Японцы синтезировали материал, который позволит выпускать безопасные аккумуляторы со сроком службы вплоть до 10 раз большим, нежели могут предложить современные литий-ионные батареи. Новая технология пока не позволяет производить тяговые батареи для электротранспорта и сфера ее применения ограничена носимой электроникой и другими миниатюрными приборами вроде кардиостимуляторов.
Специалисты японской компании Koike и Национального института передовых промышленных наук и технологий (AIST; Япония) создали материал, который позволит создать аккумуляторы с рекордным сроком службы, пишет Nikkei Asian Review.
Новый материал представляет собой монокристалл, который предполагается использовать в качестве электролита в твердотельных аккумуляторах.
Электролит в аккумуляторе – это вещество которое проводит электрический ток путем переноса ионов от одного электрода устройства к другому, таким образом, осуществляя зарядку или разрядку накопителя энергии.
По сравнению с материалами на основе поликристаллов, применяемыми в типовых твердотельных аккумуляторах, представленный японскими учеными монокристалл характеризуется на 90% более низким электрическим сопротивлением. Благодаря этому току «легче» преодолевать электролитный слой, что положительно сказывается на максимальном сроке эксплуатации аккумулятора, отмечает Nikkei.
Koike, в частности, занимается производство монокристаллических пластин, которые применяются в качестве подложек для интегральных микросхем. В 2017 г. долю в компании приобрела японская финансовая группа Orix. Впоследствии компания была трансформирована в полноценную «дочку» Orix.
Ожидается, что твердотельные аккумуляторы на основе нового электролита найдут применение в составе медицинских устройств, таких как электрокардиостимуляторы (искусственные водители ритма сердца), умные часы и прочие носимые или просто компактные устройства. По данным источника, использование новой технологии Koike позволит увеличить срок службы батарейки ЭКС до 50 лет с текущих 5-10 лет, что немаловажно в случае с имплантируемыми устройствами, установка и извлечения которых требует хирургического вмешательства.
Как отмечает Nikkei Asian Review, в Koike рассчитывают начать поставку образцов продукции производителям аккумуляторов в самое ближайшее время. Запустить массовое производство в компании планируют в 2027-2028 гг., предварительно заключив партнерства и создав совместные предприятия с производителями.
Освоение производства крупных монокристаллических структур является непростой задачей, с которой Koike пока не справилась. В настоящее время компания располагает технологией производства высококачественных монокристаллов диаметром до 25 мм, что позволяет получать на их основе аккумуляторы довольно скромных размеров и невысокой емкости. Таким образом, сфера применения новинки ограничивается компактными устройствами вроде ранее упомянутых ЭКС и смарт-часов.
В сотрудничестве с AIST Solutions («дочка» AIST) Koike намерена вести исследовательскую работу, целью которой станет повышение емкости аккумуляторов на основе нового электролита за счет улучшения свойств материалов катодов и увеличения физического размера батареи. Если поставленные цели будут достигнуты, то новый материал в отдаленной перспективе могут начать применять в изготовлении аккумуляторных батарей для электротранспорта.
Полноценные твердотельные аккумуляторы для отрасли автомобилестроения в Японии в настоящее время разрабатывает Toyota Motors в партнерстве с Idemitsu Kosan. В устройствах этих компаний электроды выполняются из сульфидов, однако, как отмечает Nikkei Asian Review, новый материал Koike считается более безопасным.
В широко распространенных сегодня литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторах применяются жидкие электролиты, которые имеют ряд существенных недостатков. Повреждение такого аккумулятора с последующим коротким замыканием может приводит к перегреву устройства и его воспламенению. С проблемой такого характера, в частности, сталкивались некоторые из владельцев смартфонов Samsung Galaxy Note 7. Некачественные АКБ обошлись южнокорейской компании по крайней мере в $5,3 млрд.
Твердотельные аккумуляторы, в свою очередь, устойчивы к физическому воздействию и не имеют свойства воспламеняться даже при сравнительно высоких температурах, и поэтому являются гораздо более безопасным решением.
Аккумуляторы, которые будут производиться на основе синтезированного японцами вещества, получат твердотельный электролит, а электроды будут обрабатываться специальным жидким составом, чтобы предотвратить преждевременную утрату их полезных свойств. Таким образом, эти аккумуляторы предлагается считать «полутвердотельными» (semisolid-state).
По оценке аналитиков компании Emergen Research, объем мирового рынка твердотельных аккумуляторных батарей к 2021 г. должен был достигнуть $600 млн в год. Прогноз на 2030 г. предполагает его расширение до $10,1 млрд. Ожидается, что применение этой продукции найдется в производстве электрических транспортных средств и устройств, устойчивых к высоким температурам.