Твердотілий акумулятор — це електричний акумулятор, в якому використовуються тверді електроди і твердий електроліт замість рідких або полімерних гелевих електролітів, які застосовуються в літій-іонних або літієвих полімерних акумуляторах.^[1][2] Як тверді електроліти у таких акумуляторах використовують кераміку (наприклад, оксиди, сульфіди, фосфати) і тверді полімери. Твердотілі акумулятори знайшли застосування в кардіостимуляторах, RFID-технологіях та переносних пристроях. Такі акумулятори безпечніші, мають більш високу щільність енергії, але значно дорожчі у виробництві.

Між 1831 і 1834 рр. Майкл Фарадей відкрив тверді електроліти сульфіду срібла та фторид свинцю (II), заснувавши твердотільну іоніку .^[3][4]

Це стало початком для твердотілих акумуляторів.^[5]

В кінці 1950-х років відбулися перші спроби створити такий акумулятор.^[6] Для цього використовували електроліти на основі срібла, що мали низьку щільність енергії та високий внутрішній опір. Новий клас твердотілого електроліту, розроблений Національною лабораторією Оук-Рідж у 90-х роках, пізніше був застосований у виробництві тонкоплівочних літій-іонних акумуляторів.^[7]

У 2011 році Bolloré запустив BlueCar з літій-металевим полімером 30 кВт-год (LMP), в якому використовувався твердий полімерний електроліт, створений розчиненням літієвої солі в солювальному сополімері (поліоксиетилен).

У 2013 році дослідники з Університету Колорадо Боулдер оголосили про розробку твердотілого літієвого акумулятора з твердим композитним катодом на основі хімічної формули залізо — сірка, яка обіцяла вищу енергетичну потужність.^[8]

У 2014 році дослідники Sakti3 анонсували твердотільний електроліт-літій-іонний акумулятор та заявили про вищу щільність енергії за меншу вартість.^[9] Toyota оголосила про свої твердотільні акумуляторні роботи^[10] та має найбільшу кількість патентів.^[11] У 2015 році компанію Sakti3 придбав Дайсон .^[12]

У 2017 році Джон Гудінаф, співавтор літій-іонних акумуляторів, продемонстрував можливість розробки твердотілого акумулятора на основі скляного електроліту та лужно- металевого аноду, що складається з літію, натрію чи калію .^[13] У 2017 році Toyota оголосила про поглиблення і так багаторічного партнерства з Panasonic, включаючи співпрацю щодо твердотілих акумуляторів.^[14] Інші автовиробники працюючі над цією технологію включають BMW,^[15] Honda,^[16] Hyundai Motor Company^[17] та Nissan .^[18] Дайсон, компанія, відома виробництвом побутової техніки, оголосила про запуск електромобіля до 2020 року.^[12] За два роки до оголошення Дайсон купив Sakti3, компанію, яка займається дослідженням твердотілих акумуляторів. Дайсон відмовився від проекту електромобілів у 2019 році, але заявив, що технологія акумуляторів буде розвиватися далі.^[19] Компанія Fisker Inc. стверджує, що її твердотільна акумуляторна технологія буде готова до «виробництва на рівні автопрому» у 2023 році.^[20] NGK, компанія, відома свічками запалювання, розробляє акумулятори на основі кераміки, використовуючи свій досвід у керамічній галузі.^[21]

У 2018 році Solid Power оголосила, що отримала 20 мільйонів доларів США на фінансування невеликої виробничої лінії для твердотілих літій-металевих акумуляторів.^[22] Лінія зможе виробляти акумулятори у кількості, що становить сумарно потужність близько 10 мегават-годин на рік.^[23] Volkswagen оголосив про інвестиці розміром 100 мільйонів доларів у стартап QuantumScape, який розробляє твердотільний акумулятор. Стартап походить зі Стенфорда.^[24] Китайська компанія Qing Tao запустила виробничу лінію твердотільних акумуляторів.^[25]

Основні події продовжували розвиватися в 2018 році, коли Solid Power, відокремлена від дослідницької групи Університету Колорадо Боулдер,^[23] отримала 20 мільйонів доларів США від Samsung та Hyundai для створення невеликої виробничої лінії, яка могла б виробляти копії своїх повністю твердотільних прототипів літій-металевих акумуляторів, із передбачуваною сумарною потужністю у 10 мегават-годин на рік. QuantumScape, ще один стартап у галузі твердотільних акумуляторів, що був створений колегіальною дослідницькою групою (в даному випадку Стенфордським університетом), притягнув увагу до себе цого ж року, коли Volkswagen оголосив про інвестиції у дослідницьку групу розміром у 100 мільйонів доларів, ставши найбільшим зацікавленим учасником, на пару з Біллом Гейтсом^[26]. З метою створення спільного проекту для масового виробництва твердотільних акумуляторів, Volkswagen виділив QuantumScape додатково 200 мільйонів доларів у червні 2020 року та провів IPO QuantumScape(інші мови) на NYSE 29 листопада 2020 року в рамках злиття разом із Kensington Capital Acquisition, щоб залучити додатковий капітал в проект.^[27][28]

Qing Tao також розпочав першу китайську виробничу лінію твердотільних акумуляторів у 2018 році, спочатку маючи намір поставити батареї для «спеціального обладнання та цифрових продуктів високого класу»; однак компанія спілкувалася з декількома виробниками автомобілів з наміром потенційно розширития і до автомобільного ринку.^[29]

У 2021 році Toyota представить прототип електромобіля, що працює від твердотільних акумуляторів, і надалі планує бути першим автовиробником, який продаватиме електромобіль із твердотільними акумуляторними батареями^[30]. Solid Power передбачає «почати офіційний процес з кваліфікації автомобілів» на початку 2022 року, а QuantumScape «запланував старт масового виробництва на другу половину 2024 року»^[31]. Fisker, із свого боку, оголосили що їх твердотільна акумуляторна технологія повинна бути готова до «виробництва автомобілів» у 2023 році^[32].

26 лютого 2021 року Fisker оголосив, що у зв'язку з непередбаченими труднощами та явними непереборними перешкодами компанія вирішила повністю відмовитись від своїх зусиль в галузі твердотілих акумуляторів.^[33]

Матеріали, придатні для використання як тверді електроліти, в таких акумуляторах, включають кераміку,^[34] скло (див. Скляну батарея),^[13] та сульфіди.^[35] В основному катоди твердотільних акумуляторів використовують літій, з багатьма випробуваними варіантами, як то LiCoO ₂, LiNi _1/3 Co _1/3 Mn _1/3 O ₂, LiMn ₂ O ₄ та LiNi _0,8 Co _0,15 Al0.05O ₂ . Аноди таких акумуляторів різняться набагато більше, і частково залежать від типу твердотільного електроліту. Наприклад, In, Ge _x Si _{1− x}, SnO — B ₂ O ₃, SnS –P ₂ S ₅, Li ₂ FeS ₂, FeS, NiP ₂ та Li ₂ SiS ₃ .^[36]

Одним з перспективних матеріалів для катода є Li-S, який має теоретичну ємність 1670 mAh g ⁻¹, "що вдесятеро перевищує ефективне значення LiCoO ₂ ". Сірка не може використовуватись як катод у рідких електролітах, оскільки вона розчиняється у більшості рідких електролітів і спричинює різке скорочення терміну експлуатації акумулятора. Саме тому сірка в даний час вивчається в твердому стані.^[36] Нещодавно був розроблений керамічний текстиль, який має перспективу при використанні в твердотільному акумуляторі LI-S. Цей текстиль використовувався як роздільник між анодом і катодом, і пропускає іони літію, одночасно перешкоджаючи розчиненню сірки. Результати були багатообіцяючими, проте не досягли теоретично прогнозованої щільності енергії. Результат «роздільник товщиною 500 мкм при 63 % використаної площі електроліту» становив «71 Вт/кг». тоді як прогнозована щільність енергії становить 500 Вт/кг.^[37]

Твердотільні акумулятори Li-O <sub id="mwnA">2</sub> подають багато надій на покращення існуючих акумуляторів з їх високою теоретичною ємністю. Однак головна проблема цих пристроїв полягає в тому, що «літієвий анод повинен бути захищеним від впливу атмосфери, тоді як повітряний катод повинен контактувати з нею».^[36]

Акумулятор Li / LiFePO ₄ також цікавий як твердотілий акумулятор для електромобілів. Дослідження, проведене в 2010 році, представило цей матеріал як безпечну альтернативу для акумуляторних батарей електромобілів, які «перевершують вимоги USABC-DOE».^[38]

Твердотілі акумулятори застосовуються в кардіостимуляторах, RFID та в розумному одязі .^[39][40]

У гібридних та електричних автомобілях застосовуються різні типи акумуляторних батарей, включаючи літій-іон, нікель-металгідрид (NiMH), свинцево-кислотні та електричні двошарові конденсатори (або ультраконденсатори)^[41] на основі Li-ion .^[42] Автовиробник Bentley вважає що твердотілі акумулятори можуть надати більше свободи у дизайні автомобілів.^[43]

Твердотілі акумулятори занадто дорогі у виготовленні^[44], а виробничі процеси важко масштабуються, вимагаючи дорогого обладнання для вакуумного осадження.^[7] У 2012 році було підраховано, що на основі тодішньої технології вартість одного твердотілого акумулятора потужністю 20 Ah коштуватиме 100 000 доларів США, а щоб створити електромобіль з високою дальністю руху, потрібна акумуляторна батарея, що скадається з 800-1000 таких акумуляторів. Вартість також є проблемою для використання твердотільних акумуляторів в інших галузях, таких як смартфони .^[39]

Можливий вплив на роботу акумулятора низьких температур.^[44] Є свідчення про низьку продуктивність твердотілих акумуляторів у таких умовах.^[8]

Твердотільні акумулятори з керамічними електролітами потребують високого тиску для підтримки контакту з електродами.^[45] Керамічні прокладки між катодом і анодом можуть зламатись від механічних ушкоджень.^[7]

Аноди на основі твердого літію (Li) в твердотілих акумуляторах є заміною графітових анодів у літій-іонних акумуляторах, для більшої щільності енергії, безпеки, та швидкої зарядки. Використання літію у анодах спричиняє утворення та ріст дендритів Li за рахунок неоднорідного осадження металу літію.^[46]

Дендрити літію проникають у ізоляційну прокладку, що розміщена між анодом та катодом та запобігає короткому замиканню . Проникнувши через прокладку, вони спричиняють короткі замикання, перегрів, пожежежі або навіть вибухи від теплового розширення.^[47] Літієві дендрити знижують вихід току (ефективність).^[48]

Дендрити зазвичай утворюються під час електроосадження^[49] що відбувається у процесі заряду та розряду акумулятора. Іони літію в електроліті поєднуються з електронами на поверхні анода — утворюючи шар металу літію.^[50] В ідеалі осадження літію відбувається рівномірно на аноді. Однак, якщо створюються нерівномірні нарости, структури можуть рости як голка, через весь електроліт та / або прокладку.^[51]

Стабільна інтерфаза твердого електроліту (SEI) була найефективнішою стратегією уповільнення росту дендриту та досягнення більшої кількості циклів зарядки.^[48] Твердотільні електроліти (SSE) можуть запобігати росту дендритів, хоча це питання залишається відкритим.^[47] У дослідженнях 2018 року визначено нанопористі керамічні прокладки, що здатні блокувати ріст дендриту літію аж до критичної щільності струму .^[52]

Вважається, що твердотіла акумуляторна технологія здатна підвищити енергетичну щільність (2,5х)^[53].

Можна уникнути використання небезпечних або токсичних матеріалів, що зараз використовуються у виробництві акумуляторів, таких як органічні електроліти.^[54]

Оскільки більшість рідких електролітів є горючими, а тверді електроліти є негорючими, твердотільні акумулятори вважаються більш безпечними. Потрібно менше систем безпеки, що збільшує щільність енергії.^[1][54] Останні дослідження показують, що вироблення тепла всередині твердотілої акумуляторної батареї складає лише ~ 20-30 % у порівнянні із звичайними акумуляторними батареями з рідким електролітом.^[55]

Вважається, що твердотіла акумуляторна технологія дозволить швидше заряджатись.^[56][57] Можлива більша напруга та більше циклів перезарядки.^[54][44]