Ce sunt bateriile cu stare solidă-?

Bine, deci este ora 23:47 într-o marți și tocmai am primit un telefon cu un furnizor din Shenzhen care încearcă să-mi vândă „baterii solide revoluționare-care sunt absolut, 100% NU baterii cu stare-solidă. Este a treia oară în această lună. Sunt obosit. Dar de asemenea? Acest lucru continuă să se întâmple pentru că nimeni nu explică de fapt care sunt aceste lucruri.

Deci iată-ne. Luați cafea. Sau bere. Nu judec.

Foarte repede înainte de a începe- experiența mea, deoarece oamenii mă întreabă mereu: mă încurc cu tehnologia bateriilor din 2016, am lucrat pentru două companii care au dat faliment (vreme distractive), am consultat trei care sunt încă în viață (abia dacă) și în prezent fac cercetare și dezvoltare pentru... ei bine, probabil că nu ar trebui să spun, dar ați auzit de ele. M-am ars cu focuri de litiu de două ori. Nu recomandați această experiență. 0/10.

Chiar asa. Bateria telefonului tău? Laptop? Mașină electrică? Toate au primit lichid înăuntru. Nu ca apă-lichid, mai degrabă ca... lichid chimic gros. Electrolit organic. Sună fantastic, dar practic este o substanță inflamabilă care permite ionilor de litiu să înoate înainte și înapoi între părțile pozitive și negative.

Funcționează bine! Până nu se întâmplă. Apoi ia foc.

Mai am un Samsung Galaxy Note 7 în sertarul biroului meu pe care îl păstrez ca reamintire lmao. Nu l-am repornit niciodată după rechemare. Este ca o mică apăsătoare de hârtie cu pericol de incendiu.

Baterie-solidă=înlocuind acel lichid cu unul solid.

Asta este. Asta e toată treaba.

Partea solidă poate fi:

Lucruri din ceramică (cum ar fi sticla de lux, dar mai greu de făcut)

Lanțuri polimerice (gândiți-vă că plasticul foarte dens, dar nu chiar plasticul)

Compuși sulfurați (aceștia miros îngrozitor, ca ouă putrezite ori o mie)

Oh, și fapt amuzant, am învățat cum - unele dintre aceste materiale reacţionează cu umiditatea din aer. Ca violent. Am avut un student absolvent în 2019 care a lăsat o probă de electrolit de sulfură pe bancă peste noapte. A venit în dimineața următoare, practic toată treaba se corodase. Mirosea a moarte. Nu am putut folosi acel laborator timp de o săptămână.

solid-state batteries

Omule, am auzit de baterii solide-de când... 2015? 2014? Undeva pe acolo. În fiecare an: „Încă 3 ani!”

A devenit un meme în comunitatea bateriilor. Ca puterea de fuziune. Întotdeauna la 10 ani distanță.

Dar bine, EXISTĂ motive reale să-ți pese:

1. Ele (probabil) nu vor exploda în fața ta

Fără lichid=fără lichid în fierbere=fără acumulare de presiune=fără boom.

Adică ele pot eșua. Am văzut că s-a întâmplat. Dar în loc de o minge de foc, ai mai mult ca... nu mai funcționează și se încălzește. Mult mai bine! Am asistat la o eroare-prototipului în stare solidă în timpul testării de anul trecut și practic s-a umflat puțin și a murit. Cu litiu lichid-ion trebuie să testăm în spatele scuturilor de explozie. Vibe diferită.

2. Mai multă energie în același spațiu (se presupune)

Afirmațiile sunt . 50% mai multe? 100% mai mult? Cine ştie. Pe hârtie merge matematica. În realitate? Vom vedea.

Toyota continuă să spună că vor avea baterii de 900 de mile până în 2027 sau 2028 sau așa ceva. O să cred când voi conduce mașina. Până atunci este vaporware.

3. Se încarcă mai repede (poate)

Se presupune că unii dintre electroliții ceramici pot gestiona mult mai mult curent fără a se degrada. Deci, cum ar fi încărcări complete de 10 minute.

Am văzut această lucrare într-un laborator? Da, o dată, pe o baterie tip monedă de dimensiunea miniaturei mele.

Am văzut că funcționează cu o baterie de dimensiunea unei mașini-? Nu. Nimeni nu are. Toate sunt date de simulare și teste-la scară mică.

4. Durează mai mult (credem)

Fără a se sparge lichidul, ar trebui să obțineți mai multe cicluri de încărcare. Litiul-obișnuit este bun pentru aproximativ 500-1000 de cicluri, în funcție de modul în care îl tratați. Starea solidă ar trebui să se descurce mai bine.

Dar iată lucrul - pe care nu îl știm încă, deoarece nimeni nu le folosește de 10 ani. Nu se poate testa fiabilitatea-pe termen lung într-un laborator. Trebuie doar să aștepți și să vezi.

Oh, naiba, da, probabil ar trebui să explic ce este acolo acum. răul meu.

Litiu-Ion obișnuit (ce este în toate)

Telefonul tău, laptopul, probabil mașina ta dacă este electrică

Energie: ~250-300 Wh/kg (adică wați-oră pe kilogram, unități nerd)

Ieftin de făcut acum, pentru că o facem dintotdeauna

Va lua absolut foc dacă îl perforați sau îl supraîncărcați

Țin o găleată cu nisip în laboratorul meu pentru orice eventualitate

Baterii LFP (fosfat de fier litiu)

Mai sigur, nu va lua foc chiar dacă încerci

Densitate de energie mai mică, deși - în jur de 160-180 Wh/kg

Durează pentru ÎNTÂND ca 3000+ taxe

Mai ieftin decât alte tipuri de litiu

Asta e ceea ce este în modelul de bază al Tesla acum cred? Nu mă cita despre asta

NMC/NCA (The Expensive Ones)

Nichel Mangan Cobalt sau Nichel Cobalt Aluminiu

Performanță ridicată, 250-280 Wh/kg

Folosește cobalt, care... da, sunt probleme cu munca copiilor în Congo, cu totul altă mizerie

Mai scump

Performanță mai bună, deși nu o să mint

Stare-solidă (creatura mitică)

REVENȚI 400-500 Wh/kg

Mult mai scump acum

Fabricarea este practic magie neagră în acest moment

Mai sigur se presupune, dar nici nu avem suficiente date

Uite, sunt sceptic cu privire la majoritatea lucrurilor, dar starea solidă-are avantaje reale. Nu mă voi preface altfel.

Siguranța este legală mai bună.

Am testat personal ambele tipuri. Cu litiu-obișnuit, purtăm scuturi faciale și avem stingătoare peste tot. Cu prototipuri-solide? Încă atent, dar mai puțin „acest lucru ar putea exploda” energie.

Luna trecută am avut un scurtcircuit în celulă de testare. Unul-solid s-a încins și nu mai funcționează. Dacă ar fi fost litiu-ion obișnuit, cu siguranță am fi avut un incendiu.

Chestia cu dimensiunea/greutatea este reală DACĂ livrează.

400 Wh/kg în producție ar fi cu adevărat revoluționari. Bateria dumneavoastră EV ar putea cântări jumătate mai mult pentru aceeași gamă. SAU aceeași greutate, dublul intervalului.

Dar asta e un mare DACA. Rezultatele de laborator nu se traduc întotdeauna în producție. La naiba, de obicei nu traduc.

Performanța temperaturii ar trebui să fie mai bună.

Electroliții solizi funcționează la intervale de temperatură mai largi decât cele lichide. Bateria mașinii tale în Chicago iarna la -20 grade F? Ar trebui să funcționeze mai bine. Vara Arizona la 120 de grade F? De asemenea, mai bine.

Deși povestea distractivă -, unii electroliți ceramici trebuie să fie menținuți CALZI pentru a funcționa bine. Deci ai nevoie de un încălzitor pentru baterie. Care folosește puterea. Un fel de înfrângere scopul lol.

Fara dendrite.

Acesta este în interiorul baseballului, dar orice. Când încărcați bateriile cu litiu, mici vârfuri de metal numite dendrite pot crește de la un electrod la celălalt. În cele din urmă, străpung separatorul și scurtcircuita bateria. Așa mor majoritatea bateriilor litiu-ion.

Se presupune că electroliții solizi blochează dendritele. Materiale dure, nu pot străpunge. În teorie.

În practică? Eh. Am văzut dendrite crescând prin niște electroliți solizi. Știința materialelor este grea.

solid-state batteries

Bine, pune-ți centura pentru că aici îi voi enerva pe unii oameni.

Abia lucrează acum.

Îmi pare rău! E adevărat! Cele mai multe dintre bateriile solide{0}}revoluționare despre care ați citit în comunicatele de presă? Ele funcționează cam 10 cicluri. Poate 50 dacă ai noroc. În condiții perfecte de laborator. La exact 25 de grade. Cu o adiere blândă dinspre nord-est.

Bateria mașinii dvs. trebuie să funcționeze timp de 1000+ cicluri în iarna din Minnesota și vara din Texas și peste tot. Nici măcar nu suntem aproape încă la scară.

Am fost la o conferință anul trecut (Battery Symposium din Orlando, martie 2024) și am văzut o prezentare a unui startup care revendica 500 de cicluri. S-au dus la standul lor după. Solicitate detalii. S-au liniştit foarte repede. Se pare că acele 500 de cicluri au fost la o rată de încărcare de 0,1 C, cu 4 ore între încărcări. Complet inutil pentru aplicații reale.

Fabricarea este un coșmar absolut.

Am petrecut 30+ ani să ne dăm seama cum să facem bateriile cu litiu-ion ieftine și fiabile. Fabricile, echipamentele, controlul calității - totul este stabilit.

Star-solidă? Pornind de la zero.

Echipamente diferite. Procese diferite. Diferite moduri de eroare. Totul e mai greu.

Am vorbit cu un tip de la QuantumScape luna trecută (eram amândoi la un bar de la aeroport, băuse vreo 3 beri, s-a vorbit) și mi-a spus că cea mai mare problemă a lor nu mai este nici măcar tehnologia. Îți dă seama cum să faci 10.000 de baterii care sunt toate identice. Consecvența la scară este atât de grea.

Problema interfeței îi omoară pe toată lumea.

Acest lucru este tehnic, dar important: acolo unde electrolitul solid atinge electrodul solid, obțineți rezistență. Este ca și cum ai încerca să treci electricitatea prin două suprafețe aspre presate împreună. Nu este un contact grozav.

Cu electrolit lichid, lichidul umple toate golurile microscopice. Contact perfect peste tot. Cu continuu-pornit-solid? Nu atât de mult.

Oamenii încearcă totul: acoperiri speciale, aplicarea presiunii, încălzirea, materiale noi, straturi de sacrificiu, zone tampon. Nimic nu funcționează perfect încă. Fiecare soluție creează noi probleme.

Se sparg și asta e foarte rău.

Electroliții solizi din ceramică sunt fragili. Când bateriile se încarcă, acestea se umflă ușor. Descarcă, se micșorează. Fă asta de 1000 de ori și ceramica ta se poate crăpa.

O baterie descărcată =. Umiditatea intră, performanța scade, jocul se termină.

Am văzut celule frumoase în stare solidă-care au funcționat perfect timp de 50 de cicluri, apoi s-au spart, apoi au încetat să funcționeze. sfâșietor. Și scump.

Electroliții polimerici nu se sparg la fel de ușor, dar au o conductivitate ionică mult mai scăzută. Întotdeauna schimburi-.

Costul mă face să plâng.

Estimările actuale estimează bateriile cu stare solidă-de 10-20 ori mai mare decât costul unui litiu-ion obișnuit. Pe kWh.

Da, costurile vor scădea odată cu scara. Întotdeauna o fac. Dar vorbim de ANI de dezvoltare și de MILIARDE de investiții de capital înainte de a ajunge la paritatea costurilor.

Celulele 4680 de la Tesla costă 100 USD/kWh. Stare solidă ar putea fi de 1.000 USD/kWh chiar acum. Poate mai mult. Nimeni nu publică numere reale pentru că sunt jenante.

O, bine, asta va fi dezordonat pentru că sunt ca 50+ companii care susțin că sunt „pe cale să revoluționeze bateriile”, dar permiteți-mi să mă concentrez pe cine face de fapt lucruri:

QuantumScape- Probabil cea mai avansată pentru aplicațiile auto. Folosind separator ceramic. Susținut de VW și Bill Gates. Stocul lor a trecut de la 130 USD la 10 USD. Ai. Dar încă funcționează și au arătat niște rezultate decente ale testelor. Cronologia continuă să alunece, ceea ce este... îngrijorător, dar și realist? Nu știu ce să simt pentru ei sincer.

Putere solidă- BMW și Ford au susținut. Electrolit sulfurat. Ultima dată am auzit că au încă probleme de producție. Cronologia lor a alunecat și ea. Timelinele tuturor alunecă. Este distracția preferată a industriei bateriilor.

Samsung SDI- De fapt, AU baterii solide-în producție! Dar mici. Pentru purtabile. Dispozitive medicale. Hearables (da, acesta este un cuvânt acum aparent). Lucruri de dimensiunea mașinii-? Inca in dezvoltare. Se spune 2027. Eu spun 2029-2030 realist.

Toyota- O, băiete! Toyota promite progrese-solide ale bateriei încă de înainte să încep să lucrez în acest domeniu. Ei depun mai multe brevete decât oricine altcineva. Ei fac anunturi mari în fiecare an. Și totuși... niciun produs.

VREAU să le cred. Sunt Toyota. Ei cunosc producția. Dar păcălește-mă o dată, să-ți fie rușine. Pacaleste-ma de 47 de ori...

Au spus 2025, apoi 2027, acum e 2027-2028. Voi pune bani pe minim 2030.

Nissan- Să fiu mai liniștit în privința asta, ceea ce de fapt îl respect. Să spunem că vor avea producție pilot până în 2024-2025. Cronologie mai realistă decât altele. Lucrezi cu NASA la unele chestii cred? Nu mă cita.

CATL- Companie chineză, cel mai mare producător de baterii din lume. Când se mișcă, toată lumea observă. Lucrează la starea solidă-dar sunt FOARTE conservatori în ceea ce privește predicțiile. Ceea ce mă face să am mai multă încredere în ei. Ei cunosc scara de producție. Ei știu ce este greu.

StoreDot- Startup israelian, focalizare extremă la încărcare rapidă. Demo-uri grozave. Scalare este întrebarea. Întotdeauna întrebarea.

Mai sunt Factorial Energy, ProLogium, Ionic Materials, Sakuu, Blue Current, Ilika... literalmente încă zeci. Majoritatea vor eșua. Cam așa funcționează. Pornirile de baterii au o rată de succes de aproximativ 5%.

Raspuns scurt:Nu.

Răspuns mai lung:Totuși, nu, cu excepția cazului în care cumpărați un prototip EV pentru 500.000 USD+ sau o baterie mică de specialitate pentru echipamente medicale.

Răspuns și mai lung:Samsung are câteva baterii solide-disponibile, dar sunt scumpe și mici. Vorbim ca o celulă cu monedă. Nu este util pentru majoritatea aplicațiilor.

Primele produse de consum reale cu stare-solidă vor fi probabil:

Smartphone-uri premium- Samsung sau Apple vor dori să se laude. „Primul telefon cu baterie-solidă!” Marketing grozav. Probabil 2026-2027.

VE-uri cu producție limitată- Unele mărci de lux vor produce 500 de unități cu baterii solide-. Cost 200.000 USD. Demonstrați că tehnologia funcționează. 2027-2028.

Biciclete/scutere e-de gamă de ultimă generație- Bateria mai mică o face mai fezabilă din punct de vedere economic. 2026?

Piața de masă? Omule pe care nu-l cunosc. 2030 cel mai devreme. Poate 2032-2035 pentru a fi în siguranță. Și chiar și atunci „piața de masă” ar putea însemna „upgrade opțional pentru 10.000 USD”.

Probabil că sunt pesimist. Dar am fost dezamăgit de prea multe ori.

Chiar acum? În mare parte, prezentările PowerPoint.

Dar serios:

Mașini electrice- Acesta este ceea ce îi pasă tuturor. 500+ autonomie de mile, încărcare de 10 minute, mai ușor, mai sigur. Ar schimba cu adevărat piața de vehicule electrice. DACA se intampla.

Telefoane și laptopuri- Imaginați-vă că telefonul durează 2 zile întregi cu utilizare intensă. Sau fiind jumătate din grosime. Sau să nu mai avem niciodată situații Samsung Note 7. Acesta este visul.

Implanturi medicale- Aici sunt folosite DEJA unele baterii cu stare solidă-! Stimulatoarele cardiace au nevoie de baterii care 100% să nu se defecteze sau să se scurgă în corpul dumneavoastră. Stare-solidă este perfectă pentru asta. Baterie mică, nu trebuie să fie ieftină, siguranța este totul.

Drones/Aviație- Avioanele electrice au nevoie de cea mai mare densitate de energie posibilă. Fiecare gram contează. Starea solidă-ar putea face aviația electrică de fapt viabilă dincolo de dronele mici.

Stocare în rețea- Poate? Dar sincer, pentru depozitarea staționară, greutatea nu contează. LFP este deja destul de ieftin și sigur. Greu de batut la cost. Solid-ar trebui să fie cu adevărat ieftin pentru a concura aici.

Sunt întrebat acest lucru în mod constant. La petreceri (inginerii de baterii merg la petreceri bine), la conferințe, rude aleatorii pe Facebook.

Răspuns: Nu. Nu aştepta.

Dacă doriți un EV acum, cumpărați un EV acum. Vehiculele electrice actuale sunt foarte bune! Model 3, Ioniq 5, F-150 Lightning, toate opțiuni solide. Tehnologie dovedită. Fiabilitate cunoscută.

Până la momentul în care există vehicule electrice-solide accesibile:

Veți conduce vehiculul actual de 5+ ani deja

Tehnologia va fi în continuare de prima-generație cu probleme necunoscute

Infrastructura de încărcare va fi și mai bună

Prețurile vehiculelor electrice uzate s-ar fi prăbușit cine știe

Dacă intenționați să cumpărați la sfârșitul anului 2027 sau 2028? Atunci poate așteptați să vedeți ce se lansează de fapt. Dar nu-ți pune viața în așteptare.

Tehnologia se îmbunătățește mereu. Întotdeauna vine ceva mai bun „în curând”. Abia aștept pentru totdeauna.

Am așteptat să cumpăr un televizor 4K până în 2019. Știți ce s-a întâmplat? Au devenit mai ieftine și mai bune. Dar nici nu am avut un televizor 4K timp de 6 ani. A meritat? Sincer... nu. Ar fi trebuit doar să cumpăr unul.

solid-state batteries

Bine, nu minciuni. Dar înșelătoare.

Toată lumea aruncă în jurul valorii de numere de densitate de energie. "400 Wh/kg!" "500 Wh/kg!" "900 Wh/kg!"

Iată ce nu vă spun:

CELELE actuale cu litiu-ion: 250-300 Wh/kg
PACHETE actuale de litiu-ion: 150-200 Wh/kg

Vezi diferența? Pachetul include carcasă, răcire, cablare, sisteme de gestionare a bateriei. De parcă 30-40% din greutatea acumulatorului nu este nici măcar baterie.

Revendicări-CELL în stare solidă: 400-500 Wh/kg
Realitatea-PACK în stare solidă: Cine ştie? 250-350 Wh/kg poate?

Deci, când Toyota spune „densitatea de energie de două ori mai mare!” ei compară cele mai bune-numere de celule cu numerele de pachet actuale. Nu mere la mere.

Îmbunătățirea reală la nivelul pachetului va fi probabil de 50-75%. Ceea ce este încă grozav! Chiar grozav! Dar nu revoluția pe care o presupune marketingul.

De asemenea, densitatea de energie nu este totul. Densitatea puterii contează (cât de repede vă descărcați). Viața ciclului contează. Performanță la temperatură. Costul pe kWh contează cel mai mult pentru adoptarea în masă.

O baterie care costă 2000 USD/kWh cu 500 Wh/kg este mai proastă decât o baterie care costă 100 USD/kWh cu 250 Wh/kg. Oricum, pentru majoritatea aplicațiilor.

Dacă ești o persoană obișnuită:Uitați că starea solidă-există pentru moment. Cumpărați tot ce aveți nevoie cu tehnologia actuală. Funcționează bine.

Dacă cumpărați un vehicul electric în 2025-2026:Cumpărați acum cu litiu-ion actual. Nu aştepta. Viitorul EV perfect nu va veni destul de curând.

Dacă ești investitor:Acesta este risc mare, recompensă mare. Aș paria pe jucători consacrați (Samsung, Toyota, CATL) față de startup-uri. Dar asta sunt doar eu. Sunt opus riscului-pentru că am văzut prea multe porniri de baterii prăbușindu-se și ardând. Literal într-un caz.

Daca esti inginer:Intră în acest domeniu! Este frustrant al naibii, dar foarte interesant. Pregătește-te doar pentru progres lent și multe fundături.

Dacă intenționați să cumpărați în 2027-2028:Începeți să acordați atenție cine livrează de fapt față de cine doar face anunțuri. Banii mei sunt pe Samsung și poate pe Nissan.

Ce să NU faci:Nu cumpărați „baterii solide-disponibile acum!” de pe site-uri web incomplete. Ei mint. Dacă este real, va fi în principalele instituții de știri și de la producători importanți.

Ah și încă ceva: dacă ai nevoie de baterii ACUM și vrei ceva între litiu-ion obișnuit și visul-solid? Priveștebaterii cu litiu polimer. Nu sunt în stare solidă-, dar mult mai sigure decât li- standard, nu se scurg și le puteți obține astăzi. Folosit în tone de lucruri RC și unele telefoane. Nu este revoluționar, dar de fapt disponibil lol.