Краткий обзор текущих и перспективных аккумуляторных технологий

Основной причиной того, что электромобили не полностью взяли на себя транспортную нагрузку, является технологический уровень их высоковольтных аккумуляторов. Несмотря на то, что за последнее десятилетие в этой области были достигнуты огромные успехи, энергоемкость батарей и близко не соответствует энергоемкости жидкого топлива. Святым Граалем автомобильных исследований является батарея со значительно более высокой плотностью энергии, чем то, что доступно в настоящее время. Поэтому мы решили сделать обзор текущих и перспективных аккумуляторных технологий, чтобы Вы были в курсе.

Технологии, используемые в настоящее время

Литий-ион — NCM и NCA катоды

Литий-ионные аккумуляторы появились примерно 30 лет назад, когда Sony представила их в коммерческом устройстве — видеокамере Sony CCD-TR1. Как работает литий-ионный аккумулятор? Если кратко, ионы лития перемещаются от анода к катоду туда и обратно(узнать больше). Во время разряда анод отправляет ионы лития на катод. Ионы лития проходят через жидкие электролиты, а электроны проходят через внешнюю цепь и рекомбинируют на катоде элемента. Во время зарядки происходит обратное.

LG NMC пакетный элемент батареи
LG NMC пакетный элемент батареи
Тип батареи Li-ion NCX
Удельная энергия (Втч/кг батареи) 150-325 (катод с высоким содержанием никеля, силиконовый анод)
Ресурс батареи (циклы) 500-1500
Общая стоимость аккумуляторной батареи (руб/кВтч) 21000-24000
Требуемый вес аккумулятора для поездки на 500 км со скоростью 130 км/ч и средним потреблением 25 кВтч/100 км (кг) 385-830

В настоящее время литий-ионные аккумуляторы высокого напряжения типа NCM и NCA используются почти исключительно в электромобилях. N означает никель, C означает кобальт, M означает марганец и A означает алюминий. В зависимости от процентного содержания этих материалов в катоде батареи достигаются различные характеристики. Например, элемент NCM 712 означает, что он состоит из 70% никеля, 10% кобальта и 20% марганца. В целом, чем выше процентное содержание никеля в батарее, тем выше плотность энергии, которую батарея может обеспечить, что оказывает существенное влияние на вес и размеры аккумуляторной батареи.

Из-за нехватки кобальта в земной коре и сомнительной этики его добычи, производители аккумуляторов стараются использовать химические вещества с меньшим процентным содержанием материала или полностью исключить его. Комбинация катода с высоким содержанием никеля, компоновки ячейки и кремния в аноде может довести его плотность энергии до 325 Втч/кг. Можно сказать, что этот тип батареи близок к своему технологическому пределу.

Литий-ион — LFP катод

Другой альтернативой катода литий-ионных аккумуляторов является использование литий-железо-фосфата. Хотя производительность этого типа батареи обычно ниже, чем у батареи типа NMC, некоторые производители предпочитают ее из-за длительного срока службы и более дешевых и распространенных материалов. Удельная плотность энергии здесь ниже из-за двух основных факторов.

Tesla Model 3 высоковольтная батарея LFP
Tesla Model 3 высоковольтная батарея LFP

Во-первых, потому что максимальное напряжение ниже, а это значит, что при той же емкости получаем меньше кВтч, а во-вторых, потому что ионы лития движутся в одном пространственном измерении (вместо двух в батареях NMC). Тот факт, что ионы лития перемещаются только в одном пространственном измерении, означает, что максимальная мощность разряда батареи также ниже, поэтому этот тип батареи не считается подходящим для высокопроизводительных приложений.

Тип батареи LFP
Удельная энергия (Втч/кг батареи) 120
Ресурс батареи (циклы) >2000
Общая стоимость аккумуляторной батареи (руб/кВтч) 17400
Требуемый вес аккумулятора для поездки на 500 км со скоростью 130 км/ч и средним потреблением 25 кВтч/100 км (кг) 1040

Это причина, по которой Tesla использует эти элементы только для базовой версии Model 3. Однако у этого типа батареи есть два основных преимущества. Его долговечность считается выше, чем у других типов литий-ионных аккумуляторов, и он не только не вызывает проблем при зарядке до 100%, но и является настоятельной рекомендацией для этих аккумуляторов.

Возможные технологии будущего

Литий — Воздушные

Литий-воздушные батареи в настоящее время являются технологическим проектом и находятся в стадии исследований, но этот тип батарей представляется наиболее перспективным из всех и обладает удельной энергоемкостью, аналогичной жидкому топливу со значением в 11,4 кВтч/кг. Литий находится в аноде, а воздух в катоде, и эти два вещества разделены электролитом. Во время разряда ионы лития от анода перемещаются к катоду, где присутствует воздух, и реагируют с кислородом.

Тип батареи Литий-воздушные
Удельная энергия (Втч/кг батареи) 11400
Ресурс батареи (циклы) Очень низкий
Общая стоимость аккумуляторной батареи (руб/кВтч) Неизвестно
Требуемый вес аккумулятора для поездки на 500 км со скоростью 130 км/ч и средним потреблением 25 кВтч/100 км (кг) 11

К сожалению, высокие температуры во время зарядки препятствуют быстрой перезарядке батареи, а образование дендритов во время процесса значительно сокращает срок службы батареи, ограничивая ее использование в настоящее время в лабораторных условиях. Если технологические проблемы будут преодолены, а стоимость будет разумной, то автомобили с ДВС устареют в одночасье.

Твердотельные батареи

Считаются Святым Граалем автомобильных аккумуляторов, и в настоящее время все гиганты автомобильной промышленности проводят обширные исследования. В современных обычных литий-ионных батареях используются жидкие электролиты и сепаратор для отделения анода от катода. В твердотельной батарее жидкий электролит и сепаратор заменены твердым электролитом.

Тип батареи Твердое состояние
Удельная энергия (Втч/кг батареи) 500-600*
Ресурс батареи (циклы) 1000*
Общая стоимость аккумуляторной батареи (руб/кВтч) Неизвестно
Требуемый вес аккумулятора для поездки на 500 км со скоростью 130 км/ч и средним потреблением 25 кВтч/100 км (кг) 200-250
Твердотельные элементы BMW
Твердотельные элементы BMW

Сейчас исследуются различные кандидаты на роль твердого электролита, начиная от металлических и керамических материалов. В настоящее время нет электромобиля с аккумулятором такого типа, однако тенденция позволяет говорить, что в ближайшие 2-3 года появятся первые серийные автомобили. Ожидается, что удельная плотность энергии этой батареи будет вдвое выше, чем у обычной литий-ионной батареи с жидким электролитом, и ресурс на 1000 циклов, но со временем эти прогнозы могут измениться в лучшую сторону.

aKa Ka3aK
Поделится: