Твердотельные батареи для авто
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.
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.
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.
Твердотельные батареи: Какие компании находятся на стартовой линии?
Твердотельная батарея обещает значительно больший запас хода для электромобилей, гораздо меньшее время зарядки и большую безопасность. Все больше и больше компаний работают над тем, чтобы подготовить новую батарею к серийному производству. Какие компании находятся на старте, а какие уже сдаются? Обзор.
Обзор производства твердотельных батарей
QuantumScape: пилотное производство неизбежно
Американская компания Quantumscape работает над созданием литий-металлических твердотельных батарей. Согласно собственной информации, Quantumscape удалось оптимизировать батарею таким образом, что она отвечает всем требованиям автомобильной промышленности: Она обладает высокой плотностью энергии, быстро заряжается, безопасна, имеет длительный срок службы и реалистичную рабочую температуру. Самая большая проблема с твердотельными батареями заключается в том, что они не выдерживают достаточного количества циклов зарядки. Компания Quantumscape утверждает, что решает эту проблему с помощью керамического сепаратора.
Важнейшим партнером Quantumscape является Volkswagen. Автопроизводитель строит свою электрическую стратегию в основном на твердотельных батареях и на данный момент инвестировал в Quantumscape 300 миллионов долларов США. VW также уже успешно протестировал первые аккумуляторные элементы стартапа в своих собственных лабораториях. Согласованные технические этапы были достигнуты, о чем VW объявил в апреле.
В настоящее время компания Quantumscape строит первую пилотную установку QS-0 для твердотельных элементов в своей штаб-квартире в Сан-Хосе, Калифорния. После этого компания планирует построить еще один, более крупный экспериментальный завод совместно с VW, который будет называться QS-1. Для этого, в частности, обсуждается площадка VW в Зальцгиттере. Производственная мощность QS-1 составит один гигаватт-час.
Solid Power: конвертируемая твердотельная архитектура
Solid Power, производитель батарей из Колорадо, разрабатывает твердотельную архитектуру для различных химикатов элементов питания и получает финансовую поддержку от BMW и Ford. Платформа Solid Power позволяет создавать различные конструкции батарей. При этом затраты на материал активного катода должны быть снижены на 90 %. В основе лежит твердый электролит на основе сульфида, который можно комбинировать с различными анодами. Возможны металлические литиевые аноды или аноды с высоким содержанием кремния. Используются стандартные и коммерчески зрелые катоды, включая литий-никель-марганец-кобальт-оксид (NMC).
Компания Solid Power утверждает, что она также может использовать недорогие катоды с высоким удельным преобразованием энергии, которые не подходят для химического состава ячеек с жидким электролитом. В сочетании с металлическим литиевым анодом катод в этом случае обходится без кобальта и никеля, что объясняет высокую экономию в 90 процентов.
Solid Power планирует предоставить своим партнерам BMW и Ford твердотельные батареи емкостью 100 ампер-часов для первоначальных проверочных испытаний в начале 2022 года. Основным преимуществом технологии является то, что батареи можно производить на существующих производственных мощностях.
Toyota: прототип в этом году?
Toyota, наоборот, идет другим путем, нежели ее конкуренты, и работает над созданием собственной твердотельной батареи. Японцы хотят первыми представить батарею, готовую к серийному производству. Они анонсировали твердотельную батарею для дальности хода 500 километров, которую можно зарядить за десять минут. Прототип был анонсирован на этот год, он должен быть готов к Олимпийским играм. Пока никаких новых анонсов нет, поэтому остается неизвестным, покажет ли Toyota прототип в этом году.
Blue Solutions: пионер в области твердотельных батарей для электробусов
Компания Blue Solutions потратила более 20 лет на исследования своих твердотельных батарей и несколько лет назад вывела технологию на коммерческую основу. Единственная загвоздка с батарейками: Они работают только при температуре от 50 до 80 градусов Цельсия. Поэтому они не подходят для использования в электромобилях, так как их необходимо разогревать перед каждым использованием. С другой стороны, для городских электробусов или других транспортных средств, используемых постоянно, они подходят идеально. Твердотельные батареи Blue Solutions имеют плотность энергии 250 Вт-ч/кг и выдерживают 4 000 циклов зарядки без потери емкости.
Factorial Energy: первый твердотельный элемент, работающий при комнатной температуре
ProLogium и VinFast: электромобили с твердотельными батареями с 2023 года
Тайваньский производитель аккумуляторных элементов ProLogium, напротив, утверждает, что он уже там. Компания утверждает, что разработала первый и единственный в мире твердотельный аккумулятор, готовый к серийному производству. Они будут устанавливаться в электромобили вьетнамского производителя VinFast с 2023 года. Пока неясно, будут ли эти планы реализованы в заявленном виде.
SolidEnergy Systems (SES): пока нет твердотельных батарей
CATL и Fisker: «Твердотельным батареям еще нужны годы»
С точки зрения китайского производителя батарей CATL, в ближайшее время твердотельные батареи не будут готовы к серийному производству. CATL работает над технологией уже несколько лет и утверждает, что может производить образцы твердотельных батарей. Однако для массового производства останутся нерешенные проблемы. CATL заявила, что производство настоящей твердотельной батареи и доведение ее до коммерческого использования является принципиально очень сложной задачей. До массового производства твердотельных батарей еще много лет.
К такому же выводу пришел и производитель автомобилей Fisker Inc, который планировал спортивный автомобиль с твердотельной батареей. Между тем, компания Fisker отказалась от этих планов после нескольких лет собственных разработок и предполагает, что батареи этого типа появятся на рынке не раньше середины десятилетия. Генеральный директор компании Fisker Хенрик Фискер сказал: «Это такая технология, когда вы чувствуете, что уже на 90 % достигли цели. Пока не поймешь, что последние 10 % гораздо труднее, чем первые 90».
Заключение
Хотя многие компании занимаются разработкой твердотельных технологий, Blue Solutions является единственным производителем, который уже выпустил на рынок твердотельную батарею. Quantumscape кажется наиболее близким к массовому производству электромобиля. Что касается остальных производителей, то пока неясно, как будут развиваться события и удастся ли реализовать заявленные планы. опубликовано econet.ru по материалам energyload.eu
Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ: