Тенденции развития технологий АКБ для электромобилей

№43–44(750) 27 ноября — 3 декабря 2015 г. 25 Ноября 2015 4.3

Предлагаем вниманию читателей подборку новостей об аккумуляторных батареях для автомобильного транспорта.

Автопроизводители уже представили публике модельный ряд 2016 года: более чем очевидно, что электромобили постепенно, но решительно завоевывают свою нишу на рынке транспортных средств. Забавно, но в самом начале 20-го столетия почти четверть всех авто смело можно было считать электромобилями, но вскоре они утратили популярность — главным образом из-за малого запаса хода и слабой мощности батарей (в сравнении с двигателем внутреннего сгорания). Кроме того, их стоимость была существенно выше.

Любопытно, но те же жалобы регулярно звучат и сегодня, несмотря на революционные изменения в технологии производства аккумуляторных батарей, пишет www.brookings.edu. При этом перечень приоритетных задач разработчиков выглядит так: малый вес, компактность, доступность и высокая мощность.

Итак, что нового в индустрии производства аккумуляторов для электромобилей и гибридных автомобилей и какие автомобильные батареи выходят на первый план?

Литий-ионные

Сегодня это основной тип АКБ, устанавливаемый на большинство электромобилей. Скорее всего, доминирование литий-ионной технологии сохранится как минимум на протяжении следующего десятилетия, поскольку несколько автопроизводителей — в частности Tesla и Nissan — инвестируют огромные средства в развитие данной технологии.

Литий-ионные батареи характеризуются большим числом циклов заряда-разряда, но страдают малой энергетической плотностью, т. е. количеством энергии на единицу массы. Кроме того, этот тип батареи приобрел дурную славу из-за перегрева и возгораний (вспомните «Боинги», автомобили Tesla и обычные ноутбуки). Именно поэтому производители не только пытаются добиться более стабильной работы литий-ионных батарей, но и разрабатывают защитные механизмы от перегрева и возгораний.

Как правило, сегодня в производстве таких батарей сейчас применяются графитовые или кремниевые аноды, а также жидкий электролит. Долгое время идеальным вариантом считался литиевый анод (за способность хранить большой объем энергии в малом пространстве — т. е. за высокую энергетическую плотность, а также малый вес). К сожалению, литий во время заряда сильно нагревается и расширяется, что провоцирует утечки ионов лития, а впоследствии — короткое замыкание и снижение срока службы батареи.

Недавно исследователи Стенфордского университета частично решили эту проблему, разработав защитное нанопокрытие для литиевого анода.

Твердотельные

Конструкция твердотельных аккумуляторных батарей характеризуется рядом преимуществ: не надо беспокоиться об утечке электролита или возгорании, срок службы увеличенный, нет нужды в дорогостоящих и занимающих много места системах охлаждения, а также сохраняется функциональность в большом диапазоне температур.

Коммерциализацией этого типа АКБ занимаются такие компании, как Bosch и Sakti3 (при участии General Motors). Проявляют интерес к твердотельным батареям и лидеры автомобильной индустрии — Toyota и Volkswagen.

Алюминий-ионные

Эти батареи близки к литий-ионным аккумуляторам, но оснащены алюминиевым анодом. Такая технология сулит повышенную безопасность и одновременное снижение себестоимости. Тем неменее исследования в этой области все еще находятся в зачаточном состоянии. Исследователи Стенфордского университета недавно нашли оригинальное решение одного из основных недостатков этого типа АКБ — малой цикличности работы, использовав алюминиевый анод в сочетании с графитовым катодом. Это решение позволяет также существенно сократить время зарядки. В настоящее время активные работы по совершенствованию алюминий-ионной технологии АКБ ведутся в американской Национальной лаборатории Оук-Ридж.

[img:75490]

Литий-серные

Данные АКБ, как правило, оснащены литиевым анодом и катодом из серы и углерода. Теоретически они характеризуются более высокой энергетической плотностью (энергоемкостью) и меньшей себестоимостью, чем литий-ионные батареи. Однако, их отличает малое число циклов зарядов-разрядов по причине расширения и вредных реакций в электролите. Это и есть их основной недостаток. Тем не менее в последнее время исследователям удалось увеличить количество циклом разряда таких батарей.

Кстати, именно литий-серные АКБ в сочетании с солнечными панелями на протяжении трех суток обеспечивали полет БПЛА Zephyr-6. Аэрокосмическое агентство NASA инвестирует средства в разработку твердотельных литий-серных АКБ для космических кораблей. Выводом на массовый рынок литий-серных батарей сегодня наиболее серьезно занимается компания Oxis Energy.

Металл-воздушные

Этот тип батарей характеризуется цельнометаллическим анодом и воздушным катодом. Поскольку на долю катода обычно приходится большая часть веса самой батареи, воздушный вариант катода — главное преимущество АКБ данного типа. Выбор металла для использования достаточно широк, но доминирующие позиции сохраняют литий, алюминий, цинк. Большинство разработчиков используют кислород, а не воздух, чтобы избежать нежелательной реакции металла с атмосферным CO2. Кроме того, серьезную проблему представляет процесс получения кислорода из воздуха в достаточном количестве. Более того, чуть ли не все прототипы этой разновидности батарей отличаются малым количеством циклов заряда-разряда и коротким сроком службы.

Естественно, перечисленные выше тенденции — вовсе не все новшества в индустрии производства АКБ, но именно они останутся доминирующими. Нет сомнений, что по мере совершенствования технологии производства аккумуляторов популярность электромобилей будет только возрастать.

Технологические прорывы в этой сфере изменят не только индустрию транспорта, но и станут толчком к перевороту на глобальных энергетических рынках. Сочетание аккумуляторов с источниками возобновляемой энергии приведет к резкому сокращению потребности в нефти, газе и угле и к переменам планетарного масштаба. И несмотря на все недостатки аккумуляторных батарей, их потенциальное глобальное влияние — даже в результате относительно скромных улучшений их характеристик — окажется потрясающим.

Запас хода электромобилей обеспечит дышащая батарея?

Пика популярности электромобилей можно ожидать только тогда, когда этот вид транспорта по запасу хода достигнет показателей авто на ископаемых видах топлива. А для этого необходимо существенно повысить емкость их аккумуляторных батарей. В число лучших на сегодняшний день альтернатив литий-ионным АКБ входят батареи «литий—воздух» (или «литий—кислород»), но перевод данной технологии на коммерческие рельсы выглядит проблематичным из-за серьезных сложностей, пишет журнал Nature.

Тем не менее химики Кембриджского университета предложили более целесообразное решение — так называемую дышащую батарею. Речь, конечно же, пока идет только о лабораторном прототипе, и до коммерческой реализации идеи еще далеко. И все же инновационная комбинация примененных материалов решает многие проблемы с технологией литий-кислород, сообщает www.nature.com.

Литий-воздушные, или дышащие, аккумуляторы накапливают энергию, вырабатываемую в процессе реакции лития с атмосферным кислородом. Потребность в наличии кислорода в АКБ отсутствует, литий отличается малой плотностью, и потому — как минимум в теории — батареи этого типа способны выдавать на килограмм массы столько же энергии, сколько двигатель внутреннего сгорания. Иными словами, их емкость может оказаться примерно в 10 раз выше емкости используемых сегодня в электромобилях АКБ, что позволит преодолевать 800 км на одной зарядке.

Хорошо звучит в теории, но на практике добиться выдающихся результатов от литий-воздушных батарей очень сложно. Дело в том, что в процессе химических реакций образуются нежелательные побочные продукты, забивающие электроды, разрушающие активный материал или вызывающие короткое замыкание. В итоге такие АКБ не выдерживают и нескольких десятков цикла заряда-разряда.

Кембриджское решение выглядит вполне эффективным. Ионы лития, вырабатываемые литий-металлическим отрицательным электродом (анодом) с электролитом, достигают положительного электрода на основе графита (катода). Электрический ток генерируется благодаря перемещению электронов по замкнутому циклу от анода к катоду. При этом в роли электролита британцы используют смесь органического растворителя диметоксиэтана с йодидом лития. В таком электролите реакция ионов с воздухом на катоде приводит к образованию кристаллов гидроксида лития. В большинстве прежних типов батарей побочным продуктом реакции был пероксид лития — твердое вещество белого цвета, осаживающееся на электроде. Его очень сложно удалить в процессе заряда, а вот гидроксид лития при перезарядке быстро распадается.

Новый тип батареи отличается высокой стабильностью — выдерживает сотни циклов заряда-разряда лишь при незначительном понижении емкости АКБ. По расчетам кембриджских исследователей, емкость такой батареи будет как минимум в 5 раз выше емкости стандартных литий-ионных АКБ компании Tesla.

Еще одним новаторским решением британцев стало использование нового материала катода: традиционно исследователи применяют пористый углерод, но ученые из Кембриджа отдали предпочтение относительно новому материалу — оксиду графена.

Разработка выглядит многообещающе, но вопрос коммерческой целесообразности британской новинки все еще не изучен.

Bosch разрабатывает АКБ емкостью 50 кВт.ч весом всего 190 кг

В разработку аккумуляторов повышенной емкости для электромобилей и гибридов Bosch инвестирует 400 млн. евро в год. В компании понимают: для широкого распространения электромобилей на планете необходимо обеспечить это авто аккумулятором емкостью не менее 50 кВт.ч.

Но даже без крепежа и проводки вес такой батареи — в современном исполнении — составит 1,9 т. Столько весят 100 обычных автомобильных АКБ. Современная литий-ионная батарея электромобиля при весе 230 кг обеспечивает хранение от 18 до 30 кВт.ч электроэнергии. Соответственно для достижения желаемой емкости в 50 кВт.ч вес АКБ должен составить от 380 до 600 кг, сообщает www.electric-vehiclenews.com.

В компании Bosch уверены — потенциал лития вовсе не исчерпан, а совершенствование системы литий-ионной батареи позволит «втиснуть» требуемые 50 кВт.ч в батарею весом 190 кг. Более того, по словам немецких специалистов, АКБ нового типа будет заряжаться до 75% всего за 15 минут!

Добиться поставленной цели в Bosch намерены за счет изменения молекулярной и атомной структуры аккумулятора: так, замена графита литием, по расчетам специалистов, позволит повысить емкость существующих батарей в 3 раза. И уже в ближайшие годы новинка от Bosch может появиться в продаже.

Израильская АКБ для электромобиля заряжается за несколько минут

Израильский стартап StoreDot планирует выпустить самую быстро заряжаемую в мире батарею для электромобиля. Так, системы ускоренной зарядки от Tesla способны обеспечить аккумуляторы зарядом для пробега на 170 миль примерно за 30 мин. Израильтяне уверяют, что их новинка обеспечит сотни миль пробега всего за 5 мин.

В середине августа в проект компании инвестировали $18 млн. долл. гигант корейской промышленности Samsung и российский олигарх Роман Абрамович. В целом для реализации проекта компания собрала $66 млн.

Многие разработчики сегодня думают над тем, как увеличить емкость АКБ электромобилей. Некоторые (Tesla и Panasonic) сосредоточили усилия на выпуске недорогих батарей, способных накапливать максимальный объем энергии за один зарядку. Другие пытаются создать роботизированные системы для ускоренной замены севших АКБ заряженными аккумуляторами. Третьи инвестируют средства в строительство зарядочных станций в торговых центрах и на парковках, сообщает fortune.com.

На сегодняшний день лучшие батареи — самый дорогой узел электромобиля — обеспечивают запас хода в 265 миль (примерно 430 км) от одного заряда, а для полной стандартной зарядки требуется несколько часов. Ускоренные зарядные устройства справляются с этой задачей немногим более чем за 30 мин.

Иной путь избрали исследователи StoreDot: они создали принципиально новый тип литий-ионной АКБ, заряжаемой до полной емкости всего за несколько минут — т. е. не дольше времени заправки обычного авто бензином.

Главным препятствием быстрого заряда батареи является ее внутреннее сопротивление. Израильтянам удалось значительно снизить эту характеристику АКБ: за счет использования новых материалов на молекулярном уровне они создали чрезвычайно тонкие (практически прозрачные) электроды.

Батареи нового типа тестируют несколько крупнейших производителей мобильных телефонов, и уже в ближайшем будущем — «через пару кварталов» — израильтяне намерены подписать первый контракт на поставку быстро заряжаемых АКБ.

Появления первого израильского аккумулятора для электромобиля придется ждать гораздо дольше: если все пойдет по плану, в продаже они появятся примерно через 5 лет.

Разработку новых типов АКБ для электромобилей ведут компании Sakti3, QuantumScape, Seeo, XG Sciences, Envia Systems и Solid Energy Systems. Кто из них обойдет конкурентов, покажет время. Лидером рынка АКБ для электромобилей остается Panasonic (39%), а второе и третье места делят корейцы — LG Chem и Samsung SDI.

Квантовые точки из пирита улучшают показатели АКБ

Технология заряда аккумулятора всего за 30 секунд за счет введения в его состав квантовых точек — нанокристаллов в 10 000 раз тоньше человеческого волоса — хорошо известна ученым. К сожалению, эффективность такой батареи сохраняется лишь на протяжении нескольких циклов заряда-разряда.

Тем не менее 11 ноября группа исследователей американского Университета Вандербильдта сообщила о том, что открыла способ, как обойти эту проблему: изготовленные из железного колчедана (т. н. кошачьего золота) квантовые точки обеспечивают ускоренный заряд АКБ без потери емкости на протяжении нескольких десятков циклов.

Примечательно, что железный колчедан — один из наиболее распространенных на планете минералов. Это весьма недорогой побочный продукт добычи угля, а его использование в литиевых батареях позволит удешевить их, сообщает www.sciencedaily.com.

Традиционно в АКБ применяются наночастицы диаметром 10 нанометров, а более мелкие частицы долгое время считались непригодными. Американские ученые опровергли этот миф, применив частицы колчедана диаметром всего 2,5 нанометра и добившись достаточно устойчивой работы аккумулятора.

Естественно, о коммерческом применении технологии говорить пока рано. Однако эта методика выглядит многообещающей, констатируют эксперты. «Аккумуляторы завтрашнего дня, способные заряжаться за секунды и держать заряд сутками, будут разрабатываться не только с помощью нанотехнологий. Для этой цели будут использоваться новые инструменты, позволяющие создавать наночастицы, выдерживающие десятки тысяч циклов заряда-разряда и обладающие энергоемкостью, сопоставимой с бензином», — считают авторы открытия.

Сырьем для АКБ электромобилей может стать свечной нагар

По мнению исследователей Индийского института технологий в Хайдарабаде, идеальным и дешевым сырьем для производства бюджетных, но мощных автомобильных аккумуляторов вполне может стать копоть, образующаяся в процессе сгорания свечи.

По сути свечная копоть — это углерод, но данный материал традиционно считается пригодным только для небольших аккумуляторов, поскольку его использование не позволяет достичь желаемой емкости батареи.

Тем не менее индийские ученые уверяют, что свечной углерод можно и нужно использовать — благодаря необычной форме и конфигурации образующихся в процессе сгорания свечи наночастичек углерода. По их данным, диаметр этих частиц — 30—40 нанометров, и они объединены во взаимосвязанную сеть. Наиболее пригодной ученые из Индии считают копоть, образующуюся в самой верхней части пламени свечи: температура там достигает 1400 градусов, и в углеродных наночастицах практически нет примесей воска.

Более того, теоретические выкладки индусы подтвердили практическими экспериментами, пишет tech.firstpost.com. По их расчетам, для производства одного АКБ для гибридного авто потребуется около 10 кг копоти, которую можно получить всего за час сжигания свечей. «Новый подход прост, а издержки минимальны, и потому производить аккумуляторные батареи для электромобилей станет гораздо дешевле», — констатируют авторы открытия на страницах журнала Electrochimica Acta.

Сегодня ученые заняты созданием прототипа новой батареи для проведения детальной проверки эффективности «свечной» технологии.

К 2020 г. Bosch удвоит емкость автомобильных аккумуляторов

Одна из главных проблем электромобилей — опасение по поводу емкости аккумулятора: многие владельцы переживают, что авто просто не дотянет до зарядочной станции. И этот вопрос останется актуальным до появления зарядных устройств на каждой АЗС.

Похоже, выход из сложной ситуации нашли сотрудники Bosch: компания сообщает о разработке технологии, удваивающей емкость уже существующих АКБ без изменения их габаритов. А это немало дополнительных километров пробега, пишет www.techradar.com.

Твердотельные батареи нового типа от Bosch появятся на рынке в 2020 г. В компании уверяют, что стоимость новинки будет даже ниже современных автомобильных АКБ — благодаря фирменным технологическим решениям Bosch.

Новость обнадеживающая, ведь, по расчетам аналитиков, к 2025 г. около 15% всех выпускаемых в мире авто в той или иной степени будут питаться именно электроэнергией.

500 км на одной зарядке

Немецкий автогигант Audi в партнерстве с LG Chem и Samsung SDI занят созданием аккумуляторной батареи нового типа для спортивного электромобиля с полным приводом Q6 e-tron. После зарядки АКБ способна обеспечить свыше 500 км пробега, сообщает www.electric-vehiclenews.com. Выпускаться корейские аккумуляторы будут на одном из европейских заводов.

Samsung SDI инвестирует миллиард в производство аккумуляторов

Корейская компания Samsung SDI — с явным прицелом на китайский рынок электромобилей — претендует на звание лидера глобального рынка автомобильных аккумуляторов: корейцы построили в Китае гигантский завод по производству АКБ, а в сентябре первая очередь запущена в эксплуатацию, www.electric-vehiclenews.com.

Уже подписаны договора с 10 крупнейшими китайскими производителями авто, и сегодня уникальный завод полного цикла способен снабжать АКБ почти 40 000 машин в год. Прогнозируя существенное повышение спроса на аккумуляторы в будущем, Samsung планирует до 2020 г. вложить еще $600 млн. в создание дополнительной производственной линии для выхода на годовой объем продаж в $1 млрд.

Уважаемые читатели, PDF-версию статьи можно скачать здесь...

BMW осваивает автопилот

Автогигант в сотрудничестве с компаниями Intel и Mobileye сообщает, что модели серии iNEXT...

Премиальный бензин для обычного авто — деньги на...

По данным AAA, только американские автолюбители в 2015 г. переплатили за совершенно...

Будущее начинается сегодня

Уже через 5 лет, если вы закажете в качестве такси автомобиль компании Lyft — главного...

Audi будут «общаться» со светофорами

Компания приступает к выпуску авто, способных в электронном режиме «общаться» со...

Комментарии 0
Войдите, чтобы оставить комментарий
Пока пусто
Блоги

Авторские колонки

Ошибка