Компания, сотрудничающая с основным американским поставщиком батарей Tesla, разработала технологию на основе кремния, которая вскоре может обеспечить электромобилям 500-мильный пробег и пополнение заряда всего за 10 минут.

Главным американским клиентом компании Panasonic является Tesla, которая производит около 10 процентов батарей для электромобилей по всему миру. В прошлом году Sila подписала соглашение о поставках с Mercedes-Benz для его нового электрического внедорожника G-класса с большим радиусом действия, дебют которого ожидается в 2025 году. (Немецкий автопроизводитель возглавил раунд финансирования серии E, проведенный Sila в 2019 году.)

Анодный порошок Titan Silicon компании Sila состоит из микрометровых частиц наноструктурированного кремния и заменяет графит в традиционных литий-ионных батареях. Такой переход для автомобилей EV может вскоре обеспечить безостановочные поездки на 500 миль и 10-минутную подзарядку. Более того, замена анода не требует новых технологий производства. Черный порошок уже обеспечивает пятидневную автономную работу новейшего носимого устройства для отслеживания активности Whoop.

"Нам потребовалось 12 лет и 80 000 итераций, чтобы добраться до этой точки", - говорит соучредитель и генеральный директор Sila Джин Бердичевски. "Это сложная наука". Бердичевский начал свою карьеру в Tesla, став седьмым сотрудником в 2004 году. Он руководил разработкой аккумуляторной системы для Roadster компании Tesla и ушел, когда в компании работало около 300 человек. После дальнейшего обучения он стал соучредителем Sila вместе с коллегой из Tesla Алексом Джейкобсом и Глебом Юшиным, профессором материаловедения из Georgia Tech.

Новая технология аккумуляторов

По сравнению с графитом, кремний накапливает в 10 раз больше энергии, поэтому использование кремния вместо графита для анодов - части, которая высвобождает электроны во время разряда - может значительно повысить плотность энергии аккумулятора. Однако при многократной зарядке этот материал разбухает, и образующиеся трещины радикально сокращают срок службы батареи.

Технология Силы позволяет увеличить этот объем за счет использования наноразмерных углеродных "лесов", которые удерживают кремний под контролем. "Титановый кремний - это нанокомпозитный материал", - говорит Бердичевский. "Он похож на хлеб с изюмом, где изюм - это кремний, а вокруг изюма - хлюпающая матрица с большой внешней оболочкой на самой частице. Кожура удерживает пространство, а хлеб сдвигается в сторону, когда изюм расширяется. Лесенка не удерживает кремний, а способствует его расширению".

Патентованный процесс изготовления лесенки включает в себя проникновение газа силана, полученного из кремния, в специальные углеродные решетки. Полученный порошок микронного размера поставляется производителям батарей.

"Мы можем заменить от 50 до 100 процентов графита в литий-ионных батареях, - утверждает Бердичевский. Полноценная замена может обеспечить 40-процентное увеличение пробега для типичного EV и сократить время ожидания до 80-процентной зарядки до времени, которое требуется для неспешной заправки бака бензином.

Сила говорит, что Titan Silicon примерно в пять раз легче графита и занимает в два раза меньше места при полной зарядке. В пресс-релизе, объявившем о соглашении с Sila, компания Panasonic заявила, что ставит перед собой цель увеличить объемную энергетическую плотность своих батарей до 1000 ватт-часов на литр к 2030 году.

"Это очень высокий показатель", - говорит Бердичевский. "Лучшие батареи в мире сегодня имеют плотность около 740 ватт-часов на литр, и это те же цифры, которые, как утверждают разработчики твердотельных батарей, они могут достичь. Мы говорим, что скоро сможем достичь этих показателей с помощью технологии, которая уже есть сейчас"."

Кремниевое решение

Графит является основным анодным материалом в мире, он присутствует почти в каждой литий-ионной батарее и составляет до 60 процентов объема батареи. Согласно отчету Международного энергетического агентства, около трети всех батарей для электромобилей в настоящее время производится в Китае.

По оценкам горнодобывающей компании Benchmark Mineral Intelligence, Китай производит 61 процент мирового объема графита естественного происхождения, и перерабатывает 98 процентов готового графитового сырья.

Кремний - второй по распространенности элемент в земной коре (первый - кислород), а высокочистый кварц, используемый в производстве силанового газа, добывается в США.

С 2017 года анодный порошок Sila, предназначенный для потребительской электроники, производится на пилотной установке в штаб-квартире компании в Аламеде, Калифорния. Однако для производства продукции в автомобильных масштабах компания сейчас оборудует никогда не использовавшийся завод по производству стекловолокна площадью 600 000 квадратных футов в Мозес-Лейк, штат Вашингтон, где на первых порах будут работать 100 преимущественно местных жителей, а по мере роста компании планируется привлечь еще 600 человек.

Мозес-Лейк - известный своим картофелем, но всего лишь пятнышко на карте на полпути между Сиэтлом и Споканом - теперь является гидроэлектростанцией, привлекающей промышленные предприятия нового поколения, заинтересованные в дешевой и экологически чистой электроэнергии.

Бердичевский утверждает, что если вы поставляете продукцию европейским потребителям, то теперь вам выгодно быть вне грязной сети. Постановление, принятое Европейским парламентом в июне, не оставило Sila сомнений в целесообразности размещения предприятия в этом городе. Теперь Брюссель требует, чтобы на каждой батарее, предназначенной для рынка ЕС, была этикетка, декларирующая ее углеродный след; "паспорта батарей" должны в цифровом виде отслеживать батареи и их материалы в цепочке поставок.

Также есть требования к цепочке поставок в Законе о снижении инфляции (IRA) от 2022 года. Для получения субсидий на производство электромобилей минеральное сырье для батарей должно поставляться внутри страны или из стран-союзников. Части IRA, ориентированные на борьбу с изменением климата, обязывают США поставлять минеральное сырье на 40 % в этом году, а с 2027 года - на 80 %. IRA также запрещает использовать критически важные минералы, материалы для батарей и другие компоненты от "иностранных организаций, вызывающих озабоченность".

"Если вы используете в своих батареях материалы из Китая, то ваши клиенты лишатся налогового вычета в размере 7500 долларов", - говорит Бердичевский.

Порошковые аккумуляторы Porsche

Sila - не единственный производитель кремниевых нанокомпозитов, ориентированный на автомобилестроение, которого привлекает чистая энергия Мозес-Лейк. В одной миле от бывшего завода по производству стекловолокна компания Group14 Technologies начала строительство нового завода, который будет производить аналогичный порошок для Porsche.

В прошлом году немецкий автопроизводитель возглавил раунд финансирования Group14 в размере 614 миллионов долларов. Когда 7-летний завод компании откроется в 2024 году, он будет производить анодный порошок SCC55 в количестве, достаточном для 200 000 автомобилей EV в год.

"Есть компании, у которых есть партнерские отношения и сотрудничество, но они все еще находятся в стадии разработки, - утверждает Бердичевский, - в то время как мы готовы к масштабному производству"

Не случайно в Мозес-Лейк также находится REC Silicon, ранее закрытый поставщик фотоэлектрической промышленности, а теперь один из всего двух американских производителей газа силана. Group14 будет получать сырье на месте; Бердичевский предпочел не говорить, где Sila получает свой силан. Обе компании получили федеральные гранты в размере 100 миллионов долларов на строительство своих заводов по производству кремниевых анодов.

Джей Тернер, профессор экологических исследований в колледже Уэлсли, говорит, что крупномасштабное производство новых технологий батарей для электромобилей внутри страны, по понятным причинам, является большим событием. "В прошлом США были лидером в исследованиях передовых батарей, но большая часть фактического производства осуществлялась за рубежом. Очень приятно видеть, как разработанные в США исследования масштабируются на американских заводах. Компании Sila и Group14 выглядят вполне способными к масштабированию."

Игроки за власть

Кроме того, это лишь два производителя кремниевых анодов в США. Калифорнийские компании OneD Battery Sciences и Amprius выращивают кремниевые нанопроволоки, которые, по их утверждению, менее склонны к набуханию, чем порошки нанокремния.

Amprius, основанная в 2008 году профессором материаловедения из Стэнфорда И Куи, сосредоточилась на производстве кремниевых анодов для авиационного сектора, а OneD Battery Sciences будет использовать свои кремниевые нанотехнологии в батареях Ultium компании GM.

Вместо того чтобы создавать кремниевые наночастицы или нанопроволоки, Enevate, также из Калифорнии, наносит наноразмерные пленки кремния непосредственно на медную фольгу. Ее батареи с кремниевыми анодами уже используются в электромотоциклах.

Чикагский стартап NanoGraf производит материал из оксида кремния для анодов, который он предварительно заливает для стабильности. Его аноды используются в военной электронике.

Разработчики других химических составов батарей стремятся полностью вытеснить традиционные литий-ионные. Tesla уже выпускает автомобили с литий-железо-фосфатными батареями; Toyota дразнит инсайдеров отрасли своими твердотельными батареями; китайские компании разрабатывают натрий-ионные (Na-ионные) технологии, которые практически не требуют лития, никеля или кобальта; а Samsung SDI совершенствует высокомарганцевые батареи.

Вполне возможно, что на растущем мировом рынке EV найдется место для всех вышеперечисленных элементов. Действительно, британский центр Advanced Propulsion Centre, специалист по новым технологиям батарей, утверждает, что этот сдвиг в электротехнике "не связан с победой одного типа [химического состава батарей] над другим, поскольку эксплуатационные характеристики означают, что пользовательские случаи могут быть разными"

.