За более чем 150-летнюю историю развития аккумуляторов менялись материалы, из которых они изготовлены. Постоянным оставалось одно — электролит в них всегда представлял собой жидкость либо вещество, которое по своим свойствам близко к жидкости. В ближайшие годы ситуация полностью изменится — на арену выходят аккумуляторы с твердым электролитом, имеющим кристаллическую структуру. Давайте разберемся, как они работают и что даст эта инновация потребителям.
Для того, чтобы понять, почему электролит в аккумуляторах был до сих пор жидким, рассмотрим в качестве примера наиболее распространенный сейчас тип накопителя энергии. Таким накопителем являются литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы. Основными элементами Li-Ion аккумулятора являются катод, анод, сепаратор и электролит. В исправном аккумуляторе литий содержится только в виде положительно заряженных ионов Li+ в электролите, а также в виде атомов, «внедренных» в кристаллические решетки катода и анода.
При заряде аккумулятора ионы лития движутся в направлении от катода к аноду. Положительно заряженные ионы лития отрываются от материала катода, проходят через электролит и сепаратор, затем внедряются в молекулярную структуру анода. Естественное направление движения положительно заряженных ионов — от анода к катоду. Именно так они движутся при разряде аккумулятора, тем самым создается электрический ток во внешней цепи. Чем больше скорость движения ионов, тем большую электрическую мощность способен выдать аккумулятор в нагрузку. Сепаратор обеспечивает электрическую изоляцию между анодом и катодом, при этом через него свободно проходят ионы лития.
Как мы видим, в аккумуляторе используется ионная проводимость — когда электричество проводится посредством переноса вещества. Из школьного курса физики мы знаем, что такой тип проводимости характерен для жидкостей. Действительно, в большинстве случаев (но не всегда) так и есть, поэтому электролит для аккумулятора обычно является жидкостью.
LiFePo4, NCA, LMO и т. п. усовершенствованные варианты литиевого аккумулятора имеют такую же конструкцию. Главная разница заключается в материале катода — у более продвинутых вариантов он обладает лучшей химической стабильностью.
Недостатки жидкого электролита
Жидкость постепенно испаряется, пар выходит через микротрещины в корпусе аккумулятора. Это является одним из факторов, почему параметры Li-Ion аккумулятора со временем ухудшаются.
В Li-Ion аккумуляторе электролит представляет собой легко воспламеняющуюся жидкость. Само по себе это уже является недостатком. Для того, чтобы электролит не вытек при возникновении аварийной ситуации, аккумулятор оснащается прочным, как правило, металлическим корпусом. Масса этого корпуса может достигать до 25% от общей массы аккумулятора.
Наибольшую прочность обеспечивает цилиндрическая форма корпуса. По этой причине (а так-же с целью упрощения производственных процессов) Li-Ion аккумуляторы обычно имеют цилиндрическую форму, особенно если они предназначены для использования на электротранспорте. Недостатком такого подхода является нерациональное использование пространства. На электробусах и грузовиках нашли свое при-менение аккумуляторы LiFePo4 в прямоугольных корпусах. Но на этих транспортных средствах, имеющих большие размеры, можно найти безопасное место для таких аккумуляторов. Что же касается легковых электромобилей, то в них аккумуляторы расположены вблизи водителя и пассажиров, поэтому предпочтение отдается цилиндрической форме как более безопасной. В частности, компания Tesla в своих электромобилях использует аккумуляторы только цилиндрической формы.
Литий-полимерные аккумуляторы
Создание литий-полимерных (Li-Po) аккумуляторов стало первой удачной попыткой уйти от проблем, связанных с жидким электролитом. В этих аккумуляторах электролит выполнен в виде полимера, сохраняющего свою форму. Такой электролит с точки зрения физики не является твердым телом, он представляет собой аморфное вещество. То есть нечто вроде стекла: жидкость, которая сохраняет свою форму за счет очень высокой вязкости. Как и в обычном Li-Ion аккумуляторе, ионы движутся в среде, которая по своим свойствам фактически является жидкостью.
В реальности полимерный электролит содержит в себе составляющие как с аморфной, так и с кристаллической структурой. Но составляющие с кристаллической структурой никакого участия в движении ионов не принимают.
Li-Po аккумулятору не нужна прочная (и при этом тяжелая) оболочка, потому что электролит из него не вытечет. Аккумуляторам данного вида можно придать практически любую форму. Эти преимущества обусловили широкое применение Li-Po аккумуляторов в переносных электронных устройствах.
Ионы в полимерном электролите движутся гораздо медленнее, чем в обычном. Поэтому Li-Po аккумуляторы уступают Li-Ion аналогам по мощности, отдаваемой в нагрузку. Для ноутбука, смартфона или цифрового фотоаппарата мощности вполне достаточно. Но для электромобиля уже не хватает. Другой недостаток Li-Po аккумуляторов — сильно выраженная зависимость емкости от температуры, это тоже неприемлемо для электромобилей.
Ионная проводимость в твердых телах
На самом деле ионная проводимость бывает не только в жидкостях. Она встречается, хотя и редко, в твердых веществах. Для этого они должны иметь дефекты кристаллической структуры. Если очень упрощенно представить этот процесс, то ион занимает ближайший вакантный узел в кристаллической решетке, потом перескакивает на другой вакантный узел и т. д. Причем движение ионов в кристалле происходит значительно быстрее, чем в аморфном полимере.
Принцип работы и преимущества твердотельного аккумулятора
На основе описанного выше эффекта возможно создание электролита, представляющего собой твердое тело. Для этого используется вещество, в котором специально создано большое количество дефектов кристаллической решетки.
Твердотельным (Solid-State в англоязычной литературе) называется аккумулятор, в котором электролит представляет собой твердое тело с кристаллической структурой. Такой аккумулятор обладает многими преимуществами Li-Po технологии (безопасность, отсутствие необходимости в прочной оболочке), но при этом дает большую мощность за счет более быстрого движения ионов. Данный вид аккумуляторов отлично подходит для использования в электромобилях.
В Li-Ion аккумуляторах анод обычно делается из графита, потому что этот материал устойчив к агрессивным средам. Но именно он является препятствием на пути к увеличению удельной емкости. В современных твердотельных аккумуляторах анод делают из кремния, он лучше подходит на данную роль. Максимальная удельная емкость аккумуляторов с жидким электролитом составляет 260 Вт·ч/кг. Опытные образцы твердотельных аккумуляторов уже сейчас обладают удельной емкостью до 500 Вт·ч/кг, и это не предел. Если учитывать, что у твердотельного аккумулятора более легкая оболочка, при равной массе твердотельный аккумулятор запасает как минимум вдвое больше энергии. Для электромобилей более важно удельное, чем абсолютное значение емкости, потому что значительное увеличение массы аккумулятора недопустимо. При этом твердотельный аккумулятор устойчив к изменению температуры в широких пределах, а его деградация происходит намного медленнее, потому что электролит не испаряется.
В 2025 году экспериментальный электромобиль Mercedes-Benz проехал более 1000 км от одной зарядки. Но для массового производства твердотельных аккумуляторов нужно отладить некоторые технологические процессы. Поэтому начало серийного выпуска чудо-аккумуляторов ожидается только в 2027–2028 годах. По данным портала «Атомный вестник», в России госкорпорацией «Росатом» созданы опытные образцы твердотельных аккумуляторов, но решение об их серийном производстве будет принято, исходя из зарубежного опыта.
Преодоление предела в 1000 км
Для того, чтобы электромобили могли составить реальную конкуренцию обычным автомобилям, они должны обладать способностью ездить от одной зарядки на расстояние более 1000 км. Это це-левое значение выбрано не потому, что оно круглое. Именно столько проходит от одной заправки типичный легковой автомобиль с дизельным двигателем.
Электромобили, в которых установлены аккумуляторы с жидким электролитом, еще за пару лет до поездки указанного экспериментального «Мерседеса» продемонстрировали возможность проехать более 1000 км от одной зарядки, но есть нюанс. Испытания проводились в идеальных условиях, которых в реальной жизни не бывает. На реальных дорогах легковой электромобиль способен пройти от одной зарядки не более 600 км.
В открытой печати не приводятся данные о том, как именно был получен результат по пробегу 1000 км для автомобиля с твердотельным аккумулятором. Но совершенно точно можно утверждать, что в реальных условиях эксплуатации такой автомобиль способен проехать 1000 км от одной зарядки. Предположим, что у нас есть электромобиль с Li-Ion аккумулятором, имеющий реальный запас хода 600 км. Если предположить, что в нем используется твердотельный аккумулятор той же массы, то остальные конструктивные элементы, кроме управляющей электроники, могут остаться теми же. За счет большей удельной емкости дальность пробега возрастет вдвое. И, если раньше такой электромобиль проезжал от одной зарядки 600 км, то теперь — 1200 км, т. е. предел в 1000 км преодолен. Особо подчеркнем — в реальных условиях.
Полутвердотельные аккумуляторы
Пока серийный выпуск твердотельных накопителей энергии еще не начат, рынку предложено компромиссное решение — так называемые полутвердотельные (Semi-Solid) аккумуляторы. Они уже массово производятся.
В полутвердотельных аккумуляторах электро-лит состоит из твердых наночастиц, образующих коллоидную взвесь в густой жидкости. Доля жидкости в полутвердом электролите составляет всего 10% от его общей массы. Это позволяет сделать аккумулятор более безопасным и увеличивает его удельную емкость. Значение данного параметра у полутвердотельных аккумуляторов может достигать 400 Вт·ч/кг. Полутвердотельный электролит, в отличие от жидкого, обеспечивает лучшую устойчивость аккумулятора к действию низких температур. Еще одно преимущество таких аккумуляторов — они одинаково хорошо работают в широком диапазоне мощностей нагрузки. Это теоретически способно улучшить маневренность транспортных средств.
По данным из открытых источников, основным применением для полутвердотельных аккумуляторов сейчас являются беспилотные летательные аппараты. Присматриваются к новинке и производители электромобилей. Но здесь первый блин, увы, вышел комом.
В 2025 г. китайская компания SAIC представила на Guangzhou Auto Show первый в мире электромобиль с полутвердотельной батареей MG4 Anxin Edition. К сожалению, выигрыша в дальности поездки от одной зарядки он не продемонстрировал. Заявленный производителем (т. е. измеренный в строго определенных условиях) запас хода составил всего 530 км. Впрочем, от инновационного аккумулятора все же есть польза, что показали испытания. Во-первых, даже сильное механическое воздействие на аккумуляторы не приводит к их возгоранию, в этом плане новый электромобиль совершенно безопасный. Во-вторых, на морозе дальность поездки уменьшается в гораздо меньшей пропорции, чем у обычного электромобиля. По состоянию на август 2026 года электромобиль MG4 Anxin Edition отсутствует в списке серийно выпускаемых SAIC моделей.
Перспективы использования
Твердотельные аккумуляторы ждет большое будущее в электромобилях. Сможет ли автомобильная индустрия перескочить через этап компромиссной полутвердотельной технологии — зависит от скорости их освоения в производстве. Но, в любом случае, свою нишу на рынке полутвердотельные аккумуляторы уже заняли.
Новые виды аккумуляторов смогут найти применение не только в устройствах, которые ездят по земле или летают. Твердотельные аккумуляторы позволят увеличить время автономной работы переносной электроники. Кроме этого, они заряжаются быстрее, чем Li-Ion аналоги.
Полутвердотельные аккумуляторы способны изменить сам подход к созданию накопителей энергии. Сейчас аккумуляторы выпускаются для определенных применений, характеризующихся заданными диапазонами мощностей нагрузки. За пределами этого диапазона КПД аккумулятора значительно падает. Диапазон возможных значений мощности нагрузки для полутвердотельных аккумуляторов намного больше. Можно выпускать один и тот же тип аккумулятора для самых разных применений. Массовый выпуск однотипных аккумуляторов позволит снизить цены на них. Даже если планы по освоению серийного производства твердотельных аккумуляторов сбудутся, полутвердотельная технология сохранится в нише недорогой массовой продукции.
