Мы все замечаем, что автопром и транспортная индустрия меняются с огромной скоростью. Электрификация проникает во все сферы – от легковых автомобилей до грузовиков и общественного транспорта. Государственные программы и инвестиции стимулируют этот рост, направляя миллиарды долларов в производство аккумуляторов и поощряя потребителей переходить на электрические автомобили. Например, в ЕС и нескольких штатах США запрещено продавать бензиновые автомобили с 2035 года. Этот переход становится возможным благодаря усовершенствованию технологий, улучшающих производство батарей, их характеристики и стоимость.

Электрификация – это совместный процесс, который требует взаимодействия разных групп, включая автопроизводителей, производителей батарей, компании, предоставляющие зарядные станции, и операторов электросетей. Постоянное улучшение батарей необходимо для достижения следующих целей: снижения стоимости, увеличения запаса хода и безопасности, а также сокращения негативного воздействия на окружающую среду.

Сегодня большинство электрических автомобилей работают на литий-ионных батареях, которые давно используются в ноутбуках и смартфонах. Это позволило создавать автомобили с большим запасом хода, быстрой зарядкой и доступной ценой. Однако существует множество возможностей для дальнейшего усовершенствования.

Есть три основных вызова, которые мы должны преодолеть, чтобы сделать батареи лучше:

1. Увеличение емкости батареи: Чем больше энергии может хранить батарея, тем больше запас хода может предоставить автомобиль. Однако увеличение емкости существующих батарей также увеличивает массу автомобиля. Идеальным вариантом было бы увеличение емкости без увеличения веса.
2. Увеличение скорости зарядки: Если вы можете быстро зарядить батарею, даже если ее емкость небольшая, это может решить проблему запаса хода. Однако высокая скорость зарядки требует специальной инфраструктуры и может повредить батарею со временем.
3. Снижение стоимости: Даже с ограниченным запасом хода, если электрический автомобиль стоит доступно, люди будут его покупать. Снижение стоимости батарей может решить проблемы с поставкой минералов и экологическими издержками, связанными с их добычей.

Одной из основных инноваций, над которой работают, является разработка новых катодов и анодов для батарей, использование натриево-ионных технологий и разработка твердотельных батарей. Твердотельные батареи, в частности, обещают улучшение срока службы, скорости зарядки и безопасности.

Твердотельные батареи

Твердотельные батареи – это новый вид батарей, в которых жидкий электролит заменен твердыми материалами. Это делает их более безопасными и стойкими к повреждениям. Твердотельные батареи также могут иметь гораздо большую энергетическую плотность, что позволяет хранить больше энергии на том же пространстве. Это может привести к автомобилям с большим запасом хода и более быстрой зарядкой.

С другой стороны, технология твердотельных батарей все еще находится в разработке, и требует больших инвестиций в исследования и разработку. Однако она представляет большой потенциал для усовершенствования батарей и сделает электрические автомобили еще более привлекательными для потребителей.

Твердотельные аккумуляторы: Текущее положение дел

Несмотря на потенциал, твердотельные аккумуляторы все еще находятся на начальных этапах разработки. Вот несколько конкретных проблем, связанных с этой технологией:

1. Сжатие и расширение компонентов во время зарядки и транспортировки может привести к изменению характеристик и структурным повреждениям из-за возможного расслоения.
2. Твердые электролиты изготавливаются из хрупких материалов, которые могут подвергаться разрушению при механическом воздействии, например, при авариях.
3. Увеличение энергетической плотности может привести к повышению давления внутри батареи. Это может потребовать разработки новых анодов, способных выдерживать это давление.
4. Стоимость твердотельных батарей все еще остается относительно высокой по сравнению со стандартными литий-ионными батареями.

Ученые по всему миру, включая исследователей из Ок-Риджской национальной лаборатории Министерства энергетики США, работают над изучением механических свойств, влияющих на работу аккумуляторов. Известно, что механические воздействия, такие как напряжение и деформация под действием давления и тепла, могут повлиять на работу батареи, но конкретные последствия для ее эффективности и долговечности еще не полностью поняты. Однако на основе некоторых данных, какие были опубликованы Технологическим институтом Samsung Advanced Institute of Technology несколько лет назад, твердотельные аккумуляторы могут быть способными к более чем 1000 циклам зарядки и разрядки, что означает потенциально лучшую производительность и долговечность – и все это при компактных размерах.

В сфере испытаний и производства твердотельных батарей компании, такие как QuantumScape и Solid Power, находятся на переднем крае. Обе они ожидают, что первые образцы батарей будут поставлены производителям, таким как VW, Ford и BMW, в 2024 или 2025 году. Это означает, что массовое производство твердотельных батарей, вероятно, начнется ближе к 2027-2028 годам. Также компания Toyota работает над усовершенствованием твердотельных литий-ионных аккумуляторов, что может привести к улучшению стабильности при высоких напряжениях и температурах, а также к более быстрой зарядке и разрядке. Первоначально ожидается использование этой технологии в гибридных автомобилях, а затем в электромобилях нового поколения к 2027-2028 годам.

Новое поколение анодов

Обычная батарея состоит из двух ключевых элементов, которые называются электродами и разделяются материалом, позволяющим ионам двигаться между ними. Выбор материала для анода, или отрицательного электрода, влияет на безопасность, скорость зарядки, емкость и срок службы батареи. Графит, как правило, используется в качестве материала для анода, но его производство связано с выбросами парниковых газов и энергозатратами. Исследования кремниевых анодов являются одним из ключевых направлений, направленных на уменьшение углеродного следа и увеличение энергетической плотности аккумуляторов.

Технология LiFePO4

LiFePO4 (литий-железо-фосфат) представляет собой один из типов литий-ионных аккумуляторов, который обладает рядом уникальных характеристик и преимуществ. Вот подробное описание этой технологии и ее основных плюсов:

1. Химический состав: Аккумуляторы LiFePO4 используют железофосфат в качестве катода (положительного электрода) и графит в качестве анода (отрицательного электрода). Это отличает их от других литий-ионных аккумуляторов, которые могут использовать кобальт, марганец или никель в составе катода.
2. Безопасность: Одним из ключевых преимуществ LiFePO4 является их высокий уровень безопасности. Эта технология менее подвержена термическому перегреву и воспламенению, чем некоторые другие типы литий-ионных аккумуляторов, такие как LiCoO2 (литий-кобальтокислород). Это делает LiFePO4 более надежными и безопасными для использования в различных приложениях, включая автомобили, домашние хранилища энергии и портативные устройства.
3. Долгий срок службы: LiFePO4 аккумуляторы имеют обычно более долгий срок службы по сравнению с некоторыми другими литий-ионными батареями. Они способны выдерживать большее количество циклов зарядки и разрядки, что делает их привлекательными для приложений, требующих длительного срока службы.
4. Высокий ток разряда: LiFePO4 аккумуляторы способны предоставлять высокие токи разряда, что делает их подходящими для использования в высокопроизводительных приложениях, таких как электрические автомобили и инструменты.
5. Стойкость к низким температурам: Эти аккумуляторы хорошо работают при низких температурах, что позволяет им сохранять производительность даже в холодных климатических условиях.
6. Экологическая устойчивость: LiFePO4 более экологически устойчивы, поскольку они не содержат токсичных материалов, таких как кобальт, который присутствует в некоторых других литий-ионных аккумуляторах. Это снижает негативное воздействие на окружающую среду и упрощает процесс утилизации.
7. Высокая рабочая напряженность: Эти аккумуляторы имеют высокое рабочее напряжение, что означает, что можно создавать аккумуляторные пакеты с более высокими напряжениями для более эффективного использования в электрических транспортных средствах и других приложениях.
8. Быстрая зарядка: Хотя скорость зарядки может быть ниже по сравнению с некоторыми другими литий-ионными батареями, LiFePO4 все равно способны обеспечивать относительно быструю зарядку, что делает их удобными для повседневного использования.
9. Устойчивость к высоким температурам: В отличие от некоторых других аккумуляторов, LiFePO4 более стабильны при высоких температурах, что увеличивает их надежность в условиях повышенной тепловой нагрузки.
10. Применения: LiFePO4 аккумуляторы широко используются в электрических транспортных средствах, бесперебойных источниках питания, домашних хранилищах энергии, солнечных батарейных системах и многих других приложениях, где важны надежность, безопасность и долговечность.

Несмотря на множество преимуществ, LiFePO4 аккумуляторы также имеют некоторые недостатки, включая более низкую энергетическую плотность по сравнению с некоторыми другими литий-ионными технологиями и более высокую стоимость производства. Однако их преимущества часто делают их предпочтительным выбором для определенных приложений, где безопасность и долговечность играют важную роль.