Последние достижения в войне аккумуляторов
В условиях, когда глобальная электрификация идет полным ходом, электромобили постоянно улучшаются с точки зрения пробега, производительности, времени зарядки — и стоимости. И закон Райта на сегодняшний день доказал свою правоту. Согласно закону Райта, он же эффект кривой обучения, стоимость литий-ионных (Li-ion) аккумуляторных элементов снижается на 28% при каждом суммарном удвоении количества произведенных единиц. Аккумуляторная батарея — самая дорогая часть электромобиля, и цены на электромобили падают вместе со снижением стоимости батарей. Ожидается, что к 2023 году стоимость литий-ионных батарей упадет до 100 долларов за кВт/ч — достаточно низкая цена, чтобы электромобили достигли ценового паритета со своими собратьями, работающими на газе.
Тем не менее, литий-ионные батареи имеют ряд очевидных недостатков. Емкость и способность обеспечивать пиковый заряд ухудшаются со временем; они выделяют много тепла и требуют встроенных в их конструкцию тяжелых систем охлаждения; батареи могут взорваться или загореться при аварии благодаря содержащейся в них легковоспламеняющейся жидкости.
На протяжении многих лет ученые возвращались к чертежной доске и перепроектировали оригинальную литий-ионную батарею, чтобы преодолеть некоторые из этих недостатков.
От накопителей энергии на основе графена и литий-ионных батарей с водой до более дешевых батарей на основе натрия и твердотельных батарей — вот последние достижения в области аккумуляторных технологий.
#1. Невоспламеняющиеся аккумуляторы на основе графена
Ультратонкие, невероятно прочные, сверхпроводящие, дешевые — и невоспламеняющиеся. Таковы некоторые характеристики графена, удивительного наноматериала, который должен был навсегда изменить лицо материаловедения, каким мы его знаем. Однако, за исключением нескольких новых применений, обещания графена в основном остались лишь шумихой спустя 16 лет после того, как два профессора Манчестерского университета впервые нашли способ извлечь его из графита.
Но это не помешало ученым с горящими глазами рассказывать о графеновой супербатарее, которая может заряжаться быстрее, хранить гораздо больше энергии и стоить в разы меньше обычных литиевых батарей.
И вот, наконец, одна малоизвестная компания превратила эту мечту в реальность.
Компания Nanotech Energy из Лос-Анджелеса объявила о начале приема предварительных заказов на свои высокоэффективные литий-ионные аккумуляторы на основе графена, невоспламеняющиеся, которые обещают обеспечить более безопасное и мощное хранение энергии, чем традиционные литий-ионные аккумуляторы.
Новые батареи Nanotech работают на основе графеновых электродов и запатентованного негорючего электролита Organolyte™ и могут быть полностью адаптированы под любой форм-фактор или контейнер, что избавляет OEM-производителей от необходимости перепроектировать существующие продукты или создавать новые. Эти негорючие аккумуляторные блоки могут использоваться для питания электромобилей, велосипедов, бытовой электроники, военного оборудования и других электрифицированных устройств.
«Аккумуляторные батареи еще не раскрыли свой потенциал — до сих пор. В отличие от традиционных аккумуляторных батарей, представляющих серьезную пожарную опасность, негорючие литий-ионные батареи Nanotech Energy по своей сути безопасны и экологичны, что, по нашему мнению, вдохновит большее количество отраслей промышленности перейти с газа на электричество. В конечном счете, наши батареи обеспечат более быстрое внедрение, значительно сократив время и совокупные затраты, которые OEM-производители в настоящее время несут в связи с тестированием и интеграцией новой технологии батарей», — заявил в пресс-релизе д-р Джек Кавано, председатель совета директоров, генеральный директор и соучредитель Nanotech Energy.
Компания Nanotech Energy недавно была удостоена награды CES 2022 Innovation Award за свои негорючие графеново-органолитовые батареи.
#2. Литий-ионный аккумулятор с водой
Риск пожаров или взрывов из-за производственных дефектов, повреждений или теплового истощения является «ахиллесовой пятой» литий-ионных батарей. В последние годы несколько автопроизводителей, включая General Motors, Audi и Hyundai, отзывали электромобили из-за риска возгорания и предупреждали о связанных с этим опасностях.
К счастью, исследователи разработали прототип литий-ионной батареи, в которой в качестве электролитического раствора используется вода, заменившая легковоспламеняющийся органический растворитель.
В статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, группа ученых разработала прототип, который обеспечивает «более высокую ионную проводимость, экологическую безвредность и высокую безопасность».
Основной недостаток батареи: более низкий уровень производительности и возможность использования только в условиях пониженного напряжения.
Газета Asahi Shimbun поделилась более подробной информацией о новой водной батарее:
[Ученые] обнаружили, что использование оксида молибдена для отрицательного электрода позволяет достичь уровня производительности, необходимого для практического использования. Даже после того, как батарея была перезаряжена 2 000 раз, ее емкость снизилась менее чем на 30%.
Поскольку вода разрушается при подаче высокого напряжения, прототип батареи может использоваться только в условиях пониженного напряжения по сравнению с батареями на основе органического растворителя.
Его плотность энергии веса — показатель эффективности батареи — примерно в два раза ниже, чем у обычного продукта, что означает, что для производства батареи с такой же емкостью необходим больший размер корпуса.
Более низкая плотность энергии веса водяной батареи означает, что она не может быть легко применима для электромобилей с большим радиусом действия, но может быть полезна для электромобилей с малым радиусом действия, а также для хранения энергии солнца и ветра.
#3. Более дешевые натриевые батареи
Исследователи из Техасского университета в Остине разработали новый материал для аккумуляторов на основе натрия, который отличается высокой стабильностью и способен заряжаться так же быстро, как традиционные литий-ионные аккумуляторы.
Уже около десяти лет ученые и инженеры пытаются разработать натриевые батареи, которые заменят литий и кобальт, используемые в современных литий-ионных батареях, на более дешевый и экологически чистый натрий. К сожалению, ранние версии натриевых батарей страдали от игольчатых нитей, называемых дендритами, которые вырастали на аноде и вызывали электрическое замыкание батареи и даже возгорание или взрыв.
Однако новейшая натриевая батарея, разработанная Техасским университетом в Остине, решает проблему дендритов и заряжается так же быстро, как литий-ионная батарея.
«По сути, мы решаем сразу две проблемы. Как правило, чем быстрее вы заряжаете аккумулятор, тем больше дендритов вырастает. Поэтому, если вы подавляете рост дендритов, вы можете заряжать и разряжать быстрее, потому что внезапно это безопасно», — сказал Дэвид Митлин, профессор кафедры машиностроения и лаборатории прикладных исследований Школы инженеров Кокрелла Уокера.
#4. GM приблизился к твердотельным батареям после сделки с POSCO
В течение последнего десятилетия производители электромобилей преподносили твердотельные батареи как следующий прорыв в технологии EV, часто цитируя безумную производительность и дальность хода. В твердотельных батареях используется твердый электролит, который может быть в виде керамики, стекла, сульфитов или твердых полимеров, в отличие от жидкого или полимерного геля, используемого в обычных литий-ионных батареях.
Твердотельные батареи обещают примерно в 2-10 раз большую плотность энергии, чем литий-ионные батареи того же размера, в основном благодаря тому, что твердый электролит имеет меньшую площадь. Это означает более мощные батареи без дополнительного места или более компактные аккумуляторные блоки без ущерба для мощности, более дальнобойные электромобили и более легкие EV. Также ожидается, что они будут заряжаться быстрее.
Еще в сентябре крупнейший в мире автопроизводитель Toyota Corp. повысил ставки, объявив о своем намерении инвестировать более 13,5 миллиардов долларов до 2030 года в разработку батарей следующего поколения, включая твердотельные батареи.
Японский автопроизводитель утверждает, что его цель — снизить стоимость батарей на 30% и более за счет работы над материалами, используемыми в производстве батарей, а также за счет улучшения энергопотребления.
А теперь еще один гигант ICE делает ставку на твердотельные технологии.
На прошлой неделе появился самый явный признак того, что у General Motors есть в рукаве полупроводниковая батарея для EV, после того как компания заключила соглашение с корейской фирмой POSCO Chemical о строительстве нового завода по производству батарей в США. Новый завод будет производить материалы для столь желанной платформы хранения энергии Ultium компании GM. Хотя Ultium energy не является твердотельным аккумулятором, новое партнерство указывает на то, что GM приближается к твердотельному аккумулятору.
Прошлой весной GM объявила о заключении совместного соглашения с литий-металлической компанией SES (ранее Solid Energy Systems), что ознаменовало серию литий-металлических партнерств, заключенных компанией в последние годы.
GM имеет около 100 собственных патентов (49 выданных и 45 находящихся на рассмотрении) в области литий-металлических технологий, и она была одним из первых инвесторов SES.