Твердотільний акумулятор Toyota - нові досягнення та історія розвитку

Нові досягнення твердотільних акумуляторів Toyota

Згідно з повідомленням Financial Associated Press, 4 липня 2023 року Toyota заявила, що зробила великий прорив у твердотільний акумулятор технологію. Вага, об'єм і вартість твердотільного акумулятора Toyota зменшиться вдвічі, а час автономної роботи може досягати 1200 кілометрів після заряджання протягом 10 хвилин або менше. А процес виробництва акумуляторів був значно спрощений, що знизило вартість технології наступного покоління.

Toyota, другий за величиною автовиробник у світі, вже має план запуску електромобілів з передовими твердотільними батареями Toyota до 2025 року.

Кайда Кейджі (Kaida Keiji), президент Центру досліджень і розробок вуглецево-нейтральних технологій Toyota, сказав: "Незалежно від того, чи це рідкий акумулятор, чи твердотільний, наша мета - повністю змінити поточну ситуацію, коли акумулятори занадто великі, занадто важкі та занадто дорогі. Що стосується потенціалу в цьому відношенні, ми будемо прагнути зменшити ці фактори вдвічі".

Кайда зазначає, що компанія розробила способи підвищення довговічності акумуляторів і вважає, що тепер може створювати твердотільні батареї з запасом ходу в 1200 кілометрів і часом зарядки 10 хвилин або менше. Девід Бейлі, професор економіки бізнесу в Університеті Бірмінгема, вважає, що якщо заяви Toyota відповідають дійсності, це може стати знаковим моментом для майбутнього електромобілів.

Історія розвитку твердотільних акумуляторів Toyota

Toyota визнана в галузі як один з найпотужніших виробників в області твердотільних акумуляторів. Toyota завжди дотримувалася сульфідного шляху в галузі повністю твердотільних акумуляторів і вже має понад 1 000 патентів. Вже в серпні 2020 року електромобілі Toyota, оснащені повністю твердотільними батареями, отримали ліцензії і почали тестові заїзди.

Незважаючи на потужний технічний потенціал, дослідження Toyota в галузі твердотільних акумуляторів не були гладкими, і час масового виробництва твердотільних акумуляторів Toyota кілька разів відкладався. На сьогоднішній день твердотільний акумулятор Toyota встановив час масового виробництва на 2027-2028 роки. Видно, що дослідження та розробка та масове виробництво твердотільних акумуляторів є складними, а також видно наполегливість та наполегливість Toyota щодо твердотільних акумуляторів.

До 2025 року твердотільні батареї Toyota досягнуть невеликого масового виробництва і вперше будуть встановлені на гібридних моделях. До 2030 року твердотільні батареї Toyota повинні вийти на безперервне і стабільне виробництво.

"У процесі розробки ми дізналися, що іони в повністю твердотільному акумуляторі будуть рухатися з високою швидкістю для досягнення високої вихідної потужності, і ми сподіваємося, що ця особливість може бути використана в гібридних транспортних засобах, щоб скористатися перевагами повністю твердотільних акумуляторів", - заявляє Toyota.

У 2021 році Toyota Motor оголосила, що до 2030 року планує інвестувати 1,5 трильйона японських ієн у розробку акумуляторних батарей і ланцюжка їх постачання, щоб зайняти лідируючі позиції в ключових автомобільних технологіях у наступному десятилітті та зберегти стійку конкурентоспроможність цін на електричні та гібридні транспортні засоби.

Міністерство економіки, торгівлі та промисловості Японії оголосило 16 червня 2023 року, що надасть субсидії для запланованих інвестицій Toyota у виробництво акумуляторів.

Однією з субсидій є літієвий залізо-фосфатний акумулятор (LFP), хоча він також буде енергійно розвивати повністю твердотільний акумулятор, який вважається сильним кандидатом на наступне покоління акумуляторів, але Toyota вважає, що літієвий залізо-фосфатний акумулятор можна виробляти за низькою вартістю, що є ключем до електричної стратегії, тому вона планує прискорити розробку.

Очікується, що загальний обсяг бізнесу Toyota, пов'язаного з електромобілями, на який будуть спрямовані субсидії, сягне близько 330 мільярдів ієн, з яких 117,8 мільярда ієн буде надано за рахунок субсидій Міністерства економіки, торгівлі та промисловості Японії.

Toyota збільшить річну виробничу потужність на 25 тис. кВт-год за рахунок посилення ліній з виробництва акумуляторів для електромобілів, включаючи завод у Хімедзі компанії Prime Planet Energy&Solutions (PPES), що фінансується спільно з Panasonic Holdings.

Переваги твердотільного акумулятора

У "The анод літій-іонного акумуляторакатод і електроліт (електроліт і діафрагма) - три важливі компоненти рідких літій-іонних акумуляторів. Твердотільні батареї, як випливає з назви, замінюють рідкий електроліт на твердий. Твердотільні акумулятори матеріали для акумуляторів Найчастіше використовуються сульфіди, полімери та оксиди, а анод батареї також може бути замінений на металевий літій.

Найбільша перевага такої конструкції полягає в тому, що вона може збільшити щільність енергії акумулятора. Оскільки щільність твердих тіл набагато вища, ніж у рідин, щільність енергії твердотільних акумуляторів щонайменше вдвічі вища, ніж у рідких літій-іонних батарей. Наприклад, щільність енергії батареї CATL Kirin становить 255 Вт-год/кг, а твердотільна батарея може легко досягти 500 Вт-год/кг.

У той же час, оскільки металевий літій в твердотільному акумуляторі можна безпосередньо використовувати в якості анода, він не тільки кращий за традиційний графітовий негативний електрод, але і не потребує сепаратор літієвих батарей та інших конструкцій, тобто це може зробити батарею легшою і тоншою.

Крім того, стабільність твердотільних батарей набагато вища, ніж у рідких літієвих батарей. У рідких літієвих батареях легко з'являються літієві дендрити всередині після тривалого використання. Це як голка, яка повільно виростає з катода і з часом стає все довшою і довшою.

Якщо пробити сепаратор достатньо довго, батарея замкнеться накоротко. Якщо акумуляторна батарея пошкоджена зовнішніми силами, легко втратити контроль над температурою під впливом короткого замикання та високої температури, що в кінцевому підсумку може призвести до задимлення, пожежі або навіть вибуху батареї.

Електроліти твердотільних батарей - це полімери, оксиди, сульфіди, стійкі до високих температур, корозійної стійкості, нелегко випаровуються і практично не мають ризику самозаймання. Навіть якщо зовнішня сила дійсно проникає і пробиває, існує висока ймовірність того, що швидкого самозаймання і вибуху не відбудеться, а це означає, що твердотільний акумулятор має більше переваг у безпеці літій-іонних батарей.

Труднощі масового виробництва твердотільних батарей

Згідно зі звітом Huatai Securities Research Report, передбачається, що світовий ринок твердотільних акумуляторів перевищить 300 мільярдів юанів у 2030 році. Зіткнувшись з таким величезним ринком, всі країни активно планують скористатися можливістю.

Тридцять років тому в Ок-Риджській національній лабораторії в США заявили, що створили твердотільний акумулятор, але, на жаль, досі не змогли досягти масового виробництва. За останні два роки, з ростом популярності нових енергетичних транспортних засобів у світі, компанії неодноразово повідомляли про прогрес у масовому виробництві твердотільних акумуляторів. За гарячим ринком твердотільних акумуляторів все ще існує багато недоліків, які не можна ігнорувати.

Масове виробництво твердотільних акумуляторів стикається з багатьма проблемами, такими як проблеми з матеріалами, інтерфейсом та інженерними проблемами. Це також є складною перешкодою для виробників акумуляторів, оскільки поточна вартість напівтвердих акумуляторів набагато вища, ніж комерційних рідких акумуляторів.

Згідно з галузевими дослідженнями і розрахунками, на прикладі рідких акумуляторів NCM811 і напівтвердих акумуляторів NCM811 вартість напівтвердих акумуляторів приблизно на 80% вища, ніж у рідких акумуляторів. Серед них вартість твердого електроліту є основною новою вартістю і основною вартістю в напівтвердих батареях, що становить близько 50%.

Через такі фактори, як зміни в матеріалах електроліту, зміни у виробничих процесах і довгі цикли технічної перевірки, спричинені недостатнім досвідом контролю якості продукції, повністю твердотільні батареї коштуватимуть дорожче, ніж напівтвердотільні батареї.

Для визначення того, чи можна в кінцевому підсумку випускати акумуляторну батарею в масове виробництво, в основному використовують п'ять показників, а саме: щільність енергії, швидкість заряду-розряду, вартість, безпека і термін служби. Результати лабораторних досліджень акумуляторних батарей, як правило, досягають значного прориву в одному або декількох показниках на певному етапі, і масове виробництво можливе лише за умови одночасного дотримання вимог п'яти показників.

Тому технологічний прорив у створенні твердотільної батареї Toyota має далекосяжне значення для індустрії електромобілів.

Новий прогрес у світовій технології твердотільних акумуляторів

Хоча технологія твердотільних акумуляторів все ще стикається з багатьма проблемами, вона все ще є метою, яку переслідує Промисловість літієвих батарей. Зрозуміло, що японські компанії інвестували найбільше в твердотільні акумулятори в усьому світі, в тому числі Toyota, яка має найбільше патентів на технологію твердотільних акумуляторів.

Хороша новина полягає в тому, що, згідно з повідомленнями, професор Ма Ченг з Університету науки і техніки Китаю розробив новий тип твердотільного електроліту. Його загальні характеристики подібні до найсучасніших сульфідних і хлоридних твердотільних електролітів, але вартість менша, ніж у 4% останнього. Підходить для промислового застосування.

Маючи значну економічну перевагу, літій-цирконій оксихлорид порівнянний за комплексними характеристиками з найсучаснішими сульфідними і хлоридними твердотільними електролітами.

Експерименти довели, що повністю твердотільна літієва батарея, що складається з літій-цирконій оксихлориду і високонікелевого потрійного позитивного електрода, продемонструвала відмінні експлуатаційні характеристики: за умови швидкої зарядки протягом 12 хвилин, батарея все ще успішно працює при кімнатній температурі понад 2000 циклів.

За словами дослідників, літій-цирконій оксихлорид може досягти продуктивності, аналогічної продуктивності найсучасніших сульфідних і хлоридних твердотільних електролітів при найнижчій на сьогоднішній день вартості, що має велике значення для індустріалізації повністю твердотільних літієвих акумуляторів.