Какво представляват-солидните батерии?

Добре, значи е 23:47 във вторник и току-що се обадих на доставчик в Шенжен, който се опитва да ми продаде „революционни полупроводникови-батерии“, които абсолютно, 100% НЕ са твърди-батерии. Това е третият път този месец. уморен съм Но също така? Това продължава да се случва, защото никой не обяснява какви са тези неща.

И така, започваме. Вземете кафе. Или бира. Аз не съдя.

Много бързо, преди да започнем- моята история, тъй като хората винаги питат: Бъркам се с технологиите за батерии от 2016 г., работих за две компании, които фалираха (забавни времена), консултирах три, които все още са живи (едва) и в момента правя научноизследователска и развойна дейност за... е, вероятно не трябва да казвам, но сте чували за тях. Два пъти съм се изгарял с литиев огън. Не го препоръчвайте. 0/10 опит.

Точно така. Батерията на телефона ви? Лаптоп? Електрическа кола? Всичко е с течност вътре. Не като вода-течност, по-скоро като... гъста химическа течност. Органичен електролит. Звучи фантастично, но всъщност това е запалима слуз, която позволява на литиевите йони да плуват напред-назад между положителната и отрицателната страна.

Работи добре! Докато не стане. След това се запалва.

Все още имам Samsung Galaxy Note 7 в чекмеджето на бюрото си, което пазя като напомняне lmao. Никога не го включвах отново след изтеглянето. Това е като малко преспапие с опасност от пожар.

Твърдо{0}}батерия=заменя тази течност с твърдо вещество.

Това е. Това е цялата работа.

Твърдата част може да бъде:

Керамични неща (като луксозно стъкло, но по-трудно за правене)

Полимерни вериги (помислете за наистина плътна пластмаса, но не наистина пластмаса)

Сулфидни съединения (между другото миришат УЖАСНО, като развалени яйца пъти хиляда)

О, забавен факт, научих по трудния начин - някои от тези материали реагират с влагата във въздуха. Като насилствено. Имахме студент през 2019 г., който остави проба от сулфиден електролит на пейката за една нощ. Дойдох на следващата сутрин, цялото нещо беше корозирало. Миришеше на смърт. Не можахме да използваме тази лаборатория цяла седмица.

solid-state batteries

Пич, чувам за полупроводникови-батерии от... 2015? 2014? Някъде там. Всяка една година: "Само още 3 години!"

Това се превърна в мем в общността на батериите. Като термоядрена мощност. Винаги след 10 години.

Но добре, ИМА действителни причини да се грижите:

1. Те (вероятно) няма да избухнат в лицето ви

Няма течност=няма кипяща течност=няма натрупване на налягане=няма бум.

Искам да кажа, че все още МОГАТ да се провалят. Виждал съм как се случва. Но вместо огнено кълбо ставаш по-скоро... то спира да работи и се затопля. Много по-добре! Бях свидетел на провал на-прототип в твърдо състояние по време на тестването миналата година и той просто се поду малко и умря. С течен литиево-йон трябва да тестваме зад взривни щитове. Различно настроение.

2. Повече енергия в същото пространство (уж)

Твърденията са диви. 50% повече? 100% повече? Кой знае. На хартия математиката работи. В действителност? Ще видим.

Toyota продължават да казват, че ще имат батерии от 900 мили до 2027 или 2028 или нещо подобно. Ще го повярвам, когато буквално карам колата. Дотогава е vaporware.

3. Зарежда по-бързо (може би)

Предполага се, че някои от керамичните електролити могат да поемат много повече ток, без да се разграждат. Например 10-минутни пълни зареждания.

Виждал ли съм това да работи в лаборатория? Да, веднъж, на батерия с размер на монета с размера на нокътя ми.

Виждал ли съм да работи с батерия с-размер на кола? не Никой няма. Всичко това са симулационни данни и тестове в малък-мащаб.

4. Издържа по-дълго (мислим)

Без разграждане на течността трябва да получите повече цикли на зареждане. Обикновеният литиево-йон е добър за около 500-1000 цикъла в зависимост от това как се отнасяте с него. Твърдото състояние трябва да се справи по-добре.

Но ето нещо -, което всъщност все още не ЗНАЕМ, защото никой не ги е използвал от 10 години. Не може да се тества-дългосрочна надеждност в лаборатория. Просто трябва да изчакате и да видите.

О, мамка му, да, вероятно трябва да обясня какво има там сега. Лошото ми.

Обикновен литиево-йон (какво има във всичко)

Вашият телефон, лаптоп, вероятно колата ви, ако е електрическа

Енергия: ~250-300 Wh/kg (това са ватчасове на килограм, мерни единици)

Евтини за производство сега, защото го правим цяла вечност

Абсолютно ще се запали, ако го пробиете или презаредите

Държа кофа с пясък в лабораторията си за всеки случай

LFP батерии (литиево-железен фосфат)

По-безопасно, наистина няма да се запали дори и да опитате

По-ниска енергийна плътност от - около 160-180 Wh/kg

Издържа ЗАВИНАГИ като 3000+ зареждания

По-евтин от другите видове литий

Мисля, че това е сега в базовия модел на Tesla? Не ме цитирайте за това

NMC/NCA (Скъпите)

Никел Манган Кобалт или Никел Кобалт Алуминий

Висока производителност, 250-280 Wh/kg

Използва кобалт, който... да, има проблеми с детския труд в Конго, съвсем друга бъркотия

По-скъпи

По-добро представяне, но няма да лъжа

Твърдо-състояние (Митичното създание)

ПРЕТЕНЦИИ 400-500 Wh/kg

Много по-скъпо в момента

Производството е основно черна магия в този момент

Предполага се, че е по-безопасно, но също така нямаме достатъчно данни

Вижте, аз съм скептичен за повечето неща, но твърдото-състояние има реални предимства. Няма да се преструвам на друго.

Безопасността е легитимно по-добра.

Аз лично съм тествал и двата вида. С обикновените литиево-йонни носим щитове за лице и имаме пожарогасители навсякъде. С прототипи в-твърдо състояние? Все още внимателен, но по-малко енергия „това може да експлодира“.

Миналия месец имахме тестова клетка за късо съединение. Твърдият-току-що се нагорещи и спря да работи. Ако това беше обикновен литиево-йон, със сигурност щяхме да имаме пожар.

Нещата с размер/тегло са реални, АКО доставят.

400 Wh/kg в производството би било наистина революционно. Вашата EV батерия може да тежи наполовина по-малко за същия диапазон. ИЛИ същото тегло, удвояване на диапазона.

Но това е голямо АКО. Резултатите от лабораторията не винаги се превръщат в производство. По дяволите, те ОБИКНОВЕНО не превеждат.

Температурните характеристики трябва да са по-добри.

Твърдите електролити работят при по-широки температурни диапазони от течните. Вашият автомобилен акумулатор през зимата в Чикаго при -20 градуса F? Трябва да работи по-добре. Лято в Аризона при 120 градуса F? Също така по-добре.

Макар и забавна история - някои керамични електролити всъщност трябва да се поддържат ТОПЛИ, за да работят добре. Така че имате нужда от нагревател за вашата батерия. Което използва мощност. Един вид проваля целта хаха.

Без дендрити.

Това е вътре в бейзбола, но каквото и да е. Когато зареждате литиеви батерии, малки метални шипове, наречени дендрити, могат да растат от единия електрод към другия. В крайна сметка те пробиват сепаратора и свързват накъсо батерията. Така умират повечето литиево-йонни батерии.

Предполага се, че твърдите електролити блокират дендритите. Твърди материали, не могат да пробият. На теория.

На практика? Ех Виждали сме дендрити да растат през някои твърди електролити. Науката за материалите е трудна.

solid-state batteries

Добре, закопчайте коланите, защото тук ще вбеся някои хора.

В момента почти не работят.

Съжалявам! вярно е! Повечето от „революционните“ твърдо{0}}батерии, за които сте чели в съобщенията за пресата? Те работят около 10 цикъла. Може би 50, ако имате късмет. В перфектни лабораторни условия. Точно на 25 градуса. С слаб вятър от североизток.

Акумулаторът на вашия автомобил трябва да работи 1000+ цикъла през зимата в Минесота и лятото в Тексас и навсякъде между тях. Все още дори не сме близо до мащаба.

Бях на конференция миналата година (Симпозиум за батерии в Орландо, март 2024 г.) и видях презентация от стартираща компания, която претендира за 500 цикъла. След това отидох до техния щанд. Помолен за подробности. Утихнаха много бързо. Оказва се, че тези 500 цикъла са били при скорост на зареждане от 0,1C с 4 часа между зарежданията. Напълно безполезен за реални приложения.

Производството е абсолютен кошмар.

Прекарахме 30+ години в измисляне как да направим литиево-йонните батерии евтини и надеждни. Фабриките, оборудването, контролът на качеството - всичко е набрано.

Твърдо{0}}състояние? Започвайки от нулата.

Различно оборудване. Различни процеси. Различни режими на отказ. Всичко е по-трудно.

Говорих с човек от QuantumScape миналия месец (и двамата бяхме в бар на летището, той беше изпил около 3 бири, побъбри) и той каза, че най-големият им проблем вече дори не е технологията. Измисля как да направи 10 000 батерии, които да са еднакви. Съгласуваността в мащаб е ТОЛКОВА ТРУДНА.

Проблемът с интерфейса убива всички.

Това е технически, но важно: там, където твърдият електролит докосва твърдия електрод, получавате съпротивление. Все едно се опитвате да прекарате електричество през две грапави повърхности, притиснати една към друга. Не е страхотен контакт.

При течния електролит течността запълва всички микроскопични празнини. Перфектен контакт навсякъде. С плътно-върху-твърдо? Не толкова.

Хората опитват всичко: специални покрития, прилагане на натиск, нагряване, нови материали, жертвени слоеве, буферни зони. Все още нищо не работи перфектно. Всяко решение създава нови проблеми.

Те се напукват и това е много лошо.

Керамичните твърди електролити са крехки. Когато батериите се заредят, те леко се издуват. Изпускане, те се свиват. Направете това 1000 пъти и вашата керамика може да се спука.

Една малка пукнатина=изтощена батерия. Навлиза влага, производителността пада, играта свършва.

Виждал съм красиви-солидни клетки, които са работили перфектно в продължение на 50 цикъла, след това са се спукали и след това са спрели да работят. Сърцераздирателно. И скъпо.

Полимерните електролити не се напукват толкова лесно, но имат много по-ниска йонна проводимост. Винаги правете компромис-.

Разходите ме карат да плача.

Текущите прогнози показват, че твърдо{0}}батериите са 10-20 пъти по-скъпи от обикновените литиево-йонни. На kWh.

Да, разходите ще намалеят с мащаба. Винаги го правят. Но ние говорим за ГОДИНИ развитие и МИЛИАРДИ капиталови инвестиции, преди да стигнем до паритет на разходите.

Клетките 4680 на Tesla струват около $100/kWh. Твърдото-състояние може да е $1000/kWh в момента. Може и повече. Никой не публикува реални числа, защото са смущаващи.

О, човече, добре, това ще бъде объркано, защото има като 50+ компании, които твърдят, че са „на път да направят революция в батериите“, но позволете ми да се съсредоточа върху това кой всъщност прави нещата:

QuantumScape- Вероятно най-напред за автомобилни приложения. Използване на керамичен сепаратор. Подкрепен от VW и Бил Гейтс. Акциите им преминаха от $130 на $10. Ох Но те все още работят и показаха прилични резултати от теста. Времевата линия обаче продължава да се изплъзва, което е... тревожно, но и реалистично? Не знам какво да чувствам към тях честно казано.

Солидна мощност- BMW и Ford подкрепени. Сулфиден електролит. Последно чух, че все още имат проблеми с производството. Тяхната времева линия също се изплъзна. Сроковете на всички се изплъзват. Това е любимото занимание на индустрията за батерии.

Samsung SDI- Те всъщност ИМАТ полупроводникови-батерии в производство! Ама мънички. За носими. Медицински изделия. Hearables (да, това вече е дума очевидно). Нещата с размер-на кола? Все още в процес на разработка. Казват 2027 г. Аз реално казвам 2029-2030 г.

Тойота- О, момче. Toyota обещаваше пробиви в-солидните батерии още преди да започна да работя в тази област. Те подават повече патенти от всеки друг. Те правят големи съобщения всяка година. И все пак... никакви продукти.

ИСКАМ да им вярвам. Тойота са. Те познават производството. Но ме измами веднъж, засрами се. Измами ме 47 пъти...

Казаха 2025 г., после 2027 г., сега е 2027-2028 г. Ще сложа пари минимум за 2030 г.

Nissan- Да бъда по-тих за това, което всъщност уважавам. Кажете, че ще имат пилотно производство до 2024-2025 г. По-реалистична времева линия от някои други. Да работиш с НАСА по някои неща, мисля? Не ме цитирай.

CATL- Китайска компания, най-големият производител на батерии в света. Когато се движат, всички забелязват. Те работят върху твърдо-състояние, но са МНОГО консервативни с прогнозите. Което всъщност ме кара да им вярвам повече. Те познават мащаба на производството. Те знаят какво е трудно.

StoreDot- Израелски стартъп, фокус върху изключително бързо зареждане. Готини демонстрации. Мащабирането е въпросът. Винаги въпросът.

Има и Factorial Energy, ProLogium, Ionic Materials, Sakuu, Blue Current, Ilika... буквално още десетки. Повечето ще се провалят. Просто така работи. Стартиращите батерии имат около 5% успеваемост.

кратък отговор:не

По-дълъг отговор:Все още не, освен ако не купувате прототип на електромобил за $500k+ или някаква малка специална батерия за медицинско оборудване.

Още по-дълъг отговор:Samsung предлага някои полупроводникови{0}}батерии, но те са скъпи и малки. Говорим като клетка с монета. Не е полезно за повечето приложения.

Първите истински потребителски продукти в-твърдо състояние вероятно ще бъдат:

Премиум смартфони- Samsung или Apple ще искат да се хвалят. „Първият-телефон с твърда батерия!“ Страхотен маркетинг. Вероятно 2026-2027 г.

Ограничено производство на електромобили- Някоя луксозна марка ще произведе 500 единици с твърдотелни-батерии. Цена $200k. Докажете, че технологията работи. 2027-2028.

Електронни -клас-велосипеди/скутери- По-малката батерия го прави по-икономически осъществимо. 2026?

Масов пазар? Човек, когото не познавам. 2030 най-рано. Може би 2032-2035 г., за да сме сигурни. И дори тогава "масов пазар" може да означава "незадължителен ъпгрейд за $10k."

Сигурно съм песимист. Но съм бил разочарован твърде много пъти.

Точно сега? PowerPoint презентации предимно.

Но сериозно:

Електрически автомобили- Това е, от което всеки се интересува. 500+ пробег от мили, 10-минутно зареждане, по-лек, по-безопасен. Наистина ще промени пазара на EV. АКО се случи.

Телефони и лаптопи- Представете си, че телефонът ви издържа 2 пълни дни при тежка употреба. Или да е наполовина по-дебел. Или никога повече да нямате ситуации със Samsung Note 7. Това е мечтата.

Медицински импланти- Тук ВЕЧЕ се използват някои полупроводникови-батерии! Пейсмейкърите се нуждаят от батерии, които 100% няма да се повредят или да изтекат в тялото ви. Твърдото-състояние е идеално за това. Малка батерия, не е необходимо да е евтина, безопасността е всичко.

Дронове/авиация- Електрическите самолети се нуждаят от възможно най-високата енергийна плътност. Всеки грам има значение. Твърдото-състояние може да направи електрическата авиация наистина жизнеспособна отвъд малките дронове.

Мрежово съхранение- Може би? Но честно казано за стационарно съхранение теглото няма значение. LFP вече е евтин и достатъчно безопасен. Трудно за победа по цена. Solid{4}}state трябва да бъде НАИСТИНА евтин, за да се конкурира тук.

Постоянно ме питат това. На партита (акумулаторните инженери ходят на партита добре), на конференции, случайни роднини във Facebook.

Отговор: Не. Не чакайте.

Ако искате EV сега, купете EV сега. Сегашните електромобили са наистина добри! Модел 3, Ioniq 5, F-150 Lightning, всички солидни избори. Доказана технология. Известна надеждност.

Докато съществуват достъпни електромобили в твърдо състояние:

Вече ще сте карали текущия си електромобил от 5+ години

Технологията все още ще бъде първо-поколение с неизвестни проблеми

Инфраструктурата за зареждане ще бъде още по-добра

Цените на употребяваните електромобили може да са се сринали, кой знае

Ако планирате да купите в края на 2027 г. или 2028 г.? ТОГАВА може би изчакайте да видите какво всъщност ще бъде пуснато. Но не оставяйте живота си на изчакване.

Технологията винаги се подобрява. Винаги има нещо по-добро, което идва "скоро". Не мога да чакам вечно.

Чаках да си купя 4K телевизор до 2019 г. Знаете ли какво се случи? Станаха по-евтини и по-добри. Но аз също нямах 4K телевизор от 6 години. Заслужаваше ли си? Честно... не. Просто трябваше да си купя един.

solid-state batteries

Добре без лъжи. Но подвеждащо.

Всеки хвърля около числата за енергийна плътност. "400 Wh/kg!" "500 Wh/kg!" "900 Wh/kg!"

Ето какво не ви казват:

Текущи литиево-йонни клетки: 250-300 Wh/kg
Текущи литиево-йонни ПАКЕТИ: 150-200 Wh/kg

Виждате ли разликата? Пакетът включва корпус, охлаждане, окабеляване, системи за управление на батерията. Като че ли 30-40% от теглото на батерията дори не е батерия.

Претенции за-твърдо състояние CELL: 400-500 Wh/kg
Реалност на PACK в твърдо{0}} състояние: Кой знае? 250-350 Wh/kg може би?

Така че, когато Toyota казва "два пъти по-висока енергийна плътност!" те сравняват най-добрия{0}}случай номера на клетки с текущите номера на пакети. Не ябълки за ябълки.

Реалното подобрение на ниво пакет вероятно ще бъде 50-75%. Което все още е страхотно! Наистина страхотно! Но не и революцията, която предполага маркетингът.

Освен това енергийната плътност не е всичко. Плътността на мощността има значение (колко бързо се разреждате). Цикличният живот има значение. Температурни характеристики. Цената на kWh е най-важна за масовото приемане.

Батерия, която струва $2000/kWh с 500 Wh/kg, е по-лоша от батерия, която струва $100/kWh с 250 Wh/kg. Във всеки случай за повечето приложения.

Ако сте обикновен човек:Забравете за съществуването-на твърдо състояние засега. Купувайте каквото ви трябва с актуалната технология. Работи добре.

Ако купувате EV през 2025-2026 г.:Купете сега с текущия литиево-йонен. не чакай Перфектният бъдещ EV не идва достатъчно скоро.

Ако сте инвеститор:Това е висок риск, висока награда. Бих заложил на утвърдени играчи (Samsung, Toyota, CATL) пред стартиращи компании. Но това съм само аз. Аз съм-склонен да рискувам, защото съм виждал твърде много стартиращи компании с батерии да се сриват и да изгарят. Буквално в един случай.

Ако сте инженер:Влезте в това поле! Адски разочароващо е, но наистина вълнуващо. Просто бъдете готови за бавен напредък и много задънени улици.

Ако планирате да купувате през 2027-2028 г.:Започнете да обръщате внимание на това кой действително доставя в сравнение с това кой просто прави съобщения. Парите ми са за Samsung и може би Nissan.

Какво НЕ трябва да правите:Не купувайте „солид{0}}батерии, налични сега!“ от схематични уебсайтове. Те лъжат. Ако е истинско, ще бъде в големите новинарски издания и от големите производители.

О, и още нещо: Ако имате нужда от батерии СЕГА и искате нещо средно между обикновените литиево-йонни и мечтата за твърдо-състояние? Вгледай се влитиево-полимерни батерии. Те не са в-твърдо състояние, но са много по-безопасни от стандартните лит-йони, не изтичат и можете да ги получите днес. Използва се в тонове RC неща и някои телефони. Не е революционно, но всъщност е достъпно хаха.