Tesla: почему аккумуляторы завоюют мировой автопром

Неожиданные шаги Маска спровоцировали конкурентов на ответные действия. Так, концерн Bosch приобрел стартап Seeo, занимающийся разработкой LIB с твердым электролитом, а Джеймс Дайсон заплатил $90 млн за компанию Sakti3 с патентным портфолио по высокоемким электродам из металлического лития и оксида ванадия. Samsung, пытающийся отвоевать свою часть литий-ионного пирога у гегемонов Panasonic и LG Chem, инвестировал в компанию XG Sciences, которая специализируется на гибридных анодах из кремния и графена. Корпорация GM добавила в свой актив стартапы Envia Systems и SolidEnergy Systems. Volkswagen пообещал до 2020 года вывести на рынок 20 новых гибридных моделей. А в ноябре никому не известная компания Faraday Future, из-за спины которой торчат уши китайских инвесторов, объявила о строительстве в США завода по сборке электромобиля премиум-класса под рабочим названием Le Supercar. Главный дизайнер Faraday Ричард Ким утверждает, что модель покажут в январе, на выставке CES 2016 в Лас-Вегасе, и она станет прямым конкурентом Tesla Model S.

Но если с деньгами в отрасли все в порядке, то с обещанными технологическими прорывами ситуация неоднозначна. «Мы имеем полное представление обо всех ключевых разработках в области LIB и постоянно держим руку на пульсе 60 самых интересных проектов. Степень их зрелости мы оцениваем по пятибалльной шкале, но пока в списке нет ни одной "пятерки", — заявил Илон Маск, выступая на телешоу Рона Бэрона. — В любом случае, в ближайшие десять лет появления серийного электромобиля с запасом хода в 1000 миль ожидать не стоит». Действительно, более 1500 км «на одном баке» — это перебор. Но как насчет 500?

«Мы можем построить такую машину хоть сейчас, но батарея для нее будет столь громоздкой, что затея потеряет смысл, — говорит Маск. — К этой цели нужно двигаться шаг за шагом. Например, за счет совершенствования состава и структуры электродов мы намерены наращивать емкость батарей примерно на 5% в год». Конечно, 5% в год — это немало, но предприниматель скромничает. Теоретически, емкость LIB можно будет поднять на порядок. Если только электрохимикам удастся справиться с кремнием.

То, что происходит сегодня в лабораториях всех без исключения производителей LIB, похоже на новую «кремниевую лихорадку». Теоретическая зарядная емкость этого вещества в 11 раз выше, чем у традиционного графита (до 4200 мА·ч/г против 370), и он может стать идеальным анодным материалом нового поколения. В отличие от графита, накапливающего катионы лития только в просветах между отдельными углеродными слоями, кремний впитывает в себя заряд, как губка. С точки зрения химии это два совершенно разных процесса — интеркаляция (межслойное включение вещества) и образование нового химического соединения. При этом на один атом кремния приходится в среднем 4,4 иона Li, а на атом углерода — в 27 раз меньше. Но есть проблема.

В процессе заряда батареи кремний, пропитываясь литием, увеличивается в объеме почти втрое, тогда как графит прибавляет всего около 7%. Повторяющиеся циклы растяжения-сжатия приводят к быстрому разрушению материала. Кроме того, «дыхание» кремния мешает формированию на поверхности электрода твердой интерфазы (SEI, Solid Electrolyte Interface), тончайшей ионопроводящей пленки, защищающей его от прямого контакта с электролитом. В нормальных условиях жесткая SEI образуется во время первого «заводского» заряда батареи. Но на нестабильном кремниевом аноде образование и разрушение SEI продолжается бесконечно. Всего за несколько циклов зарядки толстая растрескавшаяся корка полностью «забивает» его активную поверхность.

Тем не менее кремний уже используется в серийных LIB. К примеру, графитовые электроды новых батарей Tesla Model S емкостью 96 кВт содержат 1−2% кремния. Но для кратной прибавки емкости его доля должна составлять хотя бы 15−20% — чем больше, тем лучше. Поэтому поиски решения продолжаются, а в химических лабораториях бушует «лихорадка». Идет тестирование прототипов гибридных анодов из аморфных нанокомпозитных смесей Si-C-S в эластичной полимерной матрице, пористых структур из чистого кремния, способных расширяться внутри заданного объема, и структур из полых наночастиц типа «ядро-оболочка».

Весьма обнадеживают результаты испытаний анодов из графеновых пластин с кремниевым нанопокрытием, а также их аналогов из нанокристаллов кремния, заключенных в жесткую углеродную матрицу. Рано или поздно сопротивление кремния будет сломлено. Но для того чтобы собрать батарею следующего поколения, высокоемкую High-Energy LIB, нам нужно поработать и над противоположным полюсом.

В серийно выпускающихся LIB используется более десятка видов катодных материалов. Все они, за редким исключением, представляют собой смеси оксидов переходных металлов со слоистой микроструктурой и имеют различные электрохимические характеристики. По сути, в LIB катод выполняет функции «склада» лития, и суммарные объемы его «терминалов» определяют в итоге удельную плотность энергии батареи. Как и у любого «склада», практическая ценность катода зависит от множества факторов: пропускной способности подъездных путей (геометрии пор и гэпов между слоями оксидов), скорости обработки грузов (перемещение потока ионов лития по маршруту «анод-катод»), внутренней логистики (равномерного распределения частиц лития в массиве электрода) и т. д.

Проблема нынешнего поколения катодных материалов, в частности самых востребованных на рынке электромобилей версий — NMC (твердый раствор оксидов Ni, Mn и Co с легирующими добавками и покрытием из оксида алюминия) и NCA (смесь оксидов Ni, Co и Al), заключается в стремительном приближении удельной плотности энергии к теоретическому пределу — 300 мА·ч/г. В оксидных смесях каждый атом металла способен удержать только один ион Li. Но на практике из-за несовершенства микроструктуры этот показатель составляет обычно 0,6−0,7. В последнее время производители LIB проводят непрерывную модернизацию катодных материалов, различными путями повышая в них содержание Ni и Mn. К примеру, обогащенные литием экспериментальные NCA-катоды лаборатории Argonne уже вышли на уровень 100%-ной «утилизации» лития. Но что дальше? Повышение емкости за счет увеличения размеров и массы?

Конечно, пробить теоретический потолок можно и «в лоб». Но очевидно, что эпоха оксидных катодов потихоньку уходит в прошлое. Внятного ответа на этот вызов у ученых пока нет, но не исключено, что первыми это место займут материалы на основе фторида меди, разработанные американской компанией Wildcat Discovery. В паре с кремниевым анодом и новым неорганическим электролитом разработка Wildcat способна поднять емкость LIB в 2,5 раза. Фториды металлов, обладающие выдающейся плотностью заряда (свыше 500 мА·ч/г) и плотностью энергии (почти 1,9 кВт·ч/кг), еще в 1960-х были взяты исследователями «на карандаш». Но из-за слабой электропроводности, низкой удельной мощности и склонности к внезапной «клинической смерти» после нескольких циклов заряда-разряда о них забыли почти на полвека.

Решить эти проблемы и создать работоспособный прототип катода из фторида меди сумели лишь в 2014 году, в ходе кооперации Wildcat с неназванным производителем LIB из первой мировой десятки. Фторид меди, являющийся изолятором, был внедрен в проводящую матрицу из фторида железа с молекулярным углеродным покрытием. Такие первичные элементы демонстрируют отличную мощность — высвобождение энергии происходит всего за 30 минут против прежних 50 часов — и высокое сопротивление старению. Тем не менее добраться до конвейера им в ближайшие годы вряд ли удастся. Как, впрочем, и литий-серным аккумуляторам, и литий-воздушным, слухами о которых наполнена околонаучная пресса. И причина тут вовсе не в сомнительной электрохимии, а в рутинном процессе разработки, который даже при современной методике высокоскоростного потокового анализа материалов требует многих лет кропотливой работы и инвестиций.

Получается, что об электромобиле с запасом хода даже в 500 миль ближайшие годы можно не вспоминать. По словам Венката Шринивасана, эксперта Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, наша дорога к «супербатарее» может выглядеть скучновато: современные LIB — аноды нового поколения — высокоемкие катоды с повышенным вольтажем — и т. д. Шаг за шагом, как говорит и Маск. Хотя никто не отменял вероятность внезапных технологических прорывов, которые могут резко сократить этот путь или вовсе повести нас другой дорогой.

Первые литий-ионные аккумуляторы нередко взрывались. В них использовался анод из металлического лития, который постепенно деградировал с образованием «наростов», замыкавших электроды. Замена Li на графит решила эту проблему.