Разработка новых аккумуляторов для авто
880 км на одной зарядке и ресурс 1,2 млн километров. Китайцы представили супербатарею для электромобилей
Китайские компании готовы навязать серьезную конкуренцию японским производителям аккумуляторов для электромобилей
Китайская компания Honeycomb Energy сегодня официально представила свои аккумуляторные батареи нового поколения для электромобилей. Новинок две, их массовое производство начнется в 2021 году.
Нужно отметить, что Honeycomb Energy – отнюдь не новичок на рынке: фирма ведет исследования в этой области с 2012 года, а в 2018 году она стала независимым поставщиком аккумуляторных батарей. Сегодня компания представила два модуля: один характеризуется емкостью 115 А·ч и плотностью энергии 245 Вт·ч/кг, второй – емкостью 226 А·ч и плотностью энергии 240 Вт·ч/кг. Применение второго позволяет достигнуть запаса хода в 880 км на одной зарядке. Но ресурс одинаков в обоих случаях: 15 лет службы и 1,2 млн километров. Примерно к таким же показателям стремится Tesla: ее новая аккумуляторная батарея, разрабатываемая совместно с китайским партнером, должна обеспечивать ресурс в 1,6 млн километров.
Из других особенностей новинок Honeycomb Energy – исключение из химического состава кобальта, большая выносливость (2500 циклов разряда/заряда), безопасность и стойкость ко внешним воздействиям – в частности, обе аккумуляторные батареи неоднократно протестировали на устойчивость к высокой температуре в 150°C.
Представлены аккумуляторы для электромобилей будущего: быстрая зарядка, минимальная деградация и высокая ёмкость
В конце ноября американская компания QuantumScape, которую до этого десять лет деньгами поддерживали только фонд Билла Гейтса и Volkswagen, стала публичной и вышла из тени. Сразу было заявлено, что разрабатываемые компанией твердотельные литийметаллические аккумуляторы станут батареями для электромобилей второго поколения, которые по дальности хода сравнятся с автомобилями на ДВС. Сегодня она с цифрами в руках доказывает свою правоту.
Аккумуляторная ячейка QuantumScape. Источник изображения: QuantumScape
До разработки QuantumScape, которая десять лет назад вышла из стен Стэндфордского университета, твердотельные литийметаллические аккумуляторы считались перспективными, но страдающими массой отрицательных побочных явлений. В частности, они были безопаснее и более ёмкими, чем литийионные, но обладали узким рабочим температурным диапазоном. Аккумуляторы QuantumScape, как утверждают разработчики, свободны от детских болезней твердотельных литийметаллических аккумуляторов и могут стать коммерчески осуществимыми уже через четыре года.
Главной особенностью твердотельных литийметаллических аккумуляторов QuantumScape можно считать то, что аккумуляторы не имеют анода. Точнее, при производстве аккумуляторов QuantumScape анод не изготавливается. Этот электрод формируется в уже собранной аккумуляторной ячейке путём осаждения металлического лития в процессе заряда ячейки. Заявленная скорость осаждения лития в процессе формирования анода превосходит все предыдущие показатели и достигает одного микрона в минуту, что обещает высокую плотность зарядного тока и быструю зарядку: до 80 % ёмкости за 15 минут.
В компании гордятся, что анод аккумулятора спроектирован с «нулевым превышением лития». Иначе говоря, в процессе производства ячейки нет необходимости даже в минимальном количестве лития в виде фольги или осаждения в месте формирования анода. Это заметно удешевляет и упрощает производство ячеек.
Ещё одним важным изобретением QuantumScape стало создание керамического сепаратора, который разделяет электроды. Сепаратор QuantumScape тоньше человеческого волоса и невоспламеняемый. В обычной литийионной ячейке сепаратор изготавливается из органических материалов и служит одной из причин пожароопасности элементов. Следует отметить, что аккумуляторные ячейки QuantumScape будут изготавливаться в виде «мешочков», а не в цилиндрическом формфакторе. Возможно это одна из особенностей использования керамических сепараторов.
Источник изображения: QuantumScape
Наконец, QuantumScape обещает довести ёмкость коммерческих твердотельных литийметаллических аккумуляторов до проверенного в лабораториях максимума: 1000 Вт·ч/л. Тем самым ёмкость аккумуляторов может вырасти на 80 % по сравнению с лучшими современными литийионными ячейками и довести запас хода электромобилей до величин, сопоставимых с возможностями автомобилей на двигателях внутреннего сгорания.
Аккумуляторы нового поколения помогут электромобилям увеличить длину пробега без подзарядки
Компания QuantumScape, которую поддерживают Volkswagen и Билл Гейтс, представила прототип аккумулятора будущего для электромобилей. По заявлению разработчиков, транспортные средства с их батареей могут путешествовать на 80 процентов дальше, чем автомобили, оснащенные литий-ионными аккумуляторами.
Сейчас основными источниками питания ноутбуков, смартфонов и даже электрокаров являются литий-ионные батареи. Они неплохо справляются, когда речь идет о небольших устройствах, но автомобильные версии имеют ряд недостатков: долго заряжаются и содержат компоненты, которые могут воспламениться при аварии. Такие батареи могут замерзнуть при очень низких температурах. Исследователи в течение многих лет тестировали разные материалы, такие как полимеры и керамика, которые помогли бы решить эти проблемы.
Устройство нового твердотельного аккумулятора.
На виртуальной пресс-конференции Battery Day, Джагдип Сингх, основатель и генеральный директор QuantumScape представил концепт литий-металлического аккумулятора, который стал результатом десятилетней работы над твердотельной литиевой батареей, — сообщает techxplore.com
Вместо привычного жидкого электролита в новой батарее применен сухой керамический сепаратор. Он обеспечивает более эффективную передачу энергии при прохождении ионов. Также в аккумуляторе есть гелевый компонент, который не замерзает в холодную погоду и подавляет рост дендритов электролита, которые снижают эффективность литий-ионного аккумулятора.
Согласно результатам тестов QuantumScape, транспортные средства с их батареей могут путешествовать на 80% дальше, чем автомобили, оснащенные литий-ионными аккумуляторами. Также они сохраняют более 80 процентов емкости после 800 циклов зарядки, что намного больше, чем у их нынешних литий-ионных «собратьев». Немаловажно, детище QuantumScape заряжается до 80 процентов от емкости аккумулятора всего за 15 минут.
«Самым сложным в создании работающей твердотельной батареи является необходимость одновременного удовлетворения требований высокой плотности энергии, быстрой зарядки, длительного срока службы и работы в широком диапазоне температур», — сказал лауреат Нобелевской премии 2019 года Стэн Уиттингем, соавтор литий-ионного аккумулятора.
И, по словам Уиттингэма, батарея QuantumScape отвечает всем этим требованиям.
«Если QuantumScape сможет внедрить эту технологию в массовое производство, это может привести к преобразованию отрасли», — добавил Стэн Уиттингем.
«Мы не видим на горизонте ничего близкого к тому, что мы делаем», — сообщил Сингх.
По мнению экспертов, в новой разработке может использоваться соединение лития, известное как LLZO.
Тестирование новой батареи проводилось на однослойных элементах. Окончательная версия батареи потребует до 100 слоев, и по мере увеличения толщины могут возникнуть дополнительные сложности.
В этом направлении активно работает китайский гигант по производству аккумуляторов CATL, LG Chem, Samsung, Panasonic и Tesla. Toyota также должна была представить свой твердотельный аккумулятор на Олимпийских играх в Токио в этом году, пока пандемия не поставила крест на этих планах. Стартап под названием Solid Power начал производство батареи аналогичного типа с электролитом на основе сульфида, который обладает высокой проводимостью. Ford, BMW и Hyundai также присоединились к этому процессу. В России разработками и производством источников питания являются компании участники рынка EnergyNet. Среди ярких представителей этого рынка можно отметить компанию-производителя аккумуляторов «Лиотек». Компания производит аккумуляторы для транспорта, промышленных предприятий и домашних хозяйств.
Создан аккумулятор будущего для автомобилей. Чем он отличается от обычных батарей и как поможет спасти жизнь пассажиров?
В конце сентября международный коллектив ученых под руководством ученого Даррена Хана и с участием инженеров LG рассказал о создании первого комбинированного аккумулятора для автомобилей на электрической тяге. Подобная батарея является твердотельной и построена на базе анода из чистого кремния. По сравнению с аналогами новый аккумулятор является более энергоемким и безопасным и, кажется, превосходит все конкурентные образцы. «Лента.ру» объясняет, почему все автопроизводители не могут перейти на твердотельные батареи и какие перспективы есть у нового комбинированного аккумулятора.
Используемые в современных электрокарах батареи неидеальны. Как правило, автопроизводители используют литий-ионные зарядные элементы. Несмотря на то что аккумуляторы позволяют хранить энергию длительное время и обеспечивать машины запасом хода на полтысячи миль, проблем с ними слишком много. Во-первых, батареи быстро изнашиваются. Во-вторых, они очень капризны: требовательны к температуре эксплуатации и не переносят постоянных или сильных вибраций. Именно поэтому при ДТП электрокар может загореться, а на тушение и локализацию возгорания может уйти несколько часов.
Также почти все батареи — начиная от элементов в пультах к телевизорам и заканчивая фабричными аккумуляторами — состоят из кобальта. Зависимость индустрии от этого материала крайне высока, так как 60 процентов всего кобальта добывают в Демократической Республике Конго.
В теории твердотельные батареи как минимум практичнее и безопаснее. Их конструкция предполагает использование минимума материалов. По словам ученых, чем меньше в аккумуляторе деталей, тем реже он будет ломаться и выходить из строя.
Использование кремниевого анода в батареях позитивно описывается Дарреном Ханом и его коллегами. Впервые данную наработку описали в 2002 году. Спустя почти 13 лет основатель Tesla Илон Маск заявил, что применение кремния в аккумуляторах его электрокаров увеличивает запас хода примерно на шесть процентов. Батареи на основе кремния обычно имеют гораздо большую удельную емкость, чем другие, — примерно 3600 миллиампер-часов на грамм материала.
Однако в заряженном состоянии данный тип анода в больших долях является крайне неустойчивым, а следовательно, опасным для применения. При длительном контакте с жидким электролитом кремний плохо держит энергию, что оборачивается значительной потерей мощности электрического двигателя. Поэтому современные аккумуляторы состоят из кремния лишь частично. В этой связи аноды коммерческих батарей могут содержать небольшое количество кремния, что весьма незначительно влияет на производительность. Например, на рынке существуют аккумуляторы, созданные на базе композитного электрода с кремниевой нанопроволокой. Информация о содержании этого материала в батареях производителей обычно не раскрывается, но можно считать, что доля кремния в них не превышает десяти процентов.
Учитывая все недостатки батарей на базе классического электролита и кремния, ученые решили синтезировать материал с твердым электролитом на основе сульфида. Использование твердой структуры решило проблему насыщения анодов жидким электролитом во время работы. По словам Хана, отсутствие углерода в аноде значительно снижает межфазный контакт, что приводит к нежелательным побочным реакциям с твердым электролитом.
Сравнительные тесты показали, что кремниевые аноды имеют в десять раз большую плотность энергии, чем графитовые. Пока что новое изобретение удалось воссоздать лишь в лабораторных условиях, но характеристики новой батареи удовлетворяют специалистов. Аккумулятор-прототип сохранил 80 процентов емкости после 500 циклов зарядки, удельная емкость энергии на грамм кремния составила около 2890 миллиампер-часов. Батарея оказалась стабильна и безопасна, что в будущем наверняка позволит использовать ее несколько десятков лет. По словам ученых, аккумуляторы нового типа смогут пережить сам автомобиль.
«Принцип твердотельного кремния преодолевает многие ограничения обычных батарей», — говорится в отчете изобретателей. Ученые считают, что созданные по комбинированному принципу аккумуляторы удовлетворят рыночный спрос на безопасные батареи с более высокой емкостью при более низких затратах. Ноу-хау можно использовать при создании как электрокаров, так и стационарных энергохранилищ.
Как было замечено, удачный прототип батареи пока был создан в лабораторных условиях и тестировался при комнатной температуре. Комфортная для аккумулятора работа происходит при температуре около 140 градусов по Фаренгейту (порядка 60 градусов по Цельсию). Даррен Хан признает, что от прототипа до первого коммерческого образца могут пройти годы, и соглашается со скептиками, что его коллегам предстоит много работы. Однако ученый уже зарегистрировал бренд Unigrid battery, под которым надеется выйти на рынок твердотельных аккумуляторов нового поколения.
О «кремниевой революции» все чаще говорят и крупные игроки на рынке электромобилей. Например, в 2020 году представители Tesla обнадежили потребителей и рынок, что планируют удвоить содержание кремния в батареях своих автомобилей.
Графеновый аккумулятор. Прорыв в создании устройств хранения энергии
В настоящее время потенциальных покупателей электромобилей зачастую пугает перспектива довольно небольшого пробега автомобиля от одной подзарядки и слишком долгий процесс заряда аккумуляторов. В самое ближайшее будущее все может очень сильно измениться и нас ждут весьма интересные девайсы способные заряжаться за несколько минут, а также графеновые электронные компоненты и другие наноматериалы.
Графеновые аккумуляторы окажут громадное влияние на все сферы повседневной жизни. Для примера, удельная емкость литий-ионного аккумулятора применяемого в настоящее время, составляет 200 Вт/ч на 1 кг веса. Графеновый аккумулятор такого же веса имеет удельную емкость 1000 Вт/ч. Очевидно, что графеновая аккумуляторная батарея установленная, например, в Tesla Model S способна увеличить пробег электромобиля с 334 км до 1013 км на одной подзарядке. Кроме всего прочего такие батареи можно зарядить менее чем за 10 минут. Конечно, чтобы достичь такой скорости заряда необходима мощная зарядная станция, но это уже не такая большая проблема.
Еще в декабре 2018 года индийская компания Log 9 Materials объявила, что работает над металлическими воздушно-воздушными батареями на основе графена, что в теории может даже привести к появлению электрических транспортных средств, работающих на воде. Металлические воздушные батареи используют металл в качестве анода, воздух (кислород) в качестве катода и воду в качестве электролита. В воздушном катоде батарей используется стержень графена. Поскольку кислород должен использоваться в качестве катода, катодный материал должен быть пористым, чтобы воздух мог проходить, свойство, в котором графен превосходит другие. Согласно Log 9 Materials, графен, используемый в электроде, способен увеличить эффективность батареи в пять раз при стоимости в одну треть.
Новые разработки графеновых аккумуляторов
Многие разработчики верят, что будущие аккумуляторы станут иметь совсем другую форму, строение и химический состав по сравнению с литий-ионными, которые в последнее десятилетие вытеснили иные технологии со многих рынков. Они считают, что будущее за графеновыми аккумуляторами.
Сравнительно недавно Graphenano, компания из Испании, продемонстрировала прототип графен-полимерного аккумулятора обладающего уникальной способностью – требуемое время его заряда в 3 раза меньше, чем для обыденных литий-ионных аккумуляторов. Конечно же успехи этой компании подхлестнули громадный интерес различных производителей, которые стали тотчас предвкушать все выгоды применения таких аккумуляторов.
В компании Graphenano разработали аккумулятор Grabat, который может обеспечить запас хода электромобиля до 800 км. Ёмкость 2,3-вольтового Grabat огромна: около 1000 Вт⋅ч/кг. Для сравнения, у лучших образцов литий-ионных аккумуляторов — на уровне 180 Вт⋅ч/кг. Разработчики утверждают, что аккумулятор заряжается всего за несколько минут — скорость зарядки/разрядки в 33 раза выше, чем у литий-ионных. Быстрая разрядка особенно важна для обеспечения высокой динамики разгона электромобилей. Графеновые батареи менее громоздкие, чем их литий-ионные аналоги: масса графенового аккумулятора вдвое меньше массы литий-ионного. И что не маловажно, такие батареи не могут взорваться.
В конце 2015 года Graphenano открыли завод площадью более 7000 квадратных метров по производству графен-полимерных аккумуляторов в испанском городе Екла, благодаря объединению усилий с группой химиков из Национального университета Кордовы и компанией Grabat Energy. Было создано специальное оборудование для обеспечения 20 сборочных линий на 80 миллионов ячеек. Эти аккумуляторы не будут производить газ и не будут пожароопасными, заявляют в Graphenano, даже короткое замыкание им не будет страшно. Полимер был сертифицирован при сотрудничестве с институтами Декра (Испания) и TUV (Германия).
Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенный в гексагональной решетке (в виде шестиугольников). Это строительный блок углерода, но графен сам по себе является замечательным веществом, обладающим множеством удивительных свойств, которые постоянно дают ему название «чудо-материал».
Как улучшить характеристики существующих аккумуляторов
В области аккумуляторов обычные материалы для аккумуляторных электродов (и перспективные) значительно улучшаются при добавлении графена. Графеновая батарея может быть легкой, долговечной и подходящей для накопления энергии большой емкости, а также для сокращения времени зарядки. Это продлит срок службы батареи, что связано с количеством углерода, который нанесен на материал или добавлен к электродам для достижения проводимости, а графен добавляет проводимости, не требуя количества углерода, которое используется в обычных батареях.
Графен может улучшить такие свойства батареи, как плотность энергии и форму, различными способами. Так литий-ионные аккумуляторы (и другие типы аккумуляторных батарей) могут быть улучшены путем введения графена в анод аккумулятора и использования проводимости материала и характеристик большой площади поверхности для достижения морфологической оптимизации и производительности.
Также было обнаружено, что создание гибридных материалов также может быть полезным для улучшения качества батареи. Например, гибрид катализа оксида ванадия (VO2) и графена может быть использован на литий-ионных катодах и обеспечивает быструю зарядку и разрядку, а также большую стойкость цикла зарядки. В этом случае VO2 обладает высокой энергоемкостью, но плохой электрической проводимостью, что можно решить, используя графен в качестве своего рода структурной «основы», на которой можно присоединить VO2- создавая гибридный материал, который обладает как повышенной емкостью, так и превосходной проводимостью.
Исследователи ищут новые типы активного электродного материала, чтобы вывести батареи на новый уровень высокой производительности и долговечности и сделать их более подходящими для больших устройств. Наноструктурированные материалы ионно-литиевых батарей могут обеспечить хорошее решение. По последним данным исследователи из Венского университета и международные ученые разработали новый наноструктурированный анодный материал для ионно-литиевых батарей, который увеличивает емкость и срок службы батарей.
2D/3D нанокомпозит на основе смешанного оксида металла и графена, разработанный двумя учеными и их командами, как утверждается, серьезно улучшает электрохимические характеристики литий-ионных аккумуляторов. Основанный на смешанном мезопористом оксиде металла в сочетании с графеном, этот материал может обеспечить новый подход к более эффективному использованию батарей в больших устройствах, таких как электрические или гибридные транспортные средства. Новый электродный материал обеспечил значительно улучшенную удельную емкость с беспрецедентной обратимой циклической стабильностью в течение 3000 обратимых циклов зарядки и разрядки даже при очень высоких режимах тока до 1280 миллиампер. Для сравнения, современные литий-ионные аккумуляторы теряют свою эффективность после примерно 1000 циклов зарядки.
Финансовые проблемы реализации научных достижений
Проблема создания новых аккумуляторных батарей еще и в том, что сейчас исследованиями в области элементов питания занимается слишком много компаний. Проектов просто огромное количество — от «пенных» и жидких батарей до аккумуляторов с экзотическими соединениями в составе электролита. И явного лидера среди всех этих компаний нет. Особого энтузиазма такая ситуация не вызывает и среди инвесторов, которые не слишком охотно выделяют деньги на новые проекты.
И даже в том случае, когда новая технология попадет на рынок, производителю аккумуляторов нового типа придется пережить нелегкий период адаптации и поиска покупателей. Но пока что до этого этапа никто не доходил. Так, компании Leyden Energy и A123 Systems, разработавшие новые, вполне перспективные технологии, так и не вышли на рынок. Им просто не хватило для этого денег. Еще два перспективных «энергетических» стартапа, Seeo и Sakti3, были куплены другими компаниями. Причем суммы этих двух сделок были гораздо ниже того, на что рассчитывали первые инвесторы компаний.
Крупнейшие производители электроники, Samsung, LG и Panasonic, заинтересованы больше в совершенствовании текущих своих продуктов и увеличении числа их функций, чем в получении батарей нового типа. Поэтому пока что продолжается процесс оптимизации Li-Ion батарей, созданных еще в 70-х годах прошлого века. Остается надеяться, что у графеновых аккумуляторов все же получится разорвать порочный круг.
Что дальше?
Сегодня на исследования графена выделено несколько миллиардов долларов, и по прогнозам ученых, этот материал сможет заменить собою кремний в полупроводниковой промышленности. Графен несомненно перевернет мир технологий, в том числе и созданием новых аккумуляторных батарей в ближайшие годы, не в последнюю очередь еще и потому, что он недорог в производстве, и очень распространен в природе. Каждая из стран имеет его в изобилии.
Аккумуляторы на основе графена быстро становятся сопоставимыми по эффективности с традиционными твердотельными аккумуляторами. Они все время продвигаются, и скоро они превзойдут своих твердотельных предшественников. Дополнительные преимущества, связанные с присутствием графена в электродах, могут быть полезны, даже если эффективность не так высока. Для батарей, которые обладают аналогичной эффективностью, графеновые батареи являются идеальным выбором, они начали набирать обороты на коммерческом рынке. Ожидается, что мировой рынок графеновых аккумуляторов к 2022 году достигнет 115 миллионов долларов, увеличившись в среднем на 38,4% в течение прогнозируемого периода с рынком с доходом около 38% ».
Удивительные свойства графена
Графен – легкий, он весит всего 0,77 миллиграмма на квадратный метр. Поскольку это один 2D-лист, он имеет самую высокую площадь поверхности из всех материалов.
Он также считается экологически чистым и устойчивым, с неограниченными возможностями для многочисленных применений. Это действительно материал, который может изменить мир с неограниченным потенциалом для интеграции практически в любую отрасль.
Когда листы графена предоставлены сами себе, они будут складываться и образовывать графит, который является наиболее стабильной трехмерной формой углерода при нормальных условиях.