Твердотельные батареи: почему о них говорят и когда ждать настоящего прорыва

Твердотельные аккумуляторы уже несколько лет называют следующим шагом в развитии энергохранения. Они обещают ^[1] большую емкость, быструю зарядку и повышенную безопасность по сравнению с привычными литийионными батареями. Но пока такие решения остаются на этапе испытаний — в реальных устройствах работают лишь прототипы. В этом материале разберем, что уже удалось сделать, какие проблемы мешают перейти к массовому производству.

Что уже работает: плюсы, которые впечатляют

За последние годы инженеры и ученые серьезно продвинулись в создании твердотельных источников питания. Главное достижение — материалы, которые проводят ионы лития почти так же эффективно, как жидкость в традиционных аккумуляторах. Это позволило разработать системы, хранящие больше энергии в меньшем объеме. Например, в начале 2025 года Mercedes-Benz испытала ^[2] прототип электрокара с новым энергоблоком, который, по словам представителей компании, обеспечит пробег свыше 1000 километров без подзарядки. Это почти вдвое больше, чем у современных моделей. Секрет в замене тяжелого графитового анода на чистый металлический литий, способный вместить в десять раз больше энергии на грамм. Такие решения делают автомобиль легче, что снижает расход заряда на движение.

Безопасность — еще один сильный аргумент. В обычных литийионных системах жидкий электролит может вспыхнуть при аварии. Хоть современные конструкции и сокращают риск (всего 25 пожаров на 100 тысяч машин), полностью его не устранить. Новые технологии применяют ^[3] твердый материал, который почти не горит и выдерживает высокие температуры. Это важно для электрокаров, где энергоблок занимает чуть ли не половину днища, — любой сбой может стать опасным. К тому же такие материалы устойчивы к высоким напряжениям, что снижает вероятность коротких замыканий и появления дендритов — металлических «иголок», которые в жидких системах пробивают разделитель и приводят к поломкам.

Самое впечатляющее — скорость зарядки. Сегодняшние электромобили требуют минимум полчаса на пополнение энергии, потому что сильный ток может повредить электролит или анод. Твердотельные материалы, особенно суперионные, пропускают ионы быстрее, и тесты показывают, что зарядка занимает 10 минут или меньше. Это почти как заправить бензиновую машину. Компании вроде QuantumScape демонстрируют ^[4] прототипы, выдерживающие тысячи циклов без заметного износа. Такие характеристики делают новые системы идеальными для премиум-авто или мощных моделей, где дальность и удобство решают всё.

Лаборатории вроде Battery500 Consortium готовят ^[5] твердотельные батареи для испытаний в машинах к 2027 году. Пока это только лабораторные образцы, но они уже показывают, что ионы лития могут свободно проходить через твердую среду и стабильно передавать энергию.

Проблемы «твердотельников»

Прогресс впечатляет, но есть и сложности. Первая — материалы. Суперионные проводники ^[6], открытые за последние 20 лет, позволяют ионам двигаться почти как в жидкости, но многие из них либо хрупкие, либо нестабильные. Сульфидные электролиты, например, выделяют токсичный газ при контакте с влагой, поэтому их собирают в помещениях с влажностью менее 1%. Керамические оксиды не боятся воздуха, но легко трескаются при изгибе или резке. Полимеры более гибкие и дешевле, но их проводимость ниже, что ограничивает мощность систем.

Еще одна сложность — инженерная ^[7]. При зарядке металлический литий на аноде нарастает и растворяется, из-за чего энергоблок слегка меняет объем — как будто «дышит». Нужно создавать рамки или гибкие оболочки, чтобы конструкция не ломалась. В QuantumScape, к примеру, собирают ячейки из тонких керамических листов, уложенных в металлические каркасы и запакованных в вакуумные пакеты. Это работает, но усложняет сборку и увеличивает стоимость. Еще одна проблема — дендриты. Хотя твердый электролит должен их блокировать, при быстрой зарядке могут возникать микротрещины, которые со временем сокращают срок службы.

Третья проблема — производство. Литийионные батареи выпускают уже три десятилетия, и их цена к 2025 году снизилась ^[9] примерно до 115 долларов за киловатт-час, а к 2030-му ожидают около 80. Твердотельные батареи требуют других условий: автоматизированных линий, сухих помещений и высокой точности сборки, почти как при выпуске микрочипов. Из-за этого производство обходится дорого, и цена не снизится, пока не начнут делать их в больших объемах. Стартапы вроде Solid Power и Ion Storage Systems пока строят пилотные линии, и до промышленных масштабов им далеко. Все хорошо, но автопроизводителям нужны решения, которые не только лучше, но и дешевле существующих.

Подходы и тесты: что пробуют автогиганты

Чтобы решить перечисленные проблемы, разные компании выбирают собственные подходы, и автопроизводители уже активно проверяют их на практике. Сегодня в лидерах — решения ^[10] на основе сульфидных электролитов: их проще внедрить в существующие производственные линии, поскольку материал наносится в виде пасты и сворачивается в рулоны, как в обычных литийионных аккумуляторах. На этом направлении работают Toyota и Honda, а китайская CATL помогает создавать ^[11] прототипы. Такие батареи способны заряжаться за считаные минуты и обеспечивать запас хода до 800 километров, но требуют сборки в помещениях с крайне низкой влажностью, что повышает стоимость. Toyota уже тестирует автомобили с подобными ячейками, близкими к серийному уровню, и планирует вывести модели на рынок к 2027 году. Этот подход выглядит наиболее реалистичным для массовых электрокаров, где решающими остаются цена и темпы производства.

Керамические оксиды — еще один вариант ^[12]. Они прочные, не боятся воздуха и хорошо работают с металлическим литием на аноде, предотвращая появление дендритов. Стартап Ion Storage Systems, выросший из лаборатории Университета Мэриленда, обжигает такие материалы, как керамику в печи, получая источники питания, которые не горят и выдерживают высокое напряжение. Mercedes-Benz использовала их в испытаниях 2025 года, заявив о пробеге в 1000 километров, и готовит новые тесты к 2027-му. Но керамика хрупкая, и ее обрабатывают как полупроводники — с точной резкой и роботами, что усложняет массовый выпуск. Зато такие решения идеальны для премиум-машин, где безопасность и дальность важнее стоимости.

Полимерные электролиты — третий путь ^[13]. Они гибкие, проще в производстве и дешевле, но их проводимость ниже, так что они больше подходят для гибридов или менее мощных автомобилей. Factorial Energy сотрудничает со Stellantis, показывая хорошую безопасность, но меньшую емкость по сравнению с керамикой или сульфидами. Испытания таких систем пока ограничены, но они могут стать бюджетной альтернативой для компактных электрокаров.

Что в итоге? 

Автопроизводители уже проверяют все эти технологии на практике. Volkswagen совместно с QuantumScape тестирует керамические ячейки, оценивая их поведение при длительной езде и перепадах температур. Mercedes-Benz провела дорожные испытания прототипа с оксидным энергоблоком, изучая его взаимодействие с электроникой автомобиля и устойчивость к изменениям объема при зарядке. Toyota делает ставку на сульфидные решения, стремясь вывести серийные модели уже через несколько лет. Эти испытания помогают доработать конструкцию, понять, как батареи ведут себя в реальных условиях, и подготовить технологии к массовому производству. Результаты пока выглядят обнадеживающе, хотя до промышленного уровня еще далеко.

Компании считают, что демонстрации новых источников питания в электрокарах начнутся к 2027 году, а массовое производство — ближе к 2030-му ^[14]. Но реальность может сдвинуть сроки до 2035 года из-за сложностей с выпуском и стоимостью. 

В портативной электронике твердотельные решения тоже выглядят перспективно. Они позволят создавать более тонкие и безопасные ноутбуки, смартфоны и планшеты, которые не перегреваются и не теряют емкость после сотен циклов зарядки. Уже сейчас несколько производителей, включая Apple и Samsung, инвестируют ^[15] в исследования твердотельных ячеек для потребительских устройств. Если технологии удастся адаптировать под массовое производство, первые модели с такими батареями могут появиться в течение ближайших пяти лет.

Кроме того, твердотельные аккумуляторы открывают возможности для носимой электроники и медицинских гаджетов. Компактность и устойчивость к перегреву делают их идеальными для умных часов, слуховых аппаратов и сенсоров здоровья, где безопасность и долговечность особенно важны. В долгосрочной перспективе такие источники питания могут стать стандартом не только для транспорта, но и для всей потребительской электроники.