Под капотами электромобилей идет яростная конкуренция. Развитие технологий аккумуляторов для обеспечения лучшего запаса хода и скорости зарядки, а также минимизация использования неустойчивых материалов создают раскаленное поле битвы между производителями аккумуляторов и автомобилей.
Расширение возможностей литий-ионных аккумуляторов
В настоящее время большинство электромобилей используют литий-ионные аккумуляторы, и, скорее всего, так будет еще несколько лет. И это несмотря на то, что они не обеспечивают передовой производительности и требуют использования редкоземельных металлов, таких как литий и кобальт. Они также склонны к некоторой деградации с течением времени.
Однако ученые из Университета Колорадо в Боулдере разработали новый подход к повышению долговечности и производительности литий-ионных аккумуляторов, что обещает значительные достижения в области электромобилей и решений по хранению энергии.
Используя мощный рентгеновский аппарат в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США в Иллинойсе, исследовательская группа раскрыла молекулярные механизмы, способствующие деградации аккумулятора с течением времени.
Исследование, проведенное профессором Майклом Тони из кафедры химической и биологической инженерии CU Boulder, показало, что молекулы водорода из электролита батареи препятствуют движению ионов лития к катоду, необходимому для поддержания электрического тока. Это нарушение приводит к снижению емкости батареи — явление, хорошо известное, но ранее не до конца изученное.
Благодаря детальному анализу команда обнаружила, что молекулы водорода занимают места на катоде, с которыми обычно связываются ионы лития, тем самым уменьшая количество ионов лития, способных вносить вклад в электрический ток. Рассматривая это открытие, исследователи предполагают, что нанесение специального покрытия на катод может значительно улучшить производительность батареи, потенциально увеличивая запас хода электромобилей до 60%.
Это достижение особенно важно для индустрии электромобилей, которая сталкивается с такими проблемами, как ограниченный запас хода, более высокие производственные затраты и более короткий срок службы современных аккумуляторных технологий. В настоящее время типичный полностью электрический автомобиль может проехать около 250 миль на одной зарядке, что составляет около 60% от запаса хода автомобилей с бензиновым двигателем.
Учитывая, что на транспортный сектор приходится 28% выбросов парниковых газов, расширение диапазона электромобилей и снижение их стоимости являются неотложными потребностями. Многие автопроизводители взяли на себя обязательство постепенно отказаться от бензиновых автомобилей и увеличить производство электромобилей в ответ на проблемы изменения климата.
Дополнительным направлением исследования CU Boulder является снижение содержания кобальта в литий-ионных аккумуляторах. Кобальт, редкий и дорогой минерал, является центральным элементом современных конструкций аккумуляторов, но представляет значительные этические и экологические проблемы. Большая часть кобальта в мире добывается в Демократической Республике Конго, где добыча связана с серьезными нарушениями прав человека, включая детский труд.
Ученые изучали такие заменители, как никель и магний для кобальта. Однако эти альтернативы показали еще более высокие показатели саморазряда, что еще больше усложнило усилия по поиску устойчивого решения.
«Мы помогаем совершенствовать литий-ионные аккумуляторы, выясняя процессы на молекулярном уровне, участвующие в их деградации», — заявил профессор Тони. «Наличие лучшего аккумулятора очень важно для перехода нашей энергетической инфраструктуры от ископаемого топлива к более возобновляемым источникам энергии».
Исследователи из Стэнфордского университета также были заняты изучением того, как улучшить литий-ионные аккумуляторы. Команда из SLAC-Stanford Battery Center провела совместное исследование с Toyota Research Institute, Массачусетским технологическим институтом (MIT) и Вашингтонским университетом, чтобы адаптировать способ производства литий-ионных аккумуляторов для продления их общего срока службы.
Традиционно процесс производства литий-ионных аккумуляторов включает 10-часовую начальную зарядку при низком токе. Этот шаг считается необходимым для смягчения ранней потери лития, что, как полагают, продлевает общий срок службы аккумулятора. Однако эта практика является особенно трудоемкой и дорогостоящей, что побуждает исследователей сомневаться в ее эффективности и искать альтернативы.
Команда под руководством Стэнфорда провела эксперимент по зарядке аккумуляторов при высоком токе всего в течение 20 минут. Этот метод действительно привел к значительной первоначальной потере лития. Однако, как ни удивительно, он дал замечательное увеличение среднего срока службы аккумуляторов электромобилей на 50%.
Аккумуляторы из углеродного волокна?
Исследователи из Университета Чалмерса в Швеции добились значительных успехов в разработке структурных батарей из углеродного волокна, которые сочетают в себе свойства хранения энергии и выдерживания нагрузки. Это нововведение может произвести революцию в электромобилях за счет интеграции батарей в их конструкции, снижения веса и повышения энергоэффективности.
Последняя версия батареи имеет плотность энергии 30 Вт·ч/кг и жесткость, сравнимую с алюминием, хотя все еще ниже, чем у традиционных литий-ионных батарей. Однако снижение веса компенсирует это, потенциально увеличивая запас хода электромобиля до 70%.
Благодаря внедрению накопителя энергии в конструкцию транспортного средства, потребность в тяжелых компонентах, таких как токосъемники и конфликтные металлы, такие как кобальт и марганец, сводится к минимуму. Этот материал двойного назначения значительно повышает эффективность, безопасность и устойчивость. Эта технология является самой передовой в этой области на сегодняшний день, основываясь на исследованиях, начатых в 2018 году, когда впервые было показано, что углеродное волокно работает в качестве электродов в литий-ионных аккумуляторах.
Структурные батареи предлагают захватывающее будущее для электромобилей, дронов и других устройств, позволяя создавать более легкие и эффективные конструкции, которые поддерживают переход к более чистым энергетическим технологиям. По мере развития эти батареи могут сыграть решающую роль в продвижении устойчивого транспорта.
Твердотельные батареи
Твердотельные батареи — это технология следующего поколения, которая должна произвести революцию в электромобилях. В отличие от традиционных литий-ионных батарей, в которых для передачи заряда между анодом и катодом используются жидкие электролиты, твердотельные батареи используют твердый электролит. Такая конструкция обеспечивает ряд преимуществ, включая более высокую плотность энергии, повышенную безопасность и более быстрое время зарядки.
Одним из ключевых преимуществ твердотельных аккумуляторов является их потенциал для большего диапазона. Благодаря более высокой плотности энергии эти аккумуляторы могут хранить больше энергии в том же пространстве, позволяя электромобилям проезжать большее расстояние на одной зарядке. В то время как традиционные литий-ионные аккумуляторы обычно обеспечивают диапазон от 320 до 480 километров, твердотельные аккумуляторы могут увеличить диапазон до 800 километров и более, в зависимости от достижений в технологии.
Еще одним преимуществом является безопасность. Литий-ионные батареи представляют опасность перегрева и возгорания из-за жидких электролитов, которые легко воспламеняются. Твердотельные батареи, напротив, менее подвержены этим рискам, поскольку твердый электролит не воспламеняется, что повышает общую безопасность и долговечность.
Несколько компаний лидируют в разработке твердотельных аккумуляторов, некоторые из них нацелены на их коммерциализацию к концу десятилетия. Toyota вложила значительные средства в технологию и планирует запустить электромобили с твердотельным питанием к 2027 году. QuantumScape, стартап из США, является еще одним ключевым игроком, добившимся успехов в создании жизнеспособных твердотельных аккумуляторов с длительным сроком службы. Volkswagen и BMW также вкладывают значительные средства в эту технологию, сотрудничая со стартапами и академическими учреждениями для ускорения исследований и разработок.
Лидеры рынка производства аккумуляторов — CATL и BYD, также работают над разработкой твердотельных аккумуляторов. Однако обе компании по-прежнему больше сосредоточены на литий-ионных и литий-железо-фосфатных технологиях в ближайшей перспективе, пока твердотельные технологии не станут более зрелыми.
Время зарядки
Еще одной областью конкуренции аккумуляторов является сверхбыстрая зарядка.
StoreDot — лидер в разработке технологии сверхбыстрой зарядки (XFC) кремниевых аккумуляторов для электромобилей. Недавно компания преуспела в создании призматической ячейки аккумулятора, способной заряжаться от 10% до 80% всего за 10 минут.
Инженерное мастерство StoreDot позволило этим ячейкам XFC обеспечить зарядку на расстояние в 100 миль всего за пять минут, а в будущем планируется сократить это время до четырех минут к 2026 году. Уникальным является то, что эти батареи не подвержены ускоренной деградации — распространенной проблеме, обычно связанной с быстрой зарядкой.
Ячейки XFC от StoreDot обещают сочетание высокой плотности энергии, что критически важно для высокопроизводительных аккумуляторов электромобилей, и высокой надежности без увеличения стоимости. Это технологическое достижение призвано сделать электромобили более доступными для производителей и, как следствие, для потребителей.
Кроме того, StoreDot заключила партнерские соглашения с 15 производителями оригинального оборудования (OEM) для проведения масштабных испытаний и интеграции своих призматических аккумуляторных ячеек XFC в существующую архитектуру электромобилей, что может кардинально изменить ситуацию на рынке.
Недавно представленная технология аккумуляторов сыграет решающую роль в снижении «страха перед зарядкой» среди потенциальных покупателей электромобилей. Недавние опросы в Великобритании и Германии показывают, что более половины респондентов не решаются перейти на электромобили, в первую очередь из-за опасений по поводу времени зарядки. И это несмотря на значительные инвестиции стран в расширение инфраструктуры зарядки для удовлетворения растущего спроса.
Это лишь некоторые примеры инноваций, происходящих в секторе аккумуляторов. Учитывая, что производителям необходимо ускорить выпуск электромобилей в течение оставшейся части этого десятилетия, все, что может склонить водителей к переходу, несомненно, будет иметь очень высокий приоритет. Диапазон и скорость зарядки имеют решающее значение для достижения этого.
