Твердотопливные аккумуляторы для электромобиля

Чем так хороши твердотельные аккумуляторы?

Электромобиль появился на свет гораздо раньше, чем автомобиль с двигателем внутреннего сгорания – в 1828 году. На протяжении всего XIX и первой половины XX веков этот вид транспорта непрерывно модернизировался. Интерес к нему угас после Второй Мировой войны, когда дешёвое топливо сделало необычайно выгодным производство бензиновых и дизельных агрегатов. Но уже в начале XXI в связи с постоянным увеличением стоимости нефти популярность электромобилей снова стала расти. Принципиальным техническим новшеством стало применение для электромобилей твердотельных аккумуляторов. Такое техническое решение позволяло избавиться от массы проблем, связанных с использованием традиционных жидкостных батарей, в частности, увеличить энергоёмкость, скорость зарядки, значительно снизить размеры.

В нынешнем году доля электромобилей от числа всего мирового автопарка составила 0,7 %. Однако на пути широкого распространения этого вида техники будущего выросли новые проблемы, которые пока остаются не решёнными. Об этом, а также о сроках запуска твердотельного аккумулятора в нашем материале.

Твердотельные батареи – что это?

Принцип конструкции и действия аккумулятора предельно прост. Он состоит из двух металлических пластин: положительно заряженного катода и отрицательно заряженного анода. Пространство между ними заполнено литиевой солью – электролитом, позволяющим частицам металлов передвигаться. Когда батарея заряжается, движение происходит от катода к аноду, когда разряжается – в обратную сторону.

В твердотельном аккумуляторе, как можно догадаться из названия, жидкая среда отсутствует. Электролит представляет собой такую же твердую субстанцию, как катод и анод. При этом он может быть выполнен не только из металлов или их сплавов, но и из полимерных материалов.

Достоинства и недостатки

Замена жидкого электролита на твёрдый позволит сделать батарею намного более компактной, во всяком случае плоской, поскольку для размещения твёрдой сердцевины не требуется много места. Таким образом, без потери мощности можно значительно сэкономить место под капотом и разместить там не одну, а две, три и более батарей. Это в свою очередь позволит сделать двигатель более мощным, а расстояние, которое можно преодолеть на одной зарядке, более большим.

Ещё одним немаловажным достоинством этого технического изобретения является его повышенная безопасность. Агрегат не включает легковоспламеняющихся и токсичных для окружающей среды веществ, а также не выделяет такого количества тепла, как обычный жидкостный.

Это означает, что опасность воспламенения и токсического воздействия значительно снижается.

Следующее преимущество – это повышенная плотность энергии (300-800 кВт*ч/л). Это означает, что батарея намного лучше будет держать заряд и её энергоэффективность возрастёт в несколько раз. По последним исследованиям, твердотельный аккумулятор по показателю энергомощности может превосходить традиционный почти в пять раз. Кроме этого, в десятки раз сокращается время подзарядки. Также немаловажным достоинством является повышенный срок жизнеспособности: батарея с твёрдой сердцевиной способна пережить намного больше циклов зарядки, чем с жидкой.

Теперь о недостатках. Первая, самая серьезная проблема – это поиск новых материалов, подходящих для изготовления твёрдой сердцевины. Вариантов много, каждый имеет свои достоинства, но нередко недостатки их нивелируют или даже перевешивают. Поэтому поиск оптимального варианта продолжается. Наиболее перспективным на сегодняшний день считается вариант с применением серы, которая выступит в качестве катода, и лития (или одного из его сплавов) в качестве анода. В этом случае электролитом станет какой-либо сульфид. Этот вариант устройства позволит увеличить плотность энергии минимум в два раза. Однако сульфидно-литиевая батарея обладает серьёзным недостатком: она пожароопасна.

Второй недостаток – это слишком высокая стоимость исследований и внедрений. Основная масса автомобилей по-прежнему использует жидкие батареи. Технология их производства давно отработана и оптимизирована, производственных мощностей в мире более чем достаточно. Всего этого нельзя сказать о твердотельном аккумуляторе. Для него всё это придется создавать с нуля. Поэтому пока его себестоимость слишком велика.

Когда их ждать?

Несмотря на высочайшую затратность, ведущие мировые автоконцерны продолжают вести разработки по созданию твердотельных батарей. Так, инженерная группа «Самсунг» планирует начать массовое производство агрегатов примерно к 2025 году. Представители концерна «Тойота» настроены более оптимистично и думают начать широкомасштабное внедрение твердотельных аккумуляторов для электромобилей на несколько лет раньше.

Не отстаёт и Китай. Предприятия для массового производства агрегатов начали строить ещё в 2014 году в городе Куньшань. На сегодняшней день в развитие производства вложено более 1 млрд юаней. Интерес к сотрудничеству ещё в 2018 году проявили представители компаний Toyota и Volkswagen.

Источник

Твердотельные батареи: вся информация о новой технологии

Твердотельные батареи также называются твердотопливными – они обещают более высокую плотность энергии и быстрое время зарядки. В этой статье мы разложим по полочкам все, что касается нового вида аккумуляторов.

Твердотельные батареи — что это?

Твердотельные батареи — новая разработка, которая находится на стадии исследований. Их главное отличие от традиционных аккумуляторов заключается в том, что они содержат твердый, а не жидкий электролит. Плотность энергии клеток здесь увеличивается за счет твердой природы вещества, что позволяет хранить больше энергии на килограмм батареи.

Большим преимуществом твердотельных батарей является их пожарная безопасность, которая представляет риск (особенно для обычных литий-ионных батарей) из-за жидкого электролита между анодом и катодом. Добавьте к этому будущую возможность большей емкости, а также более быстрой зарядки.

Согласно данным Штутгартского университета, в настоящее время реализация твердотельных батарей заключается в поиске правильных материалов и их сочетаний для обеспечения хорошей плотности энергии и мощности, безопасности и длительного срока службы при низких затратах на производство.

Например, одной из трудностей в разработке твердотельных батарей является достижение короткого времени зарядки. Из-за низкой силы тока время зарядки аккумуляторов в настоящее время очень большое. Кроме того, поиск материала с такой же высокой ионной проводимостью, как и у жидких электролитов, также является трудностью. Некоторые автомобильные компании, такие как Toyota и Volkswagen, уже инвестировали в производство твердотельных батарей, поскольку они особенно интересны для электромобилей.

Интерес для автомобильной промышленности заключается в том, что твердотельная батарея, как ожидается, будет весить в четыре раза меньше обычных аккумуляторов при том же заряде. Таким образом, электрический автомобиль может достичь четырехкратной дальности пробега с тем же размером батареи.

Ожидается, что постоянное производство твердотельных батарей будет налажено на рынке с 2025 года, но сначала не в автомобильной промышленности.

Источник

До 1000 км на одном заряде: японские разработчики делают ставку на твердотельные аккумуляторы

Первый коммерческий литийионный аккумулятор был выпущен компанией Sony в 1991 году, но сегодня по объёмам их производства лидируют южнокорейские и китайские компании. Чтобы вернуть себе лидерство в технологической сфере, японские производители концентрируются на создании батарей с твердотельным электролитом.

Источник изображения: Nikkei Asian Review

Такие элементы питания, как уточняет Nikkei Asian Review, позволят электромобилям проходить до 1000 км на одном заряде, при этом в меньшей степени зависеть от температурного режима и довольствоваться меньшим весом. Огромное значение внедрение твердотельных аккумуляторов будет иметь и для стационарных систем хранения электроэнергии — это даст новый толчок к распространению ветровых и солнечных электростанций.

Твердотельные аккумуляторы смогут пополнять заряд быстрее, что не менее важно для электромобилей, чем увеличение запаса хода. Японские компании рассчитывают, что смогут первыми вывести на рынок аккумуляторы данного типа. Toyota Motor сотрудничает на этом направлении с Panasonic, готовясь предложить твердотельные аккумуляторы для электромобилей в 2025 году или даже раньше. Murata Manufacturing намеревается наладить производство твердотельных аккумуляторов для смартфонов и носимых устройств к апрелю следующего года.

На этом пути имеются и некоторые технические препятствия. В частности, применяемые для изготовления твердотельных аккумуляторов сульфиды могут выделять газы при контакте с воздухом, а это является проблемой с точки зрения безопасности. Производители также должны усовершенствовать техпроцесс таким образом, чтобы исключить воздействие атмосферной влаги на электролит. Murata сейчас работает над тем, чтобы дополнительно увеличить ёмкость твердотельных аккумуляторов и повысить эффективность их заряда. По мнению японских чиновников, прорыв в данной области позволит стране не отставать от китайских конкурентов.

Источник

Прощай, литий! Твердотельные батареи для электромобилей уже изобретены

Изобретение американского ученого Майкла Циммермана, работающего на проект Ionic Materials, является настоящим прорывом в области твердотельных аккумуляторных батарей. Его открытие позволяет увеличить емкость батарей, сделать их безопасными, и убрать из них самый дорогой и спорный материал – кобальт.

Ionic Materials – это компания, организованная автопроизводителями Renault, Nissan, Mitsubishi, Hyundai и французской нефтегазовой компании Total. Целью проекта является разработка технологий безкобальтовых твердотельных батарей.

Литий-ионные батареи – тупик технологий

За последние 10 лет из просто идеи электромобили превратились в реальность. Если еще в 2010 году во всем мире продавали около 6000 электромобилей и плагин-гибридов, то в 2017 их продажи достигли 1 млн.

До 2030 года автопроизводители собираются выпустить десятки новых моделей электромобилей и гибридов, и каждому из сошедших с конвейера авто понадобится батарея.

В связи с этим по миру стало появляться все больше заводов по выпуску аккумуляторов – за последние 8 лет производство литий-ионных батарей увеличилось в 10 раз. При этом, их производство остается дорогостоящим процессом, а продуктивность таких источников питания достигла своих конечных возможностей.

Кобальтовая зависимость – враг электромобильности

Литий-ионный аккумулятор был изобретен в 1980 году 96-летним американским профессором Оксфордского университета Джоном Гуденафом.

Конструкция литий-ионного аккумулятора

Конструкция современной аккумуляторной батареи предполагает наличие четырех базовых элементов: положительного и отрицательного электрода, сепаратора между электродами, и жидкого электролита. Положительный электрод (катод) покрыт слоем оксидов лития, кобальта, никеля и марганца. Кобальт необходим для предотвращения перегрева батареи, а также обеспечивает ее возможностью к многократной перезарядке.

Но кобальт – это и самый дорогой компонент батареи.

По данным международных бирж, сейчас средняя стоимость кобальта составляет около $12 за 1 кг по сравнению с $8 за 1 кг лития и $5 за 1 кг никеля. На эти три металла приходится четверть стоимости современной аккумуляторной батареи.

При этом, более 60% мировой добычи кобальта, как известно, происходит в Конго, где используется ручной и детский труд.

И хотя сейчас в штате Айдахо и Аляска (США), а также в Австралии запущены проекты по созданию карьеров добычи кобальта, металл на них смогут добывать не ранее 2020 года. Так что единственный способ уйти от «кобальтовой зависимости» – это минимизировать или исключить его совсем из конструкции батареи.

Твердотельная батарея Ionic

Открытие Майка Циммермана лежит в плоскости замены жидкого электролита на твердый, то есть, этот ученый работает над созданием твердотельных аккумуляторных батарей.

Конечно, Циммерман не первый и не единственный, кто над ними работает. Многие компании и автопроизводители вкладывают в развитие этой технологии миллионы долларов, а первый твердый электролит был открыт еще в 1830 году Майклом Фарадеем.

Однако, до сей поры никому еще не удавалось, снабдив аккумуляторную батарею твердым электролитом, добиться от нее безопасности и эффективности. Да и отсутствие кобальта делало батарею невероятно взрывоопасной.

Твердотельная батарея Ionic

Но, Циммерману удалось сделать открытие, устраняющее эти проблемы.

Он создал полимерный огнестойкий материал на основе полифенилсульфида, который в отличие от иных пластмасс, может проводить электроны при комнатной температуре. Этот материал прочен, хорошо поддается механической обработке, способен противостоять воздействию многих химических веществ, вроде концентрированных кислот, метанола, щелочи, органических растворителей и кипящей воды.

Еще в этих аккумуляторах вместо кобальта используются дешевые и распространенные цинк и марганец. Благодаря этому твердотельная батарея Ionic получается дешевой, легкой и не габаритной.

Удивительно и то, что новая твердотельная батарея Ionic не боится повреждений, разрезов, ударов и проколов.

Это видео демонстрирует, как легко от нарушения целостности взрываются и загораются литий-ионные батареи, а твердотельная батарея Ionic изобретенная Майком Циммерманом, никак не реагирует даже в момент, когда ее режут ножницами.

Но, что самое важное: новый твердый электролит придает аккумуляторной батарее Ionic бОльшую, чем у литий-ионных емкость, и наделяет ее свойством выдерживать сотни перезарядок. При тестировании эта батарея выдержала больше 400 перезарядок, но ученые считают, что этот показатель можно еще увеличить.

Конечно, открытый материал еще предстоит доработать и окончательно протестировать. Но его производство является не сложным и не дорогим процессом. Сам изобретатель говорит, что на доработку технологии потребуется около 2 лет, после чего можно будет налаживать серийное производство.

Так что, похоже, предсказания экспертов о появлении коммерчески выгодной, эффективной и безопасной аккумуляторной батареи до 2025 года окажутся верными. На сегодняшний день компания Ionic уже подписала ряд лицензионных соглашений на производство коммерческих версий элементов питания.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник