Почему известный исследователь аккумуляторов, занимающийся твердотельными технологиями, пессимистично относится к "аккмулятору мечты", который становится реальностью
Ким Чон Су - руководитель отдела исследований и разработок Dongwha Enterprise, партнера Samsung SDI (Dongwha Enterprise)
Идея довольно простая, но мощная.
За счет замены легковоспламеняющегося жидкого раствора внутри обычных литий-ионных батарей твердыми материалами твердотельные батареи устраняют проблемы возгорания, имеют больший срок службы, поддерживают более быструю зарядку, имеют меньший вес и большую емкость.
Гонка среди «восходящих» стартапов по производству твердотельных аккумуляторов и известных игроков в области литий-ионных батареи, включая южнокорейское трио LG Energy Solution, SK Innovation и Samsung SDI, уже началась, чтобы первым представить революционный элемент.
Компания Dongwha Enterprise, поставщик материалов для аккумуляторов из Инчхона, является одним из кандидатов на участие в дорожной карте Samsung SDI по разработке твердотельных аккумуляторов. Ей поручено разработать твердые электролиты - ключ к воплощению «аккумулятора мечты». Samsung SDI нацелена на разработку прототипов твердотельных батарей к 2025 году и их коммерциализацию к 2027 году - временные рамки, разделяемые его более крупным конкурентом LG Energy Solution.
Несмотря на ажиотаж вокруг твердотельных батарей, Ким Чон Су, руководитель отдела исследований и разработок Dongwha Enterprise, придерживается более консервативной точки зрения. Твердотельные батареи, которые пока реализуются только в лабораториях, столкнутся с непростой задачей - стать коммерческим товаром как их литий-ионные эквиваленты или основным компонентом для хранения электроэнергии в будущем, сказал он в недавнем интервью The Korea Herald.
Цена – превыше всего
Внутри литий-ионного элемента содержимое пропитано жидким раствором, называемым электролитами. Через эту жидкость ионы лития перемещаются взад и вперед между катодом, положительной стороной, и анодом, отрицательной стороной. Это основной механизм зарядки и разрядки литий-ионных аккумуляторов.
Когда литий-ионные батареи подвергаются многократному заряду-разряду, ионы лития медленно накапливаются с течением времени, образуя игольчатую структуру, называемую дендритами. Эти дендриты могут вырасти до такой степени, что они проникнут через сепараторы - тонкие пластиковые стенки, разделяющие катоды и аноды - и вызовут короткие замыкания.
При замене легковоспламеняющихся жидких электролитов твердыми из керамических материалов твердотельные батареи становятся пожаробезопасными. Даже в случае короткого замыкания твердые электролиты нагреваются, но не загораются - как и камни, как правило, не загораются.
Тем не менее твердые электролиты чрезвычайно сложно производить, и поэтому им не хватит ценовой конкурентоспособности для коммерциализации, по словам Кима, который более 30 лет проработал в одной из трех крупнейших компаний по производству аккумуляторов в Южной Корее.
«Твердые электролиты не должны подвергаться воздействию атмосферы или влаги во время производственного процесса, так как в противном случае они разлагаются и выделяют токсичные газы. Нам потребовалась целая неделя, чтобы изготовить десятки граммов образцов твердого электролита в перчаточном ящике, заполненном аргоном. Для их массового производства все предприятие должно быть заполнено аргоном, поэтому это непростое дело», - сказал он, опираясь на свой опыт тестирования твердых сульфидов в качестве электролита для аккумуляторных батарей.
Рыночная цена жидких электролитов составляет от 6 до 7 долларов за килограмм. Один килограмм твердых электролитов, изготовленных из твердого сульфида, стоит в лабораториях как минимум десятки тысяч долларов. По его словам, даже если он будет производиться серийно, его стоимость будет в 10 раз дороже.
«Если бы твердые электролиты производились в объеме 8 кг в месяц, цена составила бы более 1000 долларов за килограмм. И даже если бы они выпускались в объеме 1000 тонн – а не несколько килограммов – в месяц, они все равно были бы в 10 раз дороже жидких электролитов», - сказал Ким.
Компания Dongwha Enterprise, основным направлением деятельности которой является производство жидких электролитов для Samsung SDI, не единственная, кто использует сульфид в качестве материала для электролита. SolidPower, CATL и совместное предприятие Toyota и Panasonic разрабатывают твердотельные батареи, заполненные твердыми сульфидными электролитами, так как они обладают высочайшей литий-ионной проводимостью. Проще говоря, ионы лития лучше всего проходят через твердые сульфидные электролиты по сравнению с другими известными кандидатами.
Однако твердые сульфидные электролиты крайне нестабильны и химически уязвимы при воздействии атмосферы. Следовательно, твердые сульфидные электролиты должны производиться в герметичных контейнерах, заполненных аргоном - инертным газом без цвета и запаха, который используется, в частности, при сварке, в лазерах и электрических лампах.
Литий-ионный "картель"
Прежде всего, твердые сульфидные электролиты требуют совершенно нового сырья, которое редко используется в существующих отраслях промышленности, и поэтому сталкивается с трудностями в достижении экономии за счет масштаба.
«Для производства твердых сульфидных электролитов вам потребуются специальные реагенты, которые можно приобрести только у американской химической компании Sigma-Aldrich. Сто граммов реагентов стоит тысячи долларов, что увеличивает цену на твердые сульфидные электролиты до десятков тысяч долларов за килограмм », - сказал Ким.
«Еще одно ключевое сырье - сульфид лития. Это сырье настолько дорогое - около десятков тысяч долларов за килограмм, - что его никто не использует. Сульфид лития - это минерал, который производится при экстремальной температуре от 700 до 800 градусов по Цельсию, но кто будет делать большие инвестиции и создавать огромные производственные мощности, если в настоящее время нет гарантированного спроса? ».
По словам Кима, из 170 граммов сульфида лития производится 1 килограмм твердого сульфидного электролита.
Что наиболее важно, Ким задается вопросом, как именно дорогие твердотельные батареи могут бросить вызов многолетней гегемонии литий-ионных батарей, упомянув несколько неудачных попыток, предпринятых в прошлом более дешевыми альтернативами, примером которых являются натриевые батареи.
«General Electric однажды попыталась заменить литий-ионные батареи на недорогие натриево-никель-хлоридные батареи, построив в США в 2012 году завод мощностью 600 мегаватт-часов. Однако через три года GE в конечном итоге пришлось закрыть завод, потому что натриевые батареи не были достаточно дешевыми, чтобы конкурировать с литий-ионными аккумуляторами», - сказал Ким.
Сырьем для натриевых батарей является соль, которая дешевле литиевых. Но у литий-ионной промышленности есть то, чего не хватает натриевым батареям: огромная инфраструктура и экосистема, разбросанные по всему миру.
«Например, кто будет развертывать инфраструктуру для добычи натрия? Литий-ионная промышленность - это новая нефтяная промышленность, «картель», так сказать. Есть сотни, тысячи компаний, занимающихся производством литий-ионных аккумуляторов, и им будет нелегко вложиться в твердотельные аккумуляторы, - продолжил Ким.
Несмотря на ограничения твердотельных батарей, Ким сказал, что нишевые рынки для них действительно существуют.
Поскольку твердотельные аккумуляторы огнестойкие, они подходят, например, для электрических самолетов. Кроме того, такие известные личности, как глав государств, для которых безопасность является приоритетом, могут создать спрос на электромобили, работающие от твердотельных аккумуляторов, но, тем не менее, их потенциал кажется ограниченным.
«Твердотельные батареи имеют ограниченное применение, поэтому ожидается, что размер их рынка составит 5 процентов от рынка литий-ионных батарей. Не думаю, что производители будут жертвовать своими ресурсами ради этих 5 процентов », - сказал Ким.
Ким Бён Ук (kbw@heraldcorp.com)