доступні зараз!» із схематичних веб-сайтів. Вони брешуть. Якщо це справді, це буде у великих новинних виданнях і від великих виробників.

І ще одне: якщо вам потрібні батареї ЗАРАЗ і ви бажаєте щось середнє між звичайним літій-іонним і твердотільним-мріяним? Зазирни влітій-полімерні акумулятори. Вони не твердо-, але набагато безпечніші за стандартні літій-іони, не протікають, і ви можете отримати їх сьогодні. Використовується в тоннах пультів дистанційного керування та деяких телефонах. Не революційний, але реально доступний, лол.