CATL изучает литий-воздушные аккумуляторы: смогут ли электромобили проехать 2000 км?

Согласно отчету китайского технологического издания IT Home, возобновились дискуссии о том, что литий-воздушные аккумуляторы могут обеспечить электромобилям запас хода до 2000 км и достичь энергоемкости, в пять раз превышающей показатели твердотельных батарей. Теоретическая удельная энергия такой химии часто оценивается примерно в 3505 Вт·ч/кг. Однако эта цифра описывает электрохимический потенциал, а не характеристики готового автомобильного аккумулятора.

Связь с CATL упоминается в контексте выступления главного научного сотрудника компании У Кая на форуме Equipment Powerhouse Forum 2026, где он определил технологию литий-воздух как долгосрочное направление исследований. Как сообщалось ранее, в дорожной карте CATL на ближайшую перспективу приоритетными для коммерциализации являются натрий-ионные и полностью твердотельные технологии, в то время как литий-воздушные остаются объектом долгосрочных изысканий. CATL не объявляла ни о целевом запасе хода в 2000 км для серийных машин, ни о графике коммерческого запуска этой технологии.

Разрыв между теоретической плотностью энергии и реальными эксплуатационными характеристиками автомобиля остается огромным. Управление потоками кислорода, химическая стабильность, возможность многократной перезарядки и вспомогательное оборудование — все это создает серьезные инженерные трудности.

Как работают литий-воздушные аккумуляторы

В обычных литий-ионных аккумуляторах литий хранится внутри двух электродов, а ионы лития перемещаются между анодом и катодом во время зарядки и разрядки. В литий-воздушных аккумуляторах в качестве отрицательного электрода используется металлический литий, а в качестве положительного реагента — кислород из окружающей среды.

Во время разрядки литий вступает в реакцию с кислородом, образуя пероксид лития (Li₂O₂) внутри пористого катода. Зарядка обращает реакцию вспять, высвобождая кислород и возвращая ионы лития на анод. Использование кислорода извне, а не хранение положительного реагента внутри традиционного материала катода, обеспечивает этой химии высокую теоретическую удельную энергию.

Часто упоминаемая цифра в 3505 Вт·ч/кг относится к теоретической реакции пероксида лития и включает массу кислорода как реагента. Более высокие значения, приближающиеся к 12 000 Вт·ч/кг, используют другой метод расчета, исключающий массу кислорода. Ни один из этих показателей не представляет собой энергоемкость полноценного автомобильного аккумулятора. Электролиты, электроды, защитные компоненты и оборудование для управления потоками воздуха также добавляют вес и объем.

Лабораторные успехи не решили проблему долговечности

Интерес автопрома к литий-воздушным батареям возник задолго до исследований CATL. В 2009 году IBM запустила проект Battery 500, целью которого было создание воздушно-металлического аккумулятора, способного обеспечить электромобилю запас хода в 500 миль (805 км) на одном заряде. Эта международная исследовательская программа с участием академических и промышленных партнеров так и не привела к созданию коммерчески доступного автомобильного аккумулятора.

Более современные исследования направлены на устранение химических ограничений, в частности, на проблему накопления продуктов разряда внутри пористых катодов. В исследовании 2025 года ученые из Университета науки и технологий Китая изучили, как свойства переноса кислорода через электролит влияют на механизмы реакций в литий-кислородных аккумуляторах. Используя толстые электроды, исследователи показали, как сопротивление переносу массы может изменять пути реакции в различных частях электрода. Эта работа дает понимание конструкции электродов, но не предлагает решения проблемы блокировки катода для автомобилей.

Другой результат был получен исследователями из Университета Цзилинь и Китайской академии наук. В исследовании 2024 года, опубликованном в Advanced Energy Materials, сообщалось об оптимизированной конфигурации литий-воздушного pouch-элемента, достигшего 757,5 Вт·ч/кг с использованием гелевого полимерного электролита in-situ. Исследователи также продемонстрировали 241 цикл работы при определенных лабораторных условиях (500 мА/г и 1000 мАч/г). Это лабораторный результат, а не подтвержденный характеристики автомобильного аккумуляторного блока.

Исследователи из Иллинойсского технологического института и Аргоннской национальной лаборатории представили в статье для Science в 2023 году другой подход. Их твердотельная литий-воздушная архитектура использовала четырехэлектронную реакцию для образования оксида лития (Li₂O), а не традиционный путь с пероксидом лития. Аккумулятор выдержал не менее 1000 циклов заряда-разряда при комнатной температуре. Его теоретический потенциал удельной энергоемкости оценивался в 1200 Вт·ч/кг, что не является показателем достигнутой коммерческой емкости ячейки.

Эти результаты демонстрируют прогресс, выходящий за рамки теоретических расчетов, однако различия в химическом составе, условиях эксплуатации и методах измерения затрудняют прямое сравнение. Ни одно из достижений пока не является готовым к производству аккумулятором для пассажирских автомобилей.

Три инженерных препятствия для пассажирских авто

1. Управление воздухом увеличивает вес и сложность

Литий-воздушному аккумулятору необходим кислород, но при этом он должен быть защищен от влаги и углекислого газа. Эти загрязнители могут вызвать нежелательные реакции, которые разрушают литиевый анод, электролит и катод. Влага может вступать в реакцию с металлическим литием, а углекислый газ — образовывать карбонат лития (Li₂CO₃). Отложения внутри пористого катода могут ограничить транспорт кислорода и снизить полезную емкость.

Следовательно, автомобильная система потребует контролируемого воздухозабора, фильтрации и контроля влажности, возможно, вместе с дополнительным оборудованием для обработки газов. Эти компоненты увеличивают вес и объем, а также потребляют энергию. В исследовании 2025 года в Journal of Energy Storage предлагались механические системы обеспечения работы (balance-of-plant) для литий-воздушных автомобилей. Было подсчитано, что вспомогательное оборудование будет потреблять 5,4% энергии аккумулятора в предложенной конфигурации. Эта цифра специфична для конкретной конструкции, но она наглядно иллюстрирует дополнительную нагрузку на энергию при эксплуатации таких ячеек в автомобиле.

2. Проблемы перезарядки и эффективности

Пероксид лития необходимо удалять из катода во время зарядки. Обращение реакции разряда требует дополнительных затрат энергии и может приводить к образованию активных форм кислорода, которые атакуют электролит и другие компоненты ячейки.

Эти побочные реакции способствуют потере емкости и ограничению жизненного цикла. Литиевые металлические аноды также нестабильны при многократном осаждении и растворении лития. Высокая начальная плотность энергии, таким образом, не гарантирует надежной работы на протяжении сотен или тысяч циклов.

Низкая эффективность цикла заряда-разряда увеличивает количество энергии, необходимой для получения определенного объема полезного электричества. Часть потерь проявляется в виде тепла, что повышает требования к терморегулированию, а оборудование для обработки воздуха создает дополнительное паразитное потребление. Требования к охлаждению также необходимо учитывать наряду с весом, объемом и эффективностью автомобиля.

3. Энергоемкость не гарантирует работу автомобиля

Удельная энергия показывает, сколько энергии аккумулятор может хранить на единицу массы, в то время как объемная плотность энергии определяет количество энергии в заданном объеме. Мощность определяет, насколько быстро эта энергия может быть отдана.

Пассажирским автомобилям нужны все три параметра. Аккумулятор с исключительной удельной энергией, но низкой выходной мощностью или низкой объемной плотностью, не сможет автоматически подойти для платформы автомобиля. Он также должен обеспечивать достаточную мощность для ускорения, обгона и длительного движения, при этом вписываясь в доступный отсек для батареи.

Замена аккумулятора (battery swapping) не решит эти проблемы. Хотя замена позволяет перемещать блоки между автомобилями и зарядными станциями, она не может обратить химическое разложение, восстановить поврежденные электролиты или удалить необратимые отложения внутри деградировавших электродов.

Твердотельные исследования как часть развития литий-воздушных технологий

Литий-воздушные аккумуляторы не являются просто конкурентами твердотельных батарей. Исследователи также изучают возможность использования твердых электролитов в литий-воздушных архитектурах для защиты литиевого анода и стабилизации электрохимических реакций.

Исследования Аргоннской и Иллинойсской лабораторий демонстрируют один из таких подходов: использование композитного твердого электролита на основе наночастиц лития, внедренных в полимерную матрицу. Это не означает, что какая-то конкретная керамика, например, LLZO, является обязательным условием для литий-воздушных технологий. Литий-воздушные аккумуляторы и традиционные твердотельные литий-ионные аккумуляторы остаются фундаментально разными технологиями.

Приоритетами CATL в ближайшей перспективе остаются натрий-ионные и полностью твердотельные аккумуляторы. Литий-воздушным технологиям все еще требуется значительный прогресс в долговечности, выходной мощности, управлении воздухом, эффективности и комплексной упаковке систем, прежде чем можно будет говорить об их пригодности для пассажирских автомобилей.

Иногда в качестве потенциальных сфер применения аккумуляторов с высокой удельной энергией обсуждаются беспилотные летательные аппараты большой продолжительности полета. Эту возможность не следует путать с подтвержденной программой внедрения от CATL.

На данный момент заявления о 2000 км — это описание теоретической возможности, а не продемонстрированная CATL автомобильная характеристика. Превращение исключительного электрохимического потенциала литий-воздушных батарей в долговечный, перезаряжаемый и практичный автомобильный аккумулятор — гораздо более сложная задача.