CATL вивчає «дихаючі» літій‑повітряні батареї для далекобійних EV

Китайський виробник акумуляторів CATL офіційно назвав літій‑повітряні батареї довгостроковим напрямком фундаментальних досліджень, який поки що не має жодного затвердженого графіка комерційного запуску. Попри гучні припущення про можливий пробіг електромобілів до 2 000 км на одному заряді, йдеться лише про теоретичний потенціал хімії, а не про реальні характеристики серійної батареї.

Що важливо знати

• Літій‑повітряні елементи мають дуже високу теоретичну питому енергію, але це не дорівнює енергетичній щільності готового автомобільного акумулятора.
• CATL розглядає цю технологію як резерв на далеку перспективу, тоді як натрій‑іонні та твердотільні рішення стоять значно ближче до ринку.
• Основні бар’єри для застосування у пасажирських EV — керування повітрям, довговічність, ефективність і відповідність вимогам до потужності.

Чим літій‑повітряні батареї відрізняються від звичайних

У традиційних літій‑іонних батареях іони літію «ходять» між графітовим чи іншим анодом і катодом, у якому вже зберігається активний матеріал. У літій‑повітряних системах негативним електродом виступає металевий літій, а позитивним реагентом стає кисень із навколишнього середовища. Під час розряду літій реагує з киснем і утворює пероксид літію (Li₂O₂) у пористому катоді; при заряді реакція має повністю розвернутися у зворотний бік.

Саме використання кисню з повітря, а не важкого твердого катодного матеріалу, забезпечує дуже високу теоретичну питому енергію — близько 3 505 Вт·год/кг для реакції утворення пероксиду літію. У деяких розрахунках, де з формули виключають масу кисню, фігурують цифри до 12 000 Вт·год/кг. Але всі ці значення описують лише ідеальну електрохімічну реакцію, а не повноцінний автомобільний акумуляторний блок із корпусом, електролітом, системою керування та повітряними каналами.

На практиці масу та об’єм додають електроліти, електродні основи, захисні шари, а також обладнання для забору, очищення й контролю параметрів повітря. Тому лабораторні показники слід розглядати з великою обережністю.

Що вже вдалося досягти в лабораторіях

Інтерес до літій‑повітряних систем з’явився задовго до нинішніх досліджень CATL. Ще у 2009 році IBM запускала проєкт Battery 500 з амбіцією створити метал‑повітряний акумулятор для пробігу електрокара близько 805 км, але серійного рішення тоді не з’явилося.

Останні роки принесли цілу низку лабораторних проривів. Дослідники Університету науки і технології Китаю, зокрема професор Пен Тан, детально вивчали, як транспорт кисню через електроліт впливає на хімічні реакції в літій‑кисневих осередках. Вони використали товсті електроди та показали, що опір масоперенесенню може змінювати механізм реакцій у різних зонах електрода. Це допомагає краще розуміти проєктування катодів, але ще не дає готового автомобільного рішення проблеми засмічення пор продуктами розряду.

Інша робота, виконана за участю дослідників Цзіліньського університету та Китайської академії наук, у 2024 році продемонструвала літій‑повітряну pouch‑комірку з досягнутою питомою енергією 757,5 Вт·год/кг та вбудованим гелеподібним полімерним електролітом. В лабораторних умовах елемент витримав 241 цикл за струму 500 мА/г і ємності 1 000 мА·год/г. Важливо, що це одинична комірка під контрольними умовами, а не повний батарейний пакет для авто.

Свою архітектуру запропонували й вчені з Іллінойського технологічного інституту та Національної лабораторії Аргонна. У 2023 році вони описали твердотільний варіант літій‑повітряної батареї з чотирьохелектронною реакцією, де формується оксид літію (Li₂O) замість традиційного пероксиду. Така комірка відпрацювала щонайменше 1 000 циклів за кімнатної температури, а її теоретичний енергетичний потенціал оцінили на рівні 1 200 Вт·год/кг. Проте це також теоретичне наближення, а не сертифікована для ринку характеристика.

Загальний висновок усіх цих робіт простий: прогрес помітний, але розкид підходів, умов тестування та критеріїв оцінки настільки великий, що говорити про готовий до конвеєра акумулятор для пасажирських авто поки передчасно.

Три ключові інженерні бар’єри для електромобілів

Щоб перетворити лабораторний осередок на батарею для серійної машини, потрібно розв’язати відразу кілька складних завдань. Дослідники та інженери нині бачать щонайменше три критичні вузли.

1. Система керування повітрям

Літій‑повітряний елемент потребує стабільної подачі кисню, але при цьому має бути захищений від вологи та вуглекислого газу. Вода реагує з металевим літієм, руйнуючи анод, а CO₂ утворює карбонат літію (Li₂CO₃), який накопичується в порах катода і заважає проходженню кисню. У реальному автомобілі це означає необхідність додаткових фільтрів, систем осушення та, ймовірно, складнішої газової арматури.

Таке «обслуговування повітря» збільшує масу й габарити батарейного модуля, а також споживає частину енергії. Одна з публікацій у Journal of Energy Storage у 2023 році оцінила, що допоміжні системи для літій‑повітряної установки в транспортному засобі можуть забирати до 5,4 % потужності акумулятора, хоча точна цифра залежить від конкретної конструкції.

2. Перезаряд і ефективність

Щоб батарея працювала багато сотень циклів, пероксид літію має повністю й контрольовано розкладатися при заряді. Реальна ж картина значно складніша: частина енергії витрачається на побічні реакції, утворюються високоактивні кисневі частинки, які пошкоджують електроліт і матеріали електродів. Додайте до цього нестабільність металевого літію при багаторазових осадах і розчиненнях — і виходить, що висока початкова енергетична щільність не гарантує довгий ресурс.

Низька «кругова» ефективність означає, що для видобутку однакової корисної енергії потрібно більше електрики з мережі. Частина втрат йде у тепло, зростають вимоги до охолодження, а повітряні системи додають ще більше паразитних витрат.

3. Важлива не лише питома енергія

Легковий автомобіль потребує не тільки високої питомої, а й високої об’ємної енергетичної щільності, а також достатньої потужності для розгону й стабільної роботи на шосе. Навіть якщо лабораторна комірка показує рекордні Вт·год/кг, це мало що означає, якщо вона не здатна швидко віддавати енергію або займає занадто багато місця в кузові.

Окремим питанням залишається й те, як змінюється поведінка такої батареї з віком, при різних температурах і режимах навантаження. Системи швидкої заміни батарей не можуть компенсувати деградацію хімії: пошкоджений електроліт або заблоковані пори катода не відновлюються самі собою.

Роль твердотільних технологій і реальні пріоритети CATL

Літій‑повітряні й твердотільні батареї — не прямі конкуренти, а радше суміжні напрямки. Частина дослідників активно поєднує ці підходи, використовуючи твердий електроліт для захисту літієвого анода та стабілізації реакцій з киснем. Один із варіантів — композитний твердий електроліт на основі частинок, що проводять літій, у полімерній матриці, який продемонстрували вчені з Аргонни та Іллінойсу.

Водночас потрібно розуміти, що літій‑повітряні системи радикально відрізняються від класичних твердотільних літій‑іонних батарей, де кисень не подається з повітря, а закладений у структурі катодного матеріалу. Для виробника на кшталт CATL це означає абсолютно іншу архітектуру батарейних модулів і вимоги до автомобільної платформи.

За офіційною дорожньою картою компанії, першими на комерційний рівень мають вийти натрій‑іонні рішення та повністю твердотільні літій‑іонні батареї. Літій‑повітряні осередки залишаються в категорії далекої перспективи, які потребують прориву одразу в кількох галузях — від довговічності й потужності до комплексного пакування всієї системи у форматі, придатному для пасажирських авто.

Літій‑повітряні батареї залишаються перспективною, але надзвичайно складною технологією, яка потребує ще років фундаментальних і прикладних досліджень — Ву Кай, головний науковий співробітник CATL

Поки що потенційними кандидатами на використання батарей з надвисокою питомою енергією частіше називають висотні безпілотні апарати тривалої дії, де кожен грам ваги критичний, а циклічний ресурс може бути іншим, ніж у сімейного електромобіля. Але й це радше сценарії для майбутнього, а не затверджені програми впровадження.

Для автовласників та покупців електрокарів головний підсумок простий: розмови про 2 000 км пробігу від літій‑повітряних батарей описують теоретичну межу хімії, а не можливості конкретного акумулятора, який уже можна замовити в салоні. Справжній виклик полягає не в досягненні рекордних цифр на папері, а в тому, щоб перетворити ці показники на довговічну, ефективну й безпечну батарею для масового ринку.