Энергия
Новая стратегия интерфейса улучшает поток ионов в твердотельных батареях
Литий-ионные аккумуляторы стали мировым стандартом. Сегодня это самый популярный и широко используемый тип аккумуляторов, размер рынка которого оценивается примерно в расходы на видеорекламу в мире достигнут в 2023 году.
Но, конечно, они не лишены недостатков, включая чувствительность к температуре, проблемы безопасности и ограниченный срок службы.
Чтобы сделать литий-ионные аккумуляторы более безопасными и мощными, жидкие электролиты заменяют твердыми для создания твердотельных аккумуляторов, рынок которых , по прогнозам, будет расти среднегодовыми темпами в 41.6% в период с 2024 по 2032 год.
Переход на твердотельные батареи (SSB)
В аккумуляторе электролит — это материал, который позволяет ионам перемещаться по устройству для выработки электроэнергии.
Таким образом, аккумулятор с твердым электролитом является твердотельным аккумулятором, который обеспечивает более высокую плотность энергии, более быструю зарядку, устойчивость к температурам, более длительный срок службы и повышенную безопасность.
Несмотря на свои обещания, SSB также сталкиваются с рядом проблем, включая сложное производство и потенциальные проблемы безопасности, связанные с образованием дендритов. Кроме того, они могут подвергаться расслоению на границе раздела, что ограничивает их производительность и срок службы. В совокупности эти ограничения препятствуют широкому внедрению SSB.
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи и компании по всему миру активно работают над совершенствованием этой технологии.
Например, Samsung SDI — это направлены плотность энергии 900 Вт·ч/л благодаря фирменным технологиям твердого электролита и отсутствия анодов, что на 40% выше, чем у существующих аккумуляторов.
Китайские гиганты CATL и BYD также добиваются значительных успехов в технологии SSB: первая работает над гибридной «конденсированной батареей», а вторая исследует твердые электролиты на основе оксидов и сульфидов; обе компании нацелены на достижение плотности энергии 500 Вт·ч/кг.
В ЕС Volkswagen сотрудничает с QuantumScape (QS ). Ее подразделение по производству аккумуляторов PowerCo также заключило лицензионное соглашение на массовое производство твердотельных элементов с начальной мощностью 40 ГВт·ч в год, увеличенным на 30% запасом хода и сверхбыстрой зарядкой.
Nissan планирует начать массовое производство своих первых твердотельных ячеек до конца десятилетия, а LG нацеливается на коммерциализацию к 2030 году. Solid Power, тем временем, сотрудничает с Брод (F ), BMW и SK Innovation ускорят коммерциализацию технологии полностью твердотельных аккумуляторов с упором на твердые электролиты на основе сульфида для электромобилей.
Ранее в этом месяце немецкая транснациональная автомобильная компания Mercedes-Benz Group AG (ранее Daimler) представила первый автомобиль на дороге с литий-металлическим SSB. Прототип SSB был интегрирован в EQS в конце прошлого года.
В компании отметили, что система SSB в автомобиле на базе EQS может увеличить запас хода на 25%.
Итак, хотя SSB и находятся в процессе, коммерциализация все еще отстоит на несколько лет. Тем временем группа исследователей из Техасского университета в Далласе обнаружила способ повысить производительность твердотельных батарей.
Повышение ионной проводимости в SSB
опубликованный В последнем исследовании, опубликованном в ACS Energy Letters, подробно описывается открытие повышенной ионной проводимости1 при смешивании твердого электролита с другим твердым веществом.
Эта повышенная ионная проводимость вызвана образованием слоя пространственного заряда на границе раздела, что обеспечивает новую стратегию разработки быстрых ионных проводников для SSB. «Слой пространственного заряда», как результат смешивания мелких частиц между двумя твердыми электролитами, представляет собой накопление электрического заряда на границе раздела между двумя материалами.
Происходит следующее: когда твердые электролитные материалы, которые являются отдельными, вступают в физический контакт, на их границе образуется слой. На границе заряженные частицы накапливаются из-за различий в химическом потенциале каждого материала.
Затем слой помогает создавать пути, которые облегчают перемещение этих заряженных частиц или ионов через интерфейс. По словам соавтора исследования, доктора Лайсуо Су, доцента материаловедения и инженерии в Школе инженерии и компьютерных наук Эрика Йонссона:
«Представьте, что вы смешиваете два ингредиента в рецепте и неожиданно получаете результат, который лучше, чем любой из ингредиентов по отдельности».
Он добавил:
«Этот эффект усилил движение ионов сверх того, чего любой из материалов мог бы достичь сам по себе», — добавил он.
Исследования доктора Су сосредоточены на разработке революционных материалов для устройств возобновляемой энергии в области аккумуляторных батарей. Помимо особого интереса к электролитам, как твердым, так и жидким, а также к интерфейсу электролит-электрод, где происходят важные реакции, он работает над созданием передовых инструментов для мониторинга химических и электрохимических реакций, происходящих в оборудовании возобновляемой энергии.
«Это открытие предлагает новый способ разработки более совершенных твердых электролитов путем тщательного выбора материалов, которые взаимодействуют таким образом, что усиливают движение ионов, что потенциально приводит к созданию более эффективных твердотельных батарей».
– Доктор Су
Проект является частью инициативы UTD «Батареи и энергия для содействия коммерциализации и национальной безопасности» (BEACONS), которая получила финансирование в размере 30 миллионов долларов от Министерства обороны при запуске в 2023 году. Целью проекта является разработка и коммерциализация новых технологий и производственных процессов в области аккумуляторов, повышение доступности критически важного сырья на внутреннем рынке и подготовка высококвалифицированных рабочих для промышленности.
По словам соавтора исследования, доктора Кёнджэ Чо, который также является профессором материаловедения и инженерии и директором BEACONS:
«Технология твердотельных аккумуляторов является частью наших исследований химии аккумуляторов следующего поколения в центре BEACONS, и ожидается, что она позволит усовершенствованным аккумуляторным системам улучшить производительность беспилотных летательных аппаратов оборонного назначения».
Литий-ионные аккумуляторы, которые в настоящее время используются в потребительских товарах, в основном содержат жидкие электролиты, которые являются легковоспламеняющимися и, следовательно, представляют угрозу безопасности.
По словам Су, в то время как обычные литий-ионные батареи достигли своего теоретического предела того, сколько энергии они могут хранить, SSB демонстрируют перспективу генерации и хранения более чем в два раза больше энергии, чем батареи с жидкими электролитами. И поскольку они не воспламеняются, они также более безопасны.
Однако перемещение ионов через твердые материалы затруднено, что создает проблемы вразработка твердотельных аккумуляторов.
Итак, исследователи изучили производительность двух перспективных твердотельных электролитных соединений (SSE). Сюда входят хлорид лития-циркония (Li2ZrCl6) и хлорид лития-иттрия (Li3YCl6).
Затем исследователи предложили теорию, почему смешивание этих факторов усилило ионную активность. «Интерфейс сформировал уникальные каналы для транспорта ионов», — сказал Су.
В дальнейшем исследователи продолжат изучать, как состав и структура интерфейса приводят к повышению ионной проводимости.
Решение проблемы дендритов в SSB
Потребность в батареях с более высокой плотностью энергии привела к появлению еще одной группы исследователей, работающих над критической проблемой дендритов. Первоначально считалось, что дендриты не могут проникать в твердый электролит. Но, как и другие архитектуры батарей, они также являются проблемой для полностью твердотельных батарей.
Группа инженеров и материаловедов из нескольких институтов Китая открытый2 что усталость металла на аноде является одной из основных причин, по которым SSB выходят из строя со временем. Она также способствует деградации интерфейса и росту дендритов.
Группа использовала сканирующую электронную микроскопию и моделирование фазового поля для изучения роста дендритов в литиевых SSB.
Они обнаружили, что во время зарядки и перезарядки постоянное набухание и сжатие лития вызывало усталость металла в аноде, что способствовало росту дендритов. Более конкретно, было обнаружено, что постоянное расширение и сжатие приводило к образованию микропустот и трещин на аноде, что приводило к росту и деградации дендритов даже при низких плотностях.
Что такое дендрит, то это древовидная структура, которая образуется в результате химических реакций на поверхности анода.
Аноды в аккумуляторе проходят процессы литий-покрытия и снятия покрытия во время циклов заряда и разряда. В этом обратимом процессе ионы лития осаждаются на поверхности анода (покрытия) и удаляются (снимаются) с нее во время обычных циклических операций (заряда и разряда) аккумулятора.
Однако неравномерное осаждение ионов лития на поверхности анода имеет тенденцию создавать участки, которые притягивают больше ионов лития, что приводит к удлинению цепочки ионов лития. Древовидная структура затем проникает через батарею, разрушая ее структуру и вызывая короткое замыкание.
В SSB имеется большая площадь контакта между металлическим литием и твердым электролитом. И если в твердом электролите появляются пустоты, металлический литий быстро заполняет их, вызывая серьезное образование дендритов и распространение глубоких трещин через электролит.
Так, Хэгём Ким, научный сотрудник по материалам Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли в Калифорнии, опубликовала3 решение этой проблемы.
В их исследовании подробно описывается использование двойного буферного слоя олова-углерода на токосъемнике для предотвращения образования дендритов в литиевых безанодных полностью твердотельных батареях (ASSB). В этой архитектуре SSB анод не конструируется заранее, а формируется во время первого цикла зарядки на токосъемнике ионами лития из катода для снижения сложности, веса и стоимости.
В предыдущей статье исследователей из Samsung была показана возможность использования слоев серебра и углерода в качестве буферного слоя в литиевых батареях, обладающих очень стабильным и равномерным циклом нанесения и удаления лития.
Изучая, почему это эффективно, команда Кима обнаружила, что серебро очень литофильно, и ионы лития равномерно выстраиваются поверх его слоя, даже при высоких концентрациях лития, делая литиевое покрытие очень однородным, при условии, что осаждение серебра было равномерным.
Однако понимание роли углерода легло в основу новой работы, в которой команда выбрала олово, которое подходит лучше дорогостоящего серебра.
Чтобы выяснить роль углерода, команда разработала несколько тестов и использовала четыре различных полуэлемента батареи. Один с оловянным буферным слоем, один без буферного слоя, один с оловом поверх углеродного буферного слоя и один с углеродом поверх оловянного буферного слоя.
Слои были нанесены на токосъемник из нержавеющей стали, и наилучшие характеристики показал буферный слой с углеродом поверх олова.
«Мы поняли, что олово действует как литофильный слой, как серебро, поэтому расположение олова важно, поскольку именно там происходит нанесение покрытия».
- Ким
Углеродный слой оказался литофобным, то есть ионы лития с трудом проходили через этот слой, а не стремились двигаться в противоположном направлении. Размещение его на олове предотвратило миграцию лития из недавно созданного слоя покрытия на олове и остановило проникновение дендритов в электролит.
По словам Кима:
«Речь идет не только о внутренних свойствах одного материала. То, как мы их комбинируем, имеет огромное значение, поскольку это может существенно изменить свойства барьерного слоя».
Сейчас команда работает над новыми буферными слоями с более высокой производительностью, проводит испытания в течение более длительных циклов и переходит к более практичным системам.
Устранение пустот для увеличения продолжительности жизни
Еще один прорыв в приближении SSB к реальным приложениям был достигнут благодаря пониманию того, почему добавление небольших количеств металлов, таких как магний, к аноду улучшает производительность батареи.
Хотя это происходит часто, до сих пор не было известно, почему это происходит.
Для этого исследователи из Хьюстонского университета с помощью сканирующей электронной микроскопии Operando изучили все происходящее в однослойных монослоях, чтобы понять, почему они выходят из строя и что можно сделать, чтобы замедлить этот процесс.
«Это исследование решает давнюю загадку о том, почему твердотельные батареи иногда выходят из строя», — сказал соавтор Ян Яо, заслуженный профессор электротехники и вычислительной техники имени Хью Роя и Лилли Кранц Каллен и главный исследователь Техасского центра сверхпроводимости.
Их открытие4, по словам Яо, позволяет SSB функционировать при более низком давлении. Это может потенциально снизить потребность в громоздком внешнем корпусе и повысить общую безопасность.
Было установлено, что со временем внутри батареи образуются крошечные пустоты, которые формируют большой зазор, что приводит к выходу батареи из строя. Проведение нескольких испытаний показало, что простое добавление небольшого количества элементов, таких как магний (Mg), может закрыть эти пустоты и помочь батарее продолжать функционировать.
«Всего лишь небольшое изменение химического состава аккумулятора позволит нам значительно улучшить его производительность, особенно в реальных условиях, например, при низком давлении».
– Первый автор Лихун Чжао, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Университете Хьюстона
Для работы однослойных аккумуляторов необходимо высокое внешнее давление, но, как отметил Чжао, «тщательно регулируя химический состав аккумулятора, мы можем значительно снизить давление, необходимое для поддержания его стабильности».
Тем временем исследователи из Университета Миссури использовали четырехмерную сканирующую просвечивающую электронную микроскопию (4D STEM) для оценить атомная структура батареи.
Они обнаружили, что когда твердый электролит касается катода, он реагирует и образует межфазный слой толщиной 100 нм, который препятствует свободному перемещению литий-ионов и электронов, что в свою очередь ограничивает производительность батареи.
Теперь исследовательская группа планирует проверить, могут ли тонкопленочные материалы, сформированные методом осаждения из паровой фазы (oMLD), обеспечить защитное покрытие, «достаточно тонкое, чтобы предотвратить реакции» между твердым электролитом и катодными материалами, «но не настолько толстое, чтобы блокировать поток литий-ионов».
Использование ИИ для содействия исследованиям и разработкам SSB
С искусственный интеллект преобразует отрасли, вполне логично, что исследователи также прибегают к его помощи для решения проблемы исследований и разработок в области SSB, которые требуют больших ресурсов и времени.
Сложная химическая среда SSB фактически затрудняет прогнозирование производительности и задерживает крупномасштабную индустриализацию.
В исследовании5 на прошлой неделе инженеры из Университета Сучжоу и Нанкинского университета в Китае указали на потенциал ИИ для обеспечения эффективного скрининга материалов и прогнозирования производительности. Последний прогресс в использовании алгоритмов машинного обучения (ML), как отмечается, может быть использован для добычи обширных баз данных материалов и ускорения обнаружения высокопроизводительных материалов, подходящих для SSB.
Согласно исследованию, быстрое развитие технологий искусственного интеллекта дает новые идеи для решения основных задач, связанных с однослойными буферными батареями, такими как анодный интерфейс, катодный интерфейс, синтез и открытие электролитов, а также производство аккумуляторов.
Исследователи из Сколтеха и Института AIRI также воспользовались нейронными сетями и обнаружили, что они способны определять перспективные материалы для твердого электролита, а также его защитных покрытий.
«Мы продемонстрировали, что графовые нейронные сети могут определять новые материалы для твердотельных аккумуляторов с высокой ионной подвижностью и делать это на порядки быстрее, чем традиционные методы квантовой химии», что потенциально ускоряет разработку новых материалов для аккумуляторов, сказал ведущий автор Артем Дембицкий.
Используя подход, ускоренный машинным обучением, исследователи определили соединения Li3AlF6 и Li2ZnCl4 как перспективные материалы покрытия для суперионного литиевого проводника Li10GeP2S12.
Инвестиции в технологию SSB
Когда речь идет об инвестировании в компанию, активно развивающую технологию твердотельных аккумуляторов, Toyota (TM ) обладает солидным потенциалом.
Японский автопроизводитель заключил партнерское соглашение с Panasonic. форма совместное предприятие Prime Planet Energy & Solutions, специализирующееся на твердых электролитах на основе сульфида. Компания планирует начать производство в следующем году, а массовое производство не ожидается до 2030 года, ориентируясь на запас хода в 1,000 км, быструю зарядку за 10 минут и годовую мощность в 9 ГВт-ч.
Компания также заключила партнерское соглашение с Idemitsu Kosan с целью наладить массовое производство электролитов на основе сульфидов к 2027–2028 годам.
Toyota Motor Corp (TM )
Опыт Toyota с твердотельными аккумуляторами начался около двух десятилетий назад с создания подразделения по исследованию аккумуляторов, целью которого является разработка аккумуляторов следующего поколения для гибридных и электрических транспортных средств.
Что касается рыночных показателей Toyota Motors, то они были довольно сильными, ее акции в настоящее время торгуются по $183.60. Хотя с начала года они упали на 4.87%, они выросли более чем на 17% с апрельского минимума. Еще в прошлом году, в марте, цена акций компании превысила $255, достигнув нового пика.
(TM )
При рыночной капитализации Toyota в 292.4 млрд долларов прибыль на акцию (TTM) составляет 24.01, а коэффициент P/E (TTM) — 7.71. Компания также предлагает привлекательную дивидендную доходность в 3.27%.
Финансовые результаты компании за первый квартал 1 года показал Чистая выручка увеличилась на 6.5% до $314 млрд, а операционная прибыль снизилась более чем на 15% до $31.3 млрд. За этот период компания продала в общей сложности около 9,362,000 81,000 XNUMX единиц. Несмотря на снижение продаж на XNUMX XNUMX единиц за квартал, Toyota по-прежнему оставалась самой продаваемой маркой.
Это произошло после того, как Toyota продала 10.8 миллионов автомобилей в 2024 году, став мировым лидером Лучшие продажи автопроизводитель пятый год подряд.
Последние новости и события акций Toyota Motor Corp. (TM)
Заключение: Будущее твердотельных батарей
Твердотельные батареи обещают много преимуществ по сравнению с широко используемыми литиевыми батареями. Хотя они предлагают лучшую безопасность, плотность энергии и долговечность, такие проблемы, как межфазное расслоение и образование дендритов, по-прежнему мешают их массовому внедрению.
Здесь последнее открытие, что смешивание определенных твердых электролитов создает «слой пространственного заряда», который улучшает подвижность ионов, представляет собой многообещающее новое направление. Благодаря таким прорывам, а также постоянным экспериментам компаний, SSB наконец-то может стать жизнеспособным для реального использования в мобильных устройствах и электромобилях.
Ссылки на исследования:
1. Ван, Б., Лимон, М. С. Р., Чжоу, И., Чо, К., Ахмад, З. и Су, Л. (2025). Эффект 1 + 1 > 2, вызванный пространственным зарядом в твердых электролитах. ACS Energy Letters, 10 (3), 1255-1257. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c03398
2. Ван, Т., Чэнь, Б., Лю, Ю., Сун, З., Ван, З., Чэнь, Ю., Юй, Ц., Вэнь, Дж., Дай, Ю., Кан, Ц., Пэй, Ф., Сюй, Р., Ло, В. и Хуан, И. (2025). Усталость анода из лития в твердотельных батареях. Наука, 388 (6744), 311-316. https://doi.org/10.1126/science.adq6807
3. Аввару, В. С., Огунфунми, Т., Джеонг, С., Диалло, М. С., Уотт, Дж., Скотт, М. С. и Ким, Х. (2025). Двойной буферный слой олова и углерода для подавления роста литиевых дендритов в твердотельных батареях. ACS Nano, 19 (18), 17347-17356. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c16271
4. Чжао Л., Фэн М., Ву К. и другие Визуализация эволюции интерфейса литий-твердый электролит с использованием сканирующей электронной микроскопии Operando. Nat Commun 16, 4283 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59567-8
5. Ван, С., Лю, Дж., Сун, С. и другие Искусственный интеллект позволяет использовать твердотельные батареи для скрининга материалов и оценки производительности. Нано-Микро Летт. 17, 287 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-025-01797-y
