Китайская CATL ещё в 2024 году держала больше 1000 человек на исследованиях solid-state batteries, а BYD, LG и Samsung тоже развивают эту технологию. Стартапы из США и Европы, делающие solid-state, суммарно привлекли свыше $4 млрд. Интерес понятен: замена жидкого electrolyte на твёрдый обещает более лёгкие и безопасные аккумуляторы, потому что пропадает горючая жидкость и уменьшается масса на единицу энергии.
Чтобы разобраться в преимуществах, полезно посмотреть на химию. Любая батарея отдаёт энергию через химическую реакцию, где электроны «падают» из более высокой потенциальной ямы в низкую. Гравитационная аналогия: шарик на вершине холма в ложбинке — если его вытолкнуть, он катится вниз, отдавая потенциальную энергию в виде тепла. Так и электроны: после небольшого толчка они переходят в низкоэнергетическую конфигурацию, выделяя тепло или создавая ток. В lithium-ion батареях при разряде ионы лития и их электроны «падают» из анода, где они зажаты между слоями graphite (это называется intercalation), в катод — например, в LiFePO4. Ионы проходят через electrolyte, а электроны вынуждены идти по внешней цепи, создавая электрический ток. При зарядке процесс обратный.
Литий выбран не случайно: уходящий от него электрон падает глубже, чем у любого другого металла, и сам атом лёгкий. На единицу массы литиевая реакция даёт примерно столько же энергии, сколько сжигание бензина. Но плотность энергии lithium-ion батарей намного ниже. Главная причина — окислитель. Двигатель внутреннего сгорания берёт кислород из воздуха, а батарея вынуждена таскать свой «окислитель» с собой в виде катода. На каждый килограмм бензина понадобилось бы около 3,5 кг кислорода.
Кроме того, батарея требует много «строительных лесов». Анод из graphite добавляет по шесть атомов углерода на каждый ион лития, катоду тоже нужна intercalation-структура, плюс масса electrolyte, сепаратора и токосъёмников. По данным на 2019 год, на грамм реагирующего лития приходилось примерно 70 граммов опорных материалов. Эти «леса» не дают реакции пойти напрямую — иначе случилось бы короткое замыкание, мгновенный runaway разогрев и разрушение ячейки. Зато intercalation-электроды отлично держат циклы: структура почти не деградирует при перезарядке.
Solid-state batteries могут радикально сократить это обрамление. Сейчас главная головная боль — dendrites. При зарядке ионы лития способны не внедряться обратно в graphite анода, а оседать на его поверхности в виде металлических игл (dendrites). Если dendrite проткнёт сепаратор и достанет до катода, возникает прямой проводящий канал — начинается runaway reaction с выделением тепла и потенциальным пожаром. Твёрдый electrolyte в теории не даёт dendrites прорасти, а если эта угроза снимается, можно отказаться от graphite и перейти на анод из чистого metallic lithium — это уберёт лишнюю массу. Вдобавок негорючий твёрдый electrolyte повышает безопасность.
Пока технология не готова к массовому внедрению: председатель CATL оценивает её зрелость на 4 из 9 и отмечает, что коммерческая состоятельность «ещё не установлена». Тем не менее ожидания, что solid-state batteries окажутся «потенциально безопаснее, энергоёмче и, возможно, со временем дешевле», заставляют производителей по всему миру вкладываться в их создание.