Аккумуляторы будущего для электромобилей

Гонка за созданием лучшие батареи для электромобиля

Ученый из UCL (Университетский колледж Лондона) Дан Бретт занимается передовыми технологиями электромобилестрояния. Для него не так интересен внешний вид электрокара, как то, что находится внутри него — литий-ионная батарея.

Электрические транспортные средства, такие как Tesla, зависят от батарей. Обычные автопроизводители, переводящие свои производственные линии с двигателей внутреннего сгорания на электрические трансмиссии, используют литий-ионную технологию благодаря ее доступности.

Будущее аккумуляторов

МЭА предсказывает новый стремительный рост производства аккумуляторов, вызванного бурным ростом индустрии электромобилей, который к 2030 году должен достичь 125 миллионов автомобилей во всем мире.

Бретт утверждает, что такие батареи не являются идеальными для всех легковых и грузовых автомобилей. «Для автомобилей небольшого размера — они дают нормальный запас хода . но если вы используете грузовой автомобиль, я думаю, что эта батарея подведет вас», — говорит он.

Хотя литий-ионные батареи будут играть важную роль в будущем автомобильной промышленности, проблемы с небольшим запасом хода, безопасностью и долговечностью означают, что ученые вынуждены искать альтернативный аккумулятор для электромобилей будущего.

В сентябре Институт Фарадея, финансируемый правительством Великобритании исследовательский центр в Харвелле, объявил о выделении 55 миллионов фунтов стерлингов на проекты в области аккумуляторных батарей в попытке создать технологию, которая может лечь в основу нового электромобиля. Инвестиции направлены в консорциум пяти университетов в Шеффилде, Бате, Оксфорде, Лондоне и Сент-Эндрюсе.

«Мы работаем над всем, от материалов и химии до производства», — говорит Нил Моррис, исполнительный директор Института Фарадея. «Я уверен, что мы сможем сделать прорывы, которые снизят стоимость и улучшат производительность батарей».

В UCL, где Бретт возглавляет инновационные разработки, проводится тестирование множества аккумуляторов. Одним из новых фаворитов являются твердотельные батареи. Эта технология включает замену жидкой ключевой части батареи, известной как электролит, на твердое вещество.

В литий-ионных батареях жидкий раствор лития используется в качестве электролита, но использование жидкости увеличивает риск воспламенения. Заменив его твердым материалом, таким как керамика или стекло, можно избежать пожара, в то время как аккумулятор заряжается быстрее.

Эта технология привлекла внимание такой компании, как Dyson, которая, несмотря на отказ от своего проекта электромобиля, продолжит вкладывать не менее 1 млрд фунтов стерлингов в исследования твердотельных аккумуляторов в своем кампусе в Малмсбери.

У твердотельных батарей существуют нерешенные проблемы. Еще не найден подходящий проводник, который может эффективно заменить жидкий электролит. «Твердотельная батарея действительно безопасна, но она и действительно дорога, поэтому, вероятно, она не появится но рынке в течение некоторого времени», — говорит Бретт.

Но не все упирается в твердотельную батарею. Университеты, такие как UCL, также рассматривают другие технологии, такие как натриевые и литий-серные батареи. Натриевые батареи представляют особый интерес для исследователей, так как изобилие натрия по сравнению с литием во всем мире означает, что батареи потенциально могут быть дешевле.

По словам профессора Пола Шеринга из химико-технологического отдела Калифорнийского университета, концентрация металла в таких местах, как Южная Америка, может привести к дефициту лития, но доступность натрия означает, что существует решение проблемы с истощением ресурсов.

Вивас Кумар из компании Benchmark Mineral Intelligence говорит, что автомобилестроительные компании исследуют аккумуляторные технологии, которые могут иметь серьезные преимущества.

Кобальт, основной элемент современных батарей, является дорогим металлом, который часто поставляется из опасных шахт в Демократической Республике Конго.

Уменьшение количества кобальта в аккумуляторах с никелем может дать тройную выгоду: экономическая эффективность, повышение плотности энергии, уход от проблем с добычей кобальта.

«Причина проста: когда у вас катод с более высоким содержанием никеля, плотность энергии выше. Большая плотность энергии имеет значение, потому что с одним и тем же аккумулятором вы можете ездить дольше», — говорит Кумар.

Однако путь к промышленному производству многих из этих технологий может быть долгим. Например коммерциализация литий-ионных аккумуляторов происходила в течение длительного периода времени, которую возглавили японские фирмы Panasonic и Asahi Kasei.

«Литий-ионный аккумулятор является фантастической технологией, которая достигла повсеместного применения, но потребовалось некоторое время, чтобы она закрепилась», — говорит Ширинг.

Некоторых компании имеют проблемы на этапе коммерциализации новых технологий. Компания FTSE 100 Джонсона Матти сделала крупнейшие инвестиции в разработку «усиленного литий-никелевого оксида» — или eLNO — материала, используемого для изготовления аккумуляторного катода. Это основной ограничивающий фактор в работе батареи.

Исполнительный директор Роберт Маклеод говорит, что хоть катод лишь малая часть аккумулятора, но она составляет 40% его стоимости. Поскольку на долю аккумуляторов приходится четверть стоимости электромобиля, становится очевидным, что, если у Джонсона Мэтти все выйдет — победит его технология.

Дополнительной проблемой, стоящей перед новой аккумуляторной технологией, является разработка гигафабрики. Общие производственные мощности литий-ионных аккумуляторов должны достичь 1211 ГВт*ч к 2025 году.

Быстрое увеличение емкости уже привело к падению цен на литий-ионные аккумуляторы на 85% в период между 2010 и 2018 годами, что означает, что покупатели аккумуляторов могут посчитать более удобным с экономической точки зрения выбор литий-ионных аккумуляторов по сравнению с аккумуляторами других производителей.

В конечном счете, такие исследователи, как Ширинг, полагают, что спрос на новые типы батарей будет создаваться разнообразным использованием батарей в автомобильной промышленности. опубликовано econet.ru по материалам telegraph.co.uk

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Источник

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.

Источник

В поисках вечной батарейки: как меняются технологии создания аккумуляторов

Десятки компаний стремятся создать новый тип аккумуляторов: повысить энергоемкость, срок службы, ускорить зарядку и сделать так, чтобы батарея разряжалась как можно медленнее. В новые технологии хранения энергии вкладывают огромные суммы — около $3 млрд в год. Согласно оценкам швейцарского банка UBS, за ближайшее десятилетие рынок накопителей энергии может вырасти до $426 млрд. «Хайтек» рассказывает о том, развиваются технологии хранения энергии и почему все упирается в добычу дорогостоящих элементов.

Какие задачи решают новые технологии

За создание литий-ионной технологии трое ученых получили Нобелевскую премию по химии в 2019 году. Ведь в том числе благодаря их изобретению расширились возможности по использованию портативной техники (ноутбуков, смартфонов, планшетов). Сегодня к накопителям энергии предъявляют все более высокие требования, и это подталкивает к поиску новых технологий. Важен баланс между габаритами, энергетическими характеристиками и ценой. Первые два параметра можно настраивать в широком диапазоне, но цена остается серьезным препятствием. Да и технологии, использующие литий, упираются в ограничение: лития в природе не так много, а его добыча обходится достаточно дорого. Прогресс последних лет затрагивает, скорее, энергоэффективность, а не качественные характеристики. Хотя разработок много, инновации не так быстро попадают на массовый рынок.

Развитие батарей для электротранспорта, складской техники и космической отрасли происходят существенно быстрее. Технологический рывок произойдет и на массовом рынке, но для этого производители мобильной техники должны выбрать автономность устройств как ключевой элемент добавленной стоимости. Однако ожидание будет долгим. По оценкам Международного энергетического агентства, основной технологией в ближайшие десятилетия останутся литиевые аккумуляторы. Выход новых разработок на рынок прогнозируются не ранее 2025 года. Но фундамент будущих изменений закладывается уже сейчас, основные тренды связаны с технологией быстрой зарядки, уменьшением габаритов и повышением срока службы аккумуляторов.

Стартапы ради быстрой зарядки

Технология быстрой зарядки включает три основных момента: алгоритмы заряда, энергетические параметры и сечение проводника. Если речь о мобильной технике, то ее зарядка не предполагает разнообразия разъемов и кабелей. Type-C стал стандартом для индустрии, поэтому на первый план выходят алгоритмы заряда, такие как Power Delivery и Quick Charge.

Их основная задача — обеспечить передачу большего количества энергии по тому же проводу, не превышая допустимые значения силы тока (до 3 А). Но устройство не должно перегреваться во время зарядки, поэтому сегодня делают упор не только на увеличение зарядного напряжения, но и на разработку специальных алгоритмов, постепенно понижающих мощность (по мере того, как батарея восстанавливает уровень заряда). Кроме того, технология быстрой зарядки становится одним из пунктов, обеспечивающих «привязку» потребителя к экосистеме конкретного производителя.

Канадский стартап GBatteries пытается решить задачу быстрого восполнения заряда с помощью искусственного интеллекта. Быстрая зарядка происходит благодаря последовательным микроимпульсам постоянно меняющегося тока. Действуют умные алгоритмы, которые встроены в зарядные станции: они определяют, когда именно отправить очередной импульс и определяют уровень напряжения, чтобы не навредить аккумуляторам. Технологию планируют совместить с текущим поколением литий-ионных аккумуляторов. Планируется, что благодаря задумке батареи электрокаров смогут восполнять заряд за 5–10 минут. Канадцы разрабатывают зарядные станции и для другой техники.

Технологию быстрой зарядки предлагает и израильский стартап StoreDot. Вместо модификации принципа работы зарядного устройства они обратились к химии самой аккумуляторной батареи. Вместо графита используются олово, германий и кремний в сочетании с органическими соединениями. Заряд батареи, используемой в электросамокате, получилось восполнить всего за пять минут. Специалисты разрабатывают аккумулятор для телефона, который сможет восполнить заряд так же быстро. Среди инвесторов стартапа — Mercedes Daimler и Samsung. Правда, опять же, вопрос в цене — изначально батареи точно не будут дешевыми.

Стартапы, пообещавшие супертонкие аккумуляторы

Если говорить о литиевых батареях, то задача по производству аккумулятора толщиной около 1 мм вполне осуществима. Но если нужно сохранить емкость, физический объем активного вещества в аккумуляторе должен остаться неизменным. Как результат — получится тонкая, но очень широкая батарея. При этом показатели энергетической эффективности устройства будут ниже, чем у его стандартных «собратьев».

Поэтому сверхтонкие литиевые АКБ востребованы лишь в специфических областях приборостроения. Что касается массового рынка, компактные устройства всегда пользуются спросом. Например, в линейке внешних аккумуляторов федеральной дистрибьюторской сети Energon модель Revolter 5000 толщиной всего 5 мм, и такие габариты уже воспринимаются потребителями как супертонкий формат.

Среди технологий, которые позволят сохранить емкость батареи при уменьшении габаритов — стартапы из Японии. К примеру, 3Dom (стартап, который появился в 2014 году в Токийском университете). К 2022 году в планах — производство литий-металлических батарей, которые при таких же габаритах более эффективны, чем современные литий-ионные аккумуляторы.

В основе японской технологии — замена углеродных материалов на металлический литий. Подобная химия обеспечивает более высокую плотность энергии, но одновременно с этим растет риск коротких замыканий и воспламенений.

Стартапы: для долгой службы

Существует много электродных материалов, обеспечивающих выдающуюся устойчивость к циклированию — например, LTO или NMC. Но из-за стоимости такие аккумуляторы недоступны для широкого потребительского рынка. И пока нет предпосылок того, что ситуация скоро изменится.

Но изменения происходят — не только в области химии устройств, но и контролеров, менеджмента заряда, энергоэффективности устройств. Работая в комплексе, они значительно продлевают жизнь аккумуляторов. Даже Илон Маск, который любит смелые обещания, признал: перспективнее улучшение литий-ионных аккумуляторов, а не поиск совершенно новых технологий.

Среди новых технологий, которые собираются предложить рынку — батареи, где дорогие металлы заменены дешевыми и распространенными веществами. Например, американский стартап Conamix обещает убрать кобальт — элемент, который добывают в Конго. Правительство этой республики постоянно поднимает налог на сырье. Текущие разработки позволят уменьшить содержание этого металла в аккумуляторах для электромобилей с 20% до 4%.

Как батареи тормозят развитие перспективных технологий

К сожалению, медленный прогресс в сфере аккумуляторных батарей во многом ограничивает развитие смежных индустрий. Смартфоны, ноутбуки, электромобили становятся все более технологически «нафаршированными» и требуют все больше энергии. Например, активному пользователю смартфона батареи хватает на 6–8 часов. Причем в среднем россиянин каждый день открывает 10–12 приложений. В связи с этим разработчики смартфонов подбирают энергосберегающие программы. Одни производители встраивают приложения в прошивку по умолчанию, другие оставляют выбор за пользователем — предлагают скачать их. Если появятся эффективные батареи, расширятся возможности по использованию программ.

Еще одно направление — солнечная энергия. Большинство установок занимают немало места, а их стоимость высока. Известный факт: львиная часть затрат на развертывание солнечных систем связана с приобретением аккумуляторов, которые будут запасать энергию. Поэтому более дешевые и энергоэффективные накопители обеспечили бы значительно более широкое применение зеленых технологий.

Поиск эффективного хранения энергии происходит и в сфере солнечной энергии. Например, исследователи Стэнфордского университета предлагают альтернативу — использование биологических систем. Технология предполагает извлечение метана с помощью бактерии Methanococcus maripaludis. Затем его планируют преобразовывать в электричество благодаря существующей инфраструктуре.

Есть несколько причин, которые тормозят появление новых более эффективных батарей. Одна из них — чрезвычайно высокая стоимость разработки. По данным Lux Research, в среднем для поддержания работы стартапа, нацеленного на поиск новых решений в сфере хранения и транспортировки энергии, требуется до $40 млн в течение восьми лет. Например, японская компания New Energy & Industrial Technology Development Organization выделила 90 млн на создание батарей нового типа. Но чаще стартаперам приходится искать финансирование. Например, компания StoreDot обратилась к краудфандингу, где удалось привлечь $6,25 млн инвестиций.

Тиражирование новых разработок обойдется еще дороже. Только для создания новой производственной линии и решения сопутствующих задач, по подсчетам, требуется около $500 млн. Поэтому технологии, которые кажутся чудом, не всегда разрабатывают быстро.

Внедрение новых технологий — дело небыстрое. Ведь даже с момента создания стабильных литий-ионных аккумуляторов до старта серийного производства прошло более 10 лет.

Источник