Будущее аккумуляторных технологий

Ни для кого не секрет, что мы переживаем стремительную трансформацию транспортной и автомобильной отраслей. Электрификация распространяется практически во всех секторах, включая легковые автомобили, коммерческий транспорт, общественный транспорт и даже мотоциклы. Федеральная политика ускоряют этот рост: миллиарды долларов направляются на производство аккумуляторов внутри стран и стимулирование потребителей к переходу на электромобили. Кроме того, в ЕС и ряде штатов США уже с 2035 года введен запрет на использование бензиновых автомобилей. В основе этого перехода лежат технологические достижения, улучшающие производство батарей, их характеристики и стоимость.

Электрификация требует участия многих групп, включая автопроизводителей, производителей аккумуляторов, зарядные компании и операторов электросетей. По мере того как переход на новые технологии набирает обороты, постоянное совершенствование аккумуляторов необходимо для того, чтобы:

• снизить стоимость
• увеличить запас хода и безопасность, а также
• снизить воздействие на окружающую среду.

Большинство современных EV работают на литий-ионных батареях - технологии, которая уже несколько десятилетий используется в потребительских устройствах, таких как ноутбуки и смартфоны. Совершенствование химического состава аккумуляторов и систем управления ими позволило создать автомобили, способные проехать более 300 миль, заряжающиеся за 30 минут и стоящие лишь немного дороже бензинового варианта.

Однако возможности для совершенствования еще есть.

Каковы основные препятствия на пути развития современных аккумуляторных технологий?

Существуют три основных фактора, которые призваны усовершенствовать аккумуляторные технологии:

• Увеличение емкости - чем больше энергии вмещает батарея, тем больше запас хода, тем реже ее нужно подзаряжать, и теоретически - тем меньше беспокойство по поводу запаса хода для беспокоящихся клиентов. Однако при нынешней технологии увеличение емкости означает увеличение массы автомобиля. Святой Грааль заключается в том, чтобы иметь возможность увеличить емкость без добавления дополнительных тяжелых элементов батареи.
• Увеличение скорости зарядки - если у вас маленькая батарея, а подзарядка занимает не больше времени, чем заправка бензобака, то, возможно, емкость батареи не имеет такого уж большого значения! Именно так думают команды, работающие над повышением скорости зарядки. Проблема ускоренной зарядки сегодня заключается в том, что она зависит от высокого напряжения и силы тока, которые со временем могут повредить текущие элементы батареи. Кроме того, сверхбыстрые зарядные устройства требуют большого количества электрической инфраструктуры для обеспечения мощной зарядки.
• Снижение стоимости - даже если электромобиль имеет ограниченную емкость батареи и требует 20-30 минут для подзарядки, если он достаточно дешев, люди будут его покупать. Снижение стоимости аккумуляторных технологий позволяет устранить ограничения на поставки ключевых минералов, а также экологические и социально-экономические издержки, связанные с их добычей.

К числу ключевых инноваций для следующей итерации батарей относятся катоды и аноды нового поколения, натриево-ионная технология и твердотельные батареи. В следующих разделах мы рассмотрим текущее состояние каждой из этих технологий, в частности, речь пойдет о совершенствовании современных аккумуляторных технологий с точки зрения срока службы, скорости зарядки и безопасности.

Твердотельные аккумуляторы

Традиционная литий-ионная батарея состоит из катода, анода, сепаратора и электролита.

В современных литий-ионных батареях используется жидкий электролит, в котором происходит перенос заряда, способствующий возникновению тока, приводящего автомобиль в движение. В твердотельных батареях жидкий раствор заменяется керамикой или другими твердыми материалами.

Почему мы отдаем предпочтение твердому, а не жидкому? Если вспомнить термодинамику, то можно вспомнить, что жидкости расширяются и сжимаются сильнее, чем твердые тела. Поэтому электролит на жидкой основе, который разбухает и сжимается в процессе эксплуатации батареи, имеет более высокий риск повреждения или утечки. Кроме того, замена жидкого органического сепаратора на невоспламеняющийся и негорючий твердотельный значительно снижает риск возгорания.

В то время как безопасность является важным фактором для производителей и правительств, рядового потребителя, скорее всего, волнуют функциональные возможности автомобиля: запас хода и скорость зарядки.

Увеличение емкости аккумулятора

Теоретически наибольшего увеличения дальности пробега можно добиться за счет увеличения количества батарей или увеличения их размера, что требует больших затрат и дополнительного пространства и веса. Следующим оптимальным вариантом является увеличение энергетической плотности батареи, т.е. количества энергии, которое батарея может накопить на единицу площади. Плотность энергии зависит от химического состава батареи.

Например, плотность энергии свинцово-кислотных аккумуляторов предыдущего поколения, впервые примененных компанией Toyota, составляет 30-50 Вт-ч/кг. Литий-ионные батареи, напротив, могут иметь плотность энергии 150-200 Вт-ч/кг, что позволяет им переносить больше энергии на меньшей площади и, следовательно, более полезно для портативных приложений. Недавние исследования показывают, что твердотельные батареи могут иметь плотность энергии в 2-2,5 раза выше, чем современные литий-ионные технологии.

Увеличение скорости заряда

Максимальная скорость зарядки за последние годы значительно увеличилась: от 50 кВт в Chevrolet Bolt до 300+ кВт в таких автомобилях, как Kia EV6. Хотя эта технология еще достаточно молода, представляется возможным, что в будущем твердотельные батареи смогут обеспечить скорость зарядки в шесть раз выше, чем современные батареи. Это может означать зарядку с 10% до 80% за 5 минут!

Твердотельные аккумуляторы: Как обстоят дела

Несмотря на перспективность таких батарей, твердые электролиты все еще находятся на ранних стадиях разработки. Вот некоторые из специфических проблем, связанных с этой технологией:

• Компоненты могут сжиматься и разбухать во время заряда и транспортировки, что может привести к изменению характеристик и здоровья системы из-за расслоения на границах раздела.
• Твердые электролиты изготавливаются из хрупких материалов, которые могут разрушиться под давлением. Как это отражается, например, на автомобильных авариях?
• Увеличение плотности энергии может означать повышение давления в батарее. Потребуются ли твердотельным батареям аноды нового поколения, чтобы выдержать повышенное давление?
• По сравнению со стандартными литий-ионными батареями их стоимость все еще относительно высока.

Исследователи по всему миру, например, в Ок-Риджской национальной лаборатории Министерства энергетики США, работают над тем, чтобы лучше понять механические свойства, влияющие на работу аккумуляторов. Известно, что механические воздействия, такие как напряжение и деформация под действием давления и тепла, влияют на работу батареи, однако конкретное влияние на эффективность и долговечность батареи до конца не изучено. Однако ситуация кажется многообещающей: несколько лет назад Технологический институт Samsung Advanced Institute of Technology опубликовал данные, согласно которым твердотельный аккумулятор можно разряжать более 1000 раз, что означает потенциально более высокую производительность, срок службы и безопасность - и все это в более компактном корпусе.

В области испытаний и производства твердотельных батарей такие компании, как QuantumScape и Solid Power, находятся на переднем крае. Обе компании ожидают, что опытные образцы батарей будут поставлены таким производителям, как VW, Ford и BMW, в 2024 или 2025 году. В реальности это означает, что сроки появления массовых твердотельных батарей будут гораздо ближе к 2027-2028 годам. Аналогичным образом, компания Toyota недавно объявила об усовершенствовании твердотельных литий-ионных аккумуляторов, заявив о более высокой устойчивости к высоким напряжениям и температурам, что означает возможность быстрой зарядки и разрядки элементов. Недостатком батарей Toyota является заметно меньший срок службы. Toyota ожидает, что твердотельные батареи будут готовы к коммерческому использованию в электромобилях нового поколения к 2027-2028 годам, хотя первоначально планируется внедрить эту технологию в гибридных автомобилях.

Аноды нового поколения

Типичная батарея состоит из двух узлов, формально называемых электродами, которые разделены веществом, позволяющим ионам перемещаться между ними. Как и другие компоненты батареи, выбор конкретного материала анода влияет на безопасность, скорость зарядки, емкость и срок службы. Анод, или отрицательно заряженный электрод, часто изготавливается из графита, а точнее, из синтетического графита, представляющего собой графитированный углерод, полученный в результате воздействия очень высоких температур.

Как и другие ключевые элементы аккумуляторов, графит поставляется по жесткой цепочке. Хотя производство синтетического графита может быть дешевле, чем природного, оно зависит от использования ископаемого топлива и большого количества энергии, что часто приводит к значительным выбросам парниковых газов. Производители и экологические группы хотели бы уменьшить "углеродный след" анода и одновременно повысить плотность энергии. Исследования кремниевых анодов находятся в авангарде этих исследований.

Компания GM сообщила об использовании кремния в электрохимических ячейках почти за десять лет до первого применения графитового анода. Однако кремний был быстро вытеснен графитом, который практически сразу же был поставлен на коммерческую основу в начале 1990-х годов. Почему? К сожалению, кремний обладает двумя свойствами, которые затрудняют его масштабное использование. Во-первых, он склонен увеличивать свой объем в процессе сплавления, что делает его непригодным для работы в условиях непрерывных электрохимических реакций. Кроме того, аноды из чистого кремния обладают высокой реакционной способностью по отношению к другим химическим веществам, а это означает, что они будут вступать во множество вторичных реакций с другими химическими веществами в аккумуляторе. Одним словом, эти свойства препятствуют его использованию на коммерческом уровне.

Исследования, проведенные в середине 1990-х годов, примерно в то время, когда графитовые аноды получили широкое распространение, показали, что наноразмерный кремний, интегрированный в углеродные структуры, может стать решением проблемы устранения недостатков кремния. Но только в начале 2000-х годов эта новая отрасль структурной инженерии получила реальное развитие: появилось несколько стартапов, ставящих своей целью коммерциализацию кремниевых анодов.

Одна из таких компаний, Sila Nanotechnologies Inc., заявила, что использование "очищенных кремниевых материалов, известных как нанокомпозитный кремний, позволяет снизить массу элементов, увеличить дальность действия батареи и сократить время зарядки". Это означает, что нанокремниевые элементы питания могут достичь некоторых из трех основных целей разработки. Малый вес элементов означает, что для движения автомобиля требуется меньше энергии. Увеличение дальности действия батареи и скорости зарядки решают потребительские проблемы. А создание анодов на основе кремния может снять некоторые опасения промышленности по поводу экологических и углеродных затрат на производство батарей.

В середине 2022 г. компания Mercedes объявила о сотрудничестве с компанией Sila с целью внедрения анодов на основе кремния к середине десятилетия. Аналогичным образом, компания GM недавно заключила партнерство с OneD Battery Sciences с целью внедрения кремниевых анодов в аккумуляторные элементы Ultium, которые используются в недавно выпущенных автомобилях Chevrolet Blazer EV и Equinox EV.

Натриевые батареи

Литий - это богатый материал, но его трудно добывать для использования в батареях. Кроме того, в последнее время в заголовках газет подчеркивается экологическое и социально-экономическое воздействие добычи лития. Натрий - химически схожий элемент, который также достаточно распространен, но значительно дешевле и связан с меньшим количеством экологических проблем.

В связи с этим многие компании заинтересованы в производстве натриевых батарей для снижения затрат и уменьшения углеродного следа.

Несмотря на химическое сходство натрия с литием, натриево-ионные батареи имеют значительно меньшую плотность энергии, чем литиево-ионные, что является серьезным недостатком для их широкого внедрения, особенно в пассажирском транспорте. Однако существенным плюсом натриевых батарей является то, что они менее чувствительны к низким температурам, чем их литий-ионные собратья. Кроме того, первые исследования показывают, что натрий-ионные батареи могут быть более устойчивы к деградации при заряде/разряде, что повышает срок их службы.

Маловероятно, что натрий-ионные батареи заменят литий-ионные, однако велика вероятность их использования в некоторых областях, где высокая плотность энергии не требуется (например, для хранения энергии в электросети). Как минимум, производство натрий-ионных батарей или интеграция натрий-ионных элементов в преимущественно литиевые батареи может помочь снизить нагрузку, связанную с получением некоторых видов сырья и рисками в цепочке поставок, которые присущи чисто литий-ионным батареям.

С этой целью две китайские компании, CATL и BYD, планируют выпускать аккумуляторные батареи, в которых будут смешаны натриево-ионные и литиево-ионные элементы. Объясняется это тем, что натриевые элементы помогают работать при низких температурах, а литиевые - при стандартных. Фактически, большинство заводов по производству натриевых батарей находятся в Китае, и эксперты ожидают, что в течение двух лет в Китае будет сосредоточено ~95% мировых мощностей по производству натриевых батарей.

Помимо снижения плотности энергии натриево-ионных аккумуляторов, стоит обратить внимание на ряд других недостатков.

Натриево-ионные батареи часто содержат токсичные материалы, такие как ванадий.

Учитывая их низкую стоимость, переработка натриевых батарей может оказаться нерентабельной. Это затруднит обеспечение экологически безопасной переработки отслуживших свой срок батарей.

Взаимодействие ионов натрия со специфическими материалами требует использования нестандартных катодов, однако на сегодняшний день мало что известно о последствиях таких химических реакций.

Некоторые проблемы, связанные с использованием чисто натриевых батарей, могут быть решены с помощью анодов и катодов нового поколения, смешения литий-ионных и натрий-ионных элементов, а также перехода к твердотельной архитектуре батарей. На данный момент вопрос об эффективности и безопасности натрий-ионных батарей еще не решен, и многие лаборатории и промышленные лидеры работают над его решением. Учитывая, что пока неясно, смогут ли эти батареи удовлетворить потребности EV в транспортном секторе, некоторые компании, например американская Natron, начинают с менее требовательных приложений, таких как хранение энергии и малый транспорт (например, электронные велосипеды, скутеры).

Другие технологии

Несмотря на множество новых технологий, литий-ионные батареи по-прежнему являются наиболее распространенными для электромобилей и вряд ли будут заменены в ближайшем будущем. Поэтому многие группы по-прежнему заинтересованы в совершенствовании литиевых батарей путем улучшения базовой технологии. Одним из таких усовершенствований может быть изменение химического состава катода.

В настоящее время катоды состоят из слоистых оксидов переходных металлов, таких как:

оксид кобальта лития (LCO)

никель-кобальт-марганцевый оксид лития (NMC)

Никель-кобальт-алюминиевый оксид лития (NCA).

Выбор этих составов обусловлен их высокой энергетической плотностью и длительным сроком службы. К сожалению, эти составы содержат такие материалы, как кобальт и никель, которые являются дорогостоящими, токсичными и труднодоступными. Если заменить эти катоды экологичными химическими составами с высокой плотностью энергии, то можно снизить некоторые издержки жизненного цикла и экологические затраты.

Неупорядоченная каменная соль (Disordered Rock Salt)

Одним из направлений исследований является катионно-дисперсная каменная соль, которая привлекает внимание благодаря своей способности повышать емкость аккумуляторов и гибкости состава, устраняя необходимость в использовании таких спорных металлов, как кобальт и никель. Более конкретно, замена катодов на основе кобальта и никеля на катоды на основе таких металлов, как марганец, железо и ванадий, позволила значительно улучшить окислительно-восстановительные реакции, что привело к значительно более высокой плотности энергии. Хотя существующие методы производства требуют больших затрат времени и энергии и, следовательно, являются дорогостоящими, несколько групп недавно разработали новые методы синтеза соединений каменной соли. Это повышает вероятность интеграции таких катодов в существующие литий-ионные батареи.

Цинково-воздушные аккумуляторы

Батареи на основе цинка - одна из старейших систем хранения энергии. В цинково-воздушных батареях в качестве анода используется цинк (металл), а в качестве активного материала в катоде - кислород. Исторически сложилось так, что эти батареи не были экономически эффективными из-за дороговизны компонентов. Однако ранее исследователи из Сиднейского университета (Австралия) продемонстрировали возможность применения цинк-воздушных батарей для электромобилей, показав высокую плотность энергии, низкое воздействие на окружающую среду, низкую стоимость и повышенную безопасность. EnZinc, инженерная компания из Калифорнии, является одной из компаний, работающих над коммерциализацией цинково-воздушных батарей путем производства цинковых микропористых анодов. Цель EnZinc - "снизить стоимость батарей для электромобилей более чем на 50%, удвоить количество запасенной энергии и обеспечить большую возможность перезарядки".

Литий-вольфрамовые наноэлектродные

Пытаясь улучшить базовые характеристики и без того полезного литий-ионного аккумулятора, исследователи добавили в аноды существующих батарей вольфрам и углеродные нанотрубки. Включение этих структур обеспечивает увеличение площади поверхности для переноса ионов, что позволяет ускорить их движение, увеличивая скорость заряда и разряда. Кроме того, батарея способна удерживать больший заряд по сравнению с традиционными конструкциями при незначительных компромиссах. Такие батареи разрабатываются и производятся такими крупными компаниями, как N1 Technologies, CALT, LG Energy Solution и Nyobolt.

#электромобили #аккумуляторы #батареи оригинал