Спорт-кар среди АКБ. Путь к массовым электрокарам?

Эта батарея с быстрой зарядкой за 10 минут была разработана для электромобилей, а черный ящик наверху содержит систему управления батареями для управления модулем. Источник.

Всемирная озабоченность изменениями климата заставляет смотреть на планету глобально даже обывателя; что уж тут говорить об учёных и политиках. Даже простой человек понимает, что такие изобретения, как, например, электромобили – будучи внедрёнными повсеместно и заменив собою машины на вредных двигателях внутреннего сгорания – могли бы здорово поправить экологическую ситуацию.

Это – что касается идеалов. Но так ли хороша будет реальность, возникшая вследствие такого идеализированного решения?

В августе Калифорнийский совет по воздушным ресурсам принял обширный план по ограничению и, в конечном счёте, запрету продажи автомобилей с бензиновым двигателем в штате. Таким образом уже к 2035 году крупнейший автомобильный рынок США должен фактически отказаться от загрязняющих окружающую среду ДВС.

Однако, давайте вернёмся к нашему вопросу и посмотрим, чем же это может грозить.

Если мечты производителей сбудутся, и уровни продаж новых машин останутся на прежних позициях, то – учитывая, что это уже будут исключительно электромобили с питанием от перезаряжаемых батарей, – нам необходимо будет преодолеть пару преград. Да, основных недостатка всего два, но они фундаментальны с точки зрения потребительских качеств: аккумуляторы таких машин слишком медленны для зарядки и слишком громоздки, чтобы быть эффективными и доступными. Другими словами, вместо нескольких минут на обычную заправку до полного бака, на зарядку своего супер-экологичного электрокара вы можете потратить целый день; да и починка этого узла большей частью сводится к его весьма дорогостоящей замене.

Например, технологичные литий-ионные батареи – с обогащёнными никелем слоисто-оксидными катодами и графитовыми анодами – достигли удельной энергии (или же плотности заряда батареи) 250–300 Вт*ч/кг, что позволяет построить электромобиль мощностью 90 кВтч с запасом хода 300 миль (более 480-ти км). Между тем, столь грандиозное преимущество рискует оказаться не у дел вследствие банальных экономических вопросов: непомерно высокой стоимости и ограниченности ресурсов. При таких исходных массовое внедрение просто нецелесообразно.

И всё же это не повод отказывать электромобилю в статусе одного из решений важных экологических проблем, ведь мы можем, во-первых, сократить время заряда, а во-вторых, не гнаться за большой ёмкостью аккумуляторов. К тому же одно может быть прямым следствием другого.

Коллектив учёных из Университета Пенсильвании, решив пойти по первому пути, совершил прорыв в конструкции этих самых перезаряжаемых батарей. Да ещё какой прорыв! Разработка позволяет зарядить типичный аккумулятор электромобиля всего за 10 минут. Кроме того, в посвящённой исследованию статье, опубликованной в журнале Nature, было объявлено о рекордной комбинации кратчайшего времени зарядки и большой удельной энергии, увеличивающей дальность хода.

«Потребность в батареях меньшего размера и с более быстрой зарядкой больше, чем когда-либо, – считает Чао-Янг Ван, профессор машиностроения Уильяма Э. Дифендерфера в Пенсильванском университете и ведущий автор исследования. – Просто не хватает аккумуляторов и критически важного сырья, особенно отечественного производства, для удовлетворения ожидаемого спроса».

По заявлениям создателей, новая технология быстрой зарядки способна работать с большинством существующих энергоёмких аккумуляторов и, кроме того, открывает новую возможность уменьшить мощность будущих аккумуляторов со 150 до всего лишь 50 кВтч, не снижая при этом запас хода.  

«Аккумуляторы меньшего размера с более быстрой зарядкой значительно сократят стоимость аккумуляторов и использование критически важного сырья, такого как кобальт, графит и литий, что позволит массовому внедрению доступных электромобилей», – возвращается профессор Ван к вопросу повышения экологичности электрокаров. 

Это оказалось возможным благодаря новому взгляду на суть уплотнения зарядов в батарее. Сама технология основана на внутренней термомодуляции – активном методе контроля температуры, который словно принуждает элементы питания к максимальной производительности. Наверное, многие из читателей заметили, что обычные батарейки работают куда лучше, будучи нагретыми, а если вам и вовсе попадалась почти замороженная батарейка, то вы знаете, что она откажется работать, даже будучи новой, пока не примет комнатной температуры. Так и с автомобильными аккумуляторами: зимой садятся быстрее, а летом быстрее заряжаются.

Да, вся эта гальваника наиболее эффективна будучи горячей, но – и это очень важное «но» – не слишком горячей. Поддержание постоянной температуры батарей при правильной температуре было серьёзной проблемой для инженеров. Исторически они полагались на внешние громоздкие системы нагрева и охлаждения, затрачивая уж слишком много энергии для регулирования температуры батарей, которые к тому же реагировали крайне медленно. 

Вместо этого было решено регулировать температуру внутри питающего элемента. Команда профессора разработала новую структуру батареи, в которой помимо анода, электролита и катода в качестве четвёртого компонента добавлена сверхтонкая никелевая фольга. По словам Вана, выступая в качестве стимула, никелевая фольга самостоятельно регулирует температуру и реактивность батареи, что позволяет осуществлять быструю 10-минутную зарядку практически любого электромобиля.

«Настоящие аккумуляторы с быстрой зарядкой окажут немедленное влияние, – уверенны учёные. – Поскольку сырьевых минералов недостаточно для того, чтобы каждый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания мог быть заменён электромобилем мощностью 150 кВтч, быстрая зарядка необходима для того, чтобы электромобили стали массовыми».

Десятиминутная быстрая зарядка позволяет уменьшить размеры аккумуляторов электромобилей и их цену, почти или совсем не сказываясь на величине пробега. Мало того, основанный на температурной модуляции подход снимает вопрос зависимости от материалов, применяемых в производстве батарей. Но и это ещё не всё.

Вкупе с нагревом, термостабильный электролит на основе двойной соли позволяет всего за 12 минут достичь зарядки аккумулятора, ёмкостью 265 Втч/кг, до уровня 75% в течение более 900 циклов зарядки-разрядки. А ещё в этих результатах кроется успех, сохраняющийся на протяжении аж 2000 циклов, что эквивалентно пробегу в полмиллиона миль (или 804 000 км!), в котором каждая зарядка является быстрой. Такая работоспособность справедлива для 70% заряда АКБ той же ёмкости, но на каждую такую зарядку потребуется всего 11 минут.

Кроме того, сейчас команда профессора занята созданием цифрового двойника такого аккумуляторного блока, чтобы более точно оценить его охлаждение и безопасность. Это также позволит определиться с достаточностью конвекции воздуха для зарядки с термомодуляцией, что предлагает компактный и искробезопасный путь развития от ячейки к упаковке.

Метод быстрой термомодуляции для получения высокоактивных электрохимических интерфейсов только во время быстрой зарядки имеет важный потенциал для реализации как стабильности, так и быстрой зарядки материалов следующего поколения, включая аноды вроде кремния и металлического лития. По словам Вана, компания EC Power, партнёр исследования, уже работает над производством и коммерциализацией аккумуляторов с быстрой зарядкой для доступного и устойчивого будущего электрификации автомобилей.

АРМК, по материалам Университета Пенсильвании.