Что вы знаете о твердотельных аккумуляторах
За последние несколько лет электрокары продемонстрировали яркий эволюционный скачок, превратившись из невнятно оформленной идеи в класс высокотехнологичных авто. Люди активно покупают транспорт данного типа, а автомобильные бренды всё больше своих моделей переводят на электричество. Тем не менее, как и у любой другой техники, у электромобилей наряду с безусловными плюсами есть и ряд минусов. И самым существенным здесь является аккумулятор.
Автономность не порок?
Самым важным параметром любого экологичного транспортного средства является дальность его хода. Изначально Nissan Leaf, являвшийся первым массовым электромобилем в истории, мог проехать на одном заряде чуть больше 120 км, после чего его тяговую батарею необходимо было заряжать. В далеком 2012 году индустрия электрокаров только зарождалась, поэтому зарядные станции были в буквальном смысле наперечет. Словом, владение электромобилем в то время предполагало больше неудобства, чем пользы.
Но с недавних пор производители наконец-то научили свои «электрички» дальнобойности, а также стремительности и отличной динамике разгона. Средний электрокар без особого напряжения обгонит своего одноклассника с ДВС. Тем не менее тяговый аккумулятор всё еще остается слабым местом в электромобиле.
Причин здесь несколько. Во-первых, современные литий-ионные АКБ достаточно дороги, что напрямую влияет на розничную стоимость электрокара. Во-вторых, эти батареи тяжелы (порой даже слишком), что сказывается на массе «электрички». В-третьих, такие аккумуляторы опасны – короткое замыкание может сжечь дотла гипертехнологичное транспортное средства за очень недолгое время.
Альтернатива есть
Как уже было сказано, в современных электромобилях используются литий-ионные аккумуляторы. Химический процесс в таких АКБ происходит следующим образом: во время реакции ионы лития перемещаются через жидкий электролит с одной стороны аккумулятора на другую его сторону после выделения электрона. Полученные электроны приводят в действие электродвигатель автомобиля. Однако в качестве альтернативы в будущем может применяться технология, называемая твердотельным аккумулятором, в котором жидкий электролит заменяется твердым.
К сожалению, жидкий электролит летуч, горюч и легко воспламеняем, в то время как твердые электролиты инертны, а значит, сделают эксплуатацию электрокаров более безопасной.
Впрочем, простая замена жидкого электролита твердым может фактически снизить плотность энергии. Твердые вещества пропускают электроны не так легко, как жидкости, поэтому поддержание границы раздела между активными материалами и электролитом является сложной задачей. Батарея того же размера обладает более сложной реакцией, что снижает эффективную плотность.
Твердотельные аккумуляторы заменяют жидкий электролит, используемый в традиционных литий-ионных аккумуляторах, твердым электролитом, что также устраняет необходимость в сепараторе. Технология обещает большую плотность энергии и, следовательно, больший радиус действия для электромобилей. Теперь автопроизводителям просто нужно выяснить, как производить эти аккумуляторы в больших масштабах.
Твердотельные аккумуляторы могут решить эту проблему плотности энергии несколькими способами. Аноды традиционных литий-ионных аккумуляторов – это часть аккумулятора, накапливающая литий перед разрядкой. Обычно они изготавливаются из графита. В твердотельных аккумуляторах этот анод заменят литий-металлическим или даже вовсе откажутся от анода. Удельная емкость литий-металлических анодов примерно в 10 раз превышает удельную емкость графитовых, и это означает, что они накапливают больше энергии в меньшем пространстве. На практике это скачок от сегодняшней плотности литий-ионных аккумуляторов, составляющей примерно 250 кВт*ч/кг, к гораздо более высокой – 400 с лишним кВт*ч/кг.
Это позволит увеличить запас хода Volkswagen ID.3 с 260 до 380 миль без снижения скоростных характеристик, тогда как размер тяговой батареи останется тем же.
Ложка дегтя
К сожалению, проблем, связанных с эксплуатацией твердотельных аккумуляторов, тоже немало. Вот почему сегодня мы не видим их в серийном производстве электрокаров. Перемещение лития внутри аккумулятора, будь то зарядка или разрядка, приводит к изменению объема различных компонентов. Эти изменения могут привести к появлению трещин в материале, дефектов и даже пустот, что выведет из строя данный элемент питания.
Граница раздела между литием и твердым электролитом также может увеличиваться, создавая резистивный слой и снижая производительность батареи. На аноде могут образовываться литиевые наросты, называемые дендритами, которые проникают сквозь батарею и в конечном итоге приводят к катастрофическому выходу из строя. В итоге твердотельные аккумуляторы могут буквально разорваться на части из-за накопленной ими энергии.
Трудности не заканчиваются химией. Создание миллиардов таких аккумуляторных элементов поставило бы более сложную задачу – экономически эффективное масштабирование технологии. Существуют серийные образцы твердотельных аккумуляторов для узкоспециализированного использования, но массовое производство электромобилей требует продолжения исследований и испытаний данной разработки.
***
Что же касается перспектив применения твердотельной технологии для батареи, то в 2020 году руководство Toyota объявило о стремлении стать первым автопроизводителем, использующим твердотельные аккумуляторы в серийных автомобилях, не позднее 2025 года. Увы, в прошлом году этот график был пересмотрен и смещен на 2027-й. В свою очередь в Nissan заявили, что собственные твердотельные аккумуляторы этой марки поступят в продажу к 2028 году. При этом исполнительный директор Ford отметил, что компания не ожидает масштабной коммерциализации данной технологии до 2030 года. В любом случае перспективы намечаются самые интересные…
А вот и мои 65 лет
1959 год рождения, вторая серия, летом езжу на повседневе.
BMW X3 E83
Жду вас у себя в инсте polinaa_alex и на DRIVE2 brunettepolly, там много интересного 😉
Ремонт автомобиля своими руками во дворе - обычное дело!
Источник - интересный проект, где два историка воссоздают эстетику и атмосферу прошлого столетия.