Структурные батареи: как кузов автомобиля станет источником энергии

От теории к практике: революция в проектировании аккумуляторов

9 декабря 2025 года Popular Mechanics и научное сообщество внимания получили одно из самых значимых достижений в истории накопления энергии. Исследователи из Chalmers University of Technology и KTH Royal Institute of Technology в Швеции опубликовали результаты многолетней работы над структурными батареями — новым классом материалов, которые одновременно хранят электрическую энергию и несут механические нагрузки, как обычный конструкционный материал.

Прорыв заключается в 10-кратном улучшении характеристик структурной батареи по сравнению с любым предыдущим экспериментом, начиная с 2007 года, когда впервые была сформулирована концепция "безмассового хранения энергии". Это достижение выводит технологию из лабораторных условий в область практического применения для массовых транспортных средств и сложных электромеханических систем.

Архитектура структурной батареи: инженерное решение для мультифункциональности

Конструкция батареи, разработанная шведскими учёными, основана на многослойной архитектуре, напоминающей биологический скелет. Система состоит из трёх основных компонентов: положительного электрода (катода), буферного слоя изолляции и отрицательного электрода (анода). Каждый компонент выполняет как энергетическую, так и механическую функцию.

Положительный электрод (катод): Углеродное волокно, покрытое литиевой железофосфатом (LiFePO₄). Волокна служат одновременно электрическим проводником и несущей конструкцией, передающей нагрузку в поперечном и продольном направлениях. Литиевая железофосфат гарантирует высокую безопасность и долговечность циклирования.

Буферный слой (сепаратор): Специальная стеклянная "ткань" (glass fabric) предотвращает короткое замыкание и управляет распределением энергии по структуре. Этот слой должен быть достаточно тонким, чтобы минимизировать вес, но достаточно прочным, чтобы выдерживать механические нагрузки.

Отрицательный электрод (анод): Чистые углеродные волокна в матрице полимерного электролита. Углеродные волокна не только хранят литиевые ионы, но и работают как армирование, повышая жёсткость и прочность всей конструкции. Всё собирается в полимерную матрицу, которая служит электролитом — средой для передачи ионов между электродами.

Мультифункциональность как инженерный парадигма

Главное отличие структурной батареи от традиционного литиевого аккумулятора заключается в концепции мультифункциональности. Обычная батарея EV — это массивный блок, изолированный от конструкции автомобиля, требующий собственного корпуса, системы охлаждения и крепежных элементов. Эта архитектура добавляет вес без увеличения прочности конструкции.

Структурная батарея переворачивает эту логику. Углеродный композит, из которого сделана батарея, одновременно:

• Хранит электрическую энергию (как обычная батарея)
• Передаёт механические нагрузки (как конструкционный материал)
• Служит армированием (улучшает жёсткость и устойчивость к вибрации)
• Распределяет тепло более эффективно, чем изолированные блоки
• Снижает общую массу системы благодаря исключению избыточной структуры

По образной фразе исследователя Richa Chaudhary, "батарея работает как человеческий скелет — выполняя одновременно несколько функций". Именно эта мультифункциональность позволяет достичь 10-кратного улучшения по сравнению с предыдущими поколениями структурных батарей.

Применение в электромобилях: расширение дальности и переработка веса

Первый и наиболее очевидный прогноз использования структурных батарей — электромобили. Батарея EV обычно составляет 25–30% от общего веса автомобиля. Если эту массу интегрировать в конструкцию кузова — используя крышу, боковые панели, днище и даже двери — можно достичь кумулятивного снижения веса на 30–40%.

Расчёты, основанные на текущей энергетической плотности структурной батареи (24 Wh/kg), показывают, что EV может увеличить дальность полёта на 70% при той же ёмкости, поскольку более лёгкий автомобиль требует меньше энергии для разгона, поддержания скорости и преодоления сопротивления воздуха. По прогнозам Chalmers, внедрение углеродных волокон в электроды (предложенное как следующий этап) поднимет энергетическую плотность до 75 Wh/kg, что приблизит структурную батарею к характеристикам современных литий-ионных ячеек, сохраняя при этом преимущество в весе и мультифункциональности.

航空 и летательные аппараты: критическое применение для электрификации авиации

Вторая область, где структурные батареи могут изменить индустрию — электрическая авиация. Традиционная батарея EV или eVTOL добавляет паразитный вес без внесения вклада в несущую конструкцию. Это особенно критично для вертикальных летательных аппаратов (eVTOL, дроны, малые самолёты), где каждый грамм веса напрямую влияет на дальность полёта, грузоподъёмность и эксплуатационную экономику.

Если углеродный корпус eVTOL — фюзеляж, крылья, стабилизаторы — становится структурной батареей, можно одновременно:

• Снизить массу конструкции на 40–50% (в сравнении с отдельной батареей)
• Увеличить максимальную дальность полёта на 100–200% без увеличения ёмкости
• Расширить полезную нагрузку (пассажиры, груз) или добавить дополнительные системы
• Интегрировать солнечные панели в обшивку для рекуперативной зарядки в полёте

Такая интеграция превратит летательный аппарат в по сути энергетическую систему с собственной структурой, что является парадигмой, революционизирующей дизайн авиационной техники.

Портативная электроника: трансформация устройств потребления

Третий вектор применения — потребительская электроника. Современные смартфоны, ноутбуки и планшеты содержат батареи, которые занимают 30–40% внутреннего объёма и добавляют значительный вес. Структурные батареи могут позволить:

• Смартфоны толщиной кредитной карты — интеграция батареи в корпус (металлический или стеклянный) с сохранением жёсткости и производительности
• Ноутбуки вдвое легче — замена нижней части корпуса на структурную батарею
• Планшеты с увеличенной дальностью — распределение батареи по корпусу позволяет использовать больше энергии без увеличения толщины

Хотя энергетическая плотность структурной батареи (24 Wh/kg) пока ниже коммерческих литий-ионных ячеек (~250 Wh/kg для цилиндрических, ~200 Wh/kg для призматических), портативные устройства менее требовательны к энергии, чем транспортные средства, и выигрыш в весе и дизайне часто стоит компромисса в ёмкости.

Технологический путь: от 2025 к 2030

Текущий этап (2025): Структурная батарея достигла 24 Wh/kg и 25 GPa с алюминиевыми электродами. Исследователи демонстрируют функциональность в лабораторных условиях и начинают проверку масштабируемости. Ключевые вызовы: стандартизация производства, надёжность при повторном цикловании, и интеграция с электромеханическими системами.

Этап 2026–2027: Внедрение углеродных волокон в качестве электродных материалов должно поднять энергетическую плотность до 75 Wh/kg и жёсткость до 75 GPa. Параллельно начнутся пилотные программы в сотрудничестве с автопроизводителями и авиакосмическими компаниями для демонстрации в реальных условиях (интеграция в крыши, панели кузовов, хвостовые стабилизаторы).

Этап 2028–2030: Переход к полусеройному производству. Первые коммерческие приложения появятся в премиум EV-сегменте (где снижение веса оправдывает высокую стоимость технологии), в специализированных eVTOL и летательных аппаратах, и в высокопроизводительной портативной электронике (игровые ноутбуки, профессиональные планшеты). По прогнозам, к 2030 году структурные батареи смогут конкурировать по стоимости с традиционными решениями благодаря снижению производственной сложности и масштабам.

Конкурентные преимущества и различие от твёрдотельных батарей

Важно отличать структурные батареи от твёрдотельных батарей (которые также разрабатываются компаниями типа QuantumScape, BMW+Solid Power, Mercedes+Factorial). Твёрдотельные батареи сосредоточены на повышении энергетической плотности (до 400–500 Wh/kg) и безопасности за счёт замены жидкого электролита на твёрдый керамический или полимерный материал. Они остаются отдельными, компактными блоками, требующими своего корпуса и системы охлаждения.

Структурные батареи, напротив, являются конструкционным материалом с мультифункциональностью. Они имеют более низкую энергетическую плотность, но компенсируют это распределённым расположением, исключением избыточного веса и повышением общей эффективности системы. Идеально, эти две технологии могут сосуществовать: твёрдотельные батареи для максимальной плотности энергии в критических участках (силовая передача, пиковая мощность), и структурные батареи для основной энергии, распределённой по конструкции.

Препятствия и вызовы внедрения

Несмотря на научный прорыв, структурные батареи сталкиваются с рядом инженерных и экономических преград перед широким внедрением:

Производственная сложность: Текущие методы производства (слоение, полимеризация в печи) требуют точного контроля влаги, температуры и давления. Масштабирование от лабораторного прототипа (несколько сантиметров) к компонентам (метры) требует совершенно новых производственных систем.

Ремонт и переработка: Если структурная батарея повреждена, замена целого компонента (крыша, панель кузова) обходится дороже, чем замена отдельного батарейного блока. Требуются новые стандарты ремонта и специализированное оборудование. Переработка также сложна: углеродный композит требует демонтажа перед утилизацией или переработкой батареи.

Регуляторная неопределённость: Нормативная база для допуска структурных батарей в коммерческие автомобили и воздушные суда ещё не установлена. Требуются новые стандарты тестирования безопасности, долговечности и электромагнитной совместимости.

Высокая стоимость внедрения: Начальные инвестиции в разработку, сертификацию и переналадку производственных линий потребуют десятков или сотен миллионов долларов, что оправдано только для крупных автопроизводителей и аэрокосмических компаний.

Узнать больше

Практические идеи для индустрии и инвесторов

Структурные батареи находятся на пороге перехода от исследовательского интереса к коммерческому развитию. Для автопроизводителей стратегия включает раннее партнёрство с исследовательскими учреждениями для оценки применения в своих платформах. Для авиакосмических компаний структурные батареи — потенциально трансформирующая технология, которая может ускорить электрификацию лёгких летательных аппаратов и городской воздушной мобильности (eVTOL, дроны, междугородние самолёты). Инвесторы должны мониторить разработку в области производственных процессов и сертификации, так как успех, скорее всего, придёт от компаний, которые смогут одновременно решить научные, инженерные и регуляторные вызовы.

Источники информации