Как аккумуляторы электромобилей станут лучше даже без серьезного прорыва

 

Наступит время, когда электромобили будут регулярно работать на расстоянии в сотни миль от батарей, которые работают десятилетиями и заряжаются даже быстрее, чем вы можете заполнить бак бензином. Множество учёных по всему миру неустанно работают над тем, чтобы сделать подобные представления следующего поколения реальностью. Но до этих квантовых скачков всегда кажется, что осталось пару лет, что не очень хорошо для тех, кто хочет в ближайшее время купить электромобиль.

Означает ли это, что мы навсегда застряли с электромобилями, которые теряют треть своего запаса хода на морозе и иногда заряжаются часами? Ни за что. Реальность такова, что с каждым годом батареи становятся немного лучше, и это устойчивое движение уже сделало электромобили реальностью и обещает в свое время привести нас к этим крупным прорывам.

Давайте углубимся в эти обещания и различные другие изменения, которые рано или поздно произойдут с аккумулятором электромобиля рядом с вами.

Определение Понятия «Лучше»

Есть много способов улучшить аккумуляторы, но прежде чем мы углубимся в технические детали, сначала нам нужно определить, что мы подразумеваем под словом «лучше».

Имеем ли мы в виду батарею, которая заряжается быстрее? Как насчет батареи, которая работает дольше или лучше работает при высоких температурах? В идеале ответ «да» по всем направлениям. Но это не так просто. Увеличение одного аспекта производительности аккумулятора электромобиля может фактически снизить другой.

Подобно тому, как более твердая шина продлевает срок службы, но ухудшает сцепление с дорогой, аккумулятор, который можно заряжать бесконечно, может не удерживать много энергии за один заряд.

Общие номинальные параметры производительности аккумулятора включают в себя:

  • Стоимость. Насколько дорого производить эту батарею, как с точки зрения сырья, сложности производства, так и энергоемкости.
  • Жизненный цикл. Сколько раз эту батарею можно заряжать и разряжать, прежде чем ее нужно будет отправить на переработку или использовать для хранения в сети?
  • Плотность мощности. Сколько киловатт-часов электроэнергии может хранить упаковка заданного веса или объема?
  • Безопасность. Насколько хорошо эта батарея противостоит возможным катастрофическим повреждениям при перегреве или повреждении?
  • Устойчивое развитие. Сколько редких материалов из конфликтных мест требуется для этой батареи? И насколько он подлежит вторичной переработке?
  • Тепловые характеристики. Насколько хорошо эта батарея работает в Альберте в феврале или в Финиксе в июле?

На эти характеристики самым непосредственным образом влияет химический состав батареи.

Развивающаяся Химия

Разрежьте батарею (что мы категорически не рекомендуем делать, к сведению), и вы увидите внутри неприятные на вид материалы, часто токсичные и часто нестабильные, смесь металлов, минералов и соединений, ответственных за химическую реакцию. что в конечном итоге сохраняет электрический заряд.

Именно химический состав этих веществ в целом определяет характеристики батареи по различным критериям, упомянутым выше.

«Думайте об изменении химии как о смене платформы», — сказал Муджиб Иджаз, генеральный директор Our Next Energy (ONE) . ONE работает над аккумуляторными технологиями следующего поколения для хранения энергии, а также использования электромобилей. «Например, свинцово-кислотные технологии отличаются от никель-металлогидридных и литий-ионных», — сказал Иджаз. «Литий-ионные имеют более высокую мощность, а некоторые — более высокую энергию. И они имеют разную летучесть».

Даже среди литий-ионных аккумуляторов существует огромное разнообразие между химическим составом отдельных аккумуляторов и материалами, используемыми для изготовления отдельных компонентов. Обычно это означает анод, катод и электролит между ними.

«Катод окажет значительное влияние на плотность энергии, стоимость и термическую стабильность», — сказал Джейсон Келлер, технический директор Chemix. «Анод оказывает существенное влияние на то, насколько быстро вы сможете его заряжать, а также на плотность энергии и, в некоторой степени, на стоимость. И обе эти вещи по-разному влияют на срок службы», — сказал он.

Chemix использует искусственный интеллект, в частности машинное обучение, чтобы разобраться в бесконечных комбинациях материалов и химикатов и найти оптимальные комбинации для высокопроизводительных аккумуляторных элементов.

Сама оптимизация катодной части уравнения включает в себя множество переменных. Коллер ссылается на кобальт, используемый в качестве стабилизатора для увеличения эффективного жизненного цикла батареи: «В идеале мы хотели бы избавиться от него, потому что это конфликтный минерал, и он дорогой», — сказал он. «Однако проблема, когда вы избавляетесь от него, заключается в том, что вы в некоторой степени ухудшаете стабильность электродов, поэтому вы не сможете получить столько циклов заряда и разряда, если не сможете улучшить его в другом месте».

Таким образом, оптимизация батареи по сути похожа на огромную и сложную математическую формулу, в которой несколько входов создают разные измерения. Хитрость заключается в том, чтобы найти правильные входные данные в нужных количествах для получения наилучшего результата.

«Это становится своего рода беспорядком при сопоставлении этого многомерного входного пространства с этим выходным пространством», — сказал Келлер. «И вот здесь-то и проявляется машинное обучение, потому что именно это и делает машинное обучение: находит корреляции в данных и извлекает взаимосвязи между входными и выходными данными».

Таким образом, говорит Келлер, исследователи из Chemix могут виртуально проводить «от сотен тысяч до миллионов тестов каждый день», а затем выбирать только наиболее многообещающие комбинации для реальных физических испытаний. Келлер говорит, что компания Chemix разработала прототипы аккумуляторов, которые при оптимизации срока службы обеспечивают в два-три раза больше циклов зарядки/разрядки, чем современные традиционные аккумуляторы. Или, когда программам Chemix предлагается уделять приоритетное внимание плотности энергии, их прототипные элементы обеспечивают 20-процентный прирост.

Другими словами, аккумуляторы, которые служат дольше или позволяют вашему автомобилю ездить дальше.

Батареи Внутри Батарей

Как аккумуляторы электромобилей станут лучше даже без серьезного прорыва

Легко представить батарею внутри электромобиля как одну большую кучу вредных веществ, но на самом деле это множество разных ячеек, объединенных вместе, чтобы сформировать одну большую батарею, которая в конечном итоге заставляет автомобиль двигаться.

Учитывая это, а также то, насколько специализированными могут быть химический состав и конструкция некоторых аккумуляторов, у ONE возникла блестящая идея создать единый аккумуляторный блок, который на самом деле представляет собой два набора аккумуляторных элементов . Компания называет его Gemini.

Половина упаковки состоит из литий-ионных элементов, называемых фосфатом лития-железа или LFP. «Многие в отрасли уже более двух десятилетий знают, что LFP имеет лучшую структуру затрат, лучшую цепочку поставок, лучшую безопасность, лучшую долговечность и больший срок службы», — сказал Иджаз из ONE. «Одна из проблем, которую LFP не удалось решить, — это обеспечение достаточной плотности энергии для достижения целевых показателей дальности».

Более низкая плотность энергии означает меньшее количество миль от данной батареи, которая весит заданное количество, а это означает, что более крупные и тяжелые батареи обеспечивают тот запас хода, который мы хотим от современного электромобиля. Чтобы решить эту проблему, другая половина аккумуляторной батареи ONE состоит из аккумуляторных элементов безанодной конструкции.

В традиционной литий-ионной батарее ионы лития перемещаются между катодом (положительным) и анодом (отрицательным) и эффективно собираются на них, когда батарея разряжается и заряжается. Анод обычно изготавливается из графита и по сути служит безопасным местом для жизни ионов лития, когда аккумулятор заряжается.

В безанодной батарее все ионы лития поступают из катода, эффективно образуя литий-металлический анод на простом медном токосъемнике во время первой зарядки. «Удалив графит, мы снизили затраты», — сказал Иджаз. «Мы также удалили компонент, к которому предъявляются требования по массе и объему. Обратной стороной этого является то, что срок службы цикла составляет примерно одну десятую от срока службы обычного элемента».

Это означает, что на одной зарядке небольшого и легкого рюкзака можно проехать много миль. Но это аккумулятор, который нельзя перезаряжать слишком часто, пока он не изнашивается.

Объединив эти безанодные элементы с элементами LFP, которые проезжают меньше миль, но имеют больший срок службы при перезарядке, вы получаете то, что ONE называет «двойной батареей». Идея состоит в том, чтобы подключаться к безанодной стороне только тогда, когда вам нужны длительные поездки.

Сколько? По оценкам ONE, батарея Gemini может обеспечить дальность действия до 150 миль только со стороны LFP. Нужно идти дальше? Воспользуйтесь полным пакетом, и вы сможете увидеть дальность действия более 600 миль.

Чувствительность К Температуре

Как аккумуляторы электромобилей станут лучше даже без серьезного прорыва

Хотя современные аккумуляторы гораздо лучше справляются с экстремальными температурами, чем те, что были всего несколько лет назад, электромобили по-прежнему лучше всего работают при умеренных температурах. «Как правило, при высоких температурах батареи работают лучше, но изнашиваются быстрее», — сказал Келлер из Chemix. «И при низких температурах они работают не так хорошо, но служат дольше».

Чем ниже температура, тем хуже. «Среди экстремальной жары и экстремального холода гораздо более сложной проблемой является экстремальный холод», — сказал Иджаз. При температуре -30 градусов по Цельсию (-22 по Фаренгейту) жидкие или гелеобразные электролиты внутри батареи, которые переносят ионы лития, фактически замерзают. «Итак, достичь температуры -40 очень и очень сложно, потому что в этот момент электролит не обладает подвижностью», — сказал он.

Одним из решений является просто использование батарей большей емкости, чтобы эффективные потери были ниже. Однако Иджаз говорит, что более мощные конструкции электродов могут смягчить это явление, позволяя снизить выработку электроэнергии даже при более низких температурах. «Вы можете эксплуатировать автомобиль на такой низкой мощности до тех пор, пока он не затвердеет за счет саморазогрева, повышая локальную температуру электрода», — сказал он.

Некоторые новые конструкции физических упаковок включают в себя более совершенную систему самонагревания, в том числе резистивную фольгу, которая нагревает элементы изнутри, но имеют недостаток, связанный с дополнительной стоимостью и объемом.

Келлер говорит, что Chemix работает над решением этой проблемы, предлагая еще больше химических вариаций: «Настройка состава электролита (в частности, смесей растворителей, а также солей и добавок) может расширить температурный диапазон, как и добавление легирующих добавок к катоду для улучшения свойств ионного переноса. ,” он сказал. «У нас есть некоторые интересные результаты по улучшению низкотемпературных характеристик в этом направлении».

Кроме того, в этом отношении может помочь переход на твердотельные батареи (о которых мы поговорим чуть позже). Твердотельные аккумуляторы заменяют жидкие электролиты твердыми. Отсутствие жидкости означает отсутствие замерзания.

Возможность Вторичной Переработки

Как аккумуляторы электромобилей станут лучше даже без серьезного прорыва

Хотя мы склонны думать о характеристиках аккумулятора с точки зрения того, как далеко он сможет проехать, возможность вторичной переработки также является важным аспектом общей производительности аккумулятора. В конце концов, электромобили должны быть лучше для нашей окружающей среды, и это никому не принесет особой пользы, если их пакеты будут одноразовыми.

У нас есть подробное объяснение нынешних и будущих технологий переработки аккумуляторов, если вы хотите более глубоко погрузиться в них, но на более высоком уровне есть несколько способов, с помощью которых аккумуляторы становятся лучше пригодными для вторичной переработки.

На первом месте снова идет машинное обучение и искусственный интеллект. Redwood Materials, компания, основанная в 2016 году бывшим техническим директором Tesla Дж. Б. Штраубелем, использует алгоритмы машинного обучения для улучшения процессов идентификации и разборки упаковок. «Он становится умнее, чем больше батарей он видит, и мы это видели», — сказал нам вице-президент Redwood по развитию бизнеса Джексон Свитцер. «Мы увидели там невероятный успех».

Другой путь – стандартизация. Разрабатывая батареи с элементами и модулями стандартного размера, их можно все чаще ремонтировать, а не перерабатывать. Это может означать разборку, очистку и повторное использование частей отозванного, но в остальном исправного аккумуляторного блока, вместо того, чтобы бросать его целиком в мясорубку, превращать его в смесь тяжелых металлов, называемую «черной массой», и пытаться выделить элементы из там.

Но если аккумулятор действительно разбивается на такие мелкие кусочки, из полученного беспорядка могут родиться более совершенные аккумуляторы. «Черная масса, когда она очищена, лучше, чем использование первичного материала», — сказал нам Брайан Скаловский, директор по переработке аккумуляторов компании Cox Automotive Mobility EV Battery Solutions.

Наконец, если ничего не помогает, даже устаревшие аккумуляторы для электромобилей хорошо подходят для использования в промышленных хранилищах, либо в качестве резервного источника питания для предприятий, либо в более крупных установках, подключенных непосредственно к сети. Таким образом, их можно заряжать при избытке выработки электроэнергии, часто ночью, а затем истощать ее в периоды высокого спроса.

Твердое Состояние

Как аккумуляторы электромобилей станут лучше даже без серьезного прорыва

Последним шагом вперед является технология, называемая твердотельными батареями. Большинство экспертов сходятся во мнении, что до массового производства осталось еще около десяти лет, поэтому из всех улучшений здесь это потребует наибольшего терпения. Но технология проверена; инженеры просто прорабатывают более мелкие детали, чтобы довести его до производства.

Если вам интересна эта технология, вы захотите ознакомиться с нашим подробным обзором твердотельных батарей здесь , но вкратце это то, что сегодняшние типичные литий-ионные батареи основаны на растворе жидкого электролита, который позволяет ионам течь с анода. к катоду или наоборот. В твердотельной батарее сепаратор между анодом и катодом представляет собой твердый, часто керамический материал, который обеспечивает поток ионов напрямую, без необходимости использования электролита.

Это изменение должно привести к тому, что батареи будут иметь более высокую плотность, заряжаться гораздо быстрее и будут более термически стабильными, а также будут иметь более высокие характеристики при низких температурах и значительно меньший риск возгорания. Другими словами, они могут и должны обеспечить повсеместное улучшение производительности, но есть некоторые проблемы. Самый большой? Расходы.

Для твердотельных аккумуляторов потребуется в пять-десять раз больше лития, чем для сегодняшних аккумуляторных блоков, а этот ресурс уже сейчас крайне дефицитен. Кроме того, необходимы дальнейшие исследования, чтобы предотвратить образование внутренних дефектов, называемых дендритами, которые похожи на микроскопические сталактиты и могут вызвать короткое замыкание и выход батарей из строя.

Как только эти проблемы будут решены, мы сможем рассмотреть батареи с плотностью в два-три раза выше, чем у нынешних элементов.

Медленно И Уверенно В Будущее

Хотя твердотельные аккумуляторы могут совершить революцию в мире электромобилей, сегодняшнему скромному литий-ионному аккумулятору и его различным производным, таким как LFP, еще предстоит пройти долгий путь.

«Я думаю, что всегда есть куда расти», — сказал Иджаз из ONE. «Если вы оглянетесь назад и подумаете об улучшении по сравнению с прошлым годом, то в среднем примерно на 6 процентов в годовом исчислении улучшение аккумуляторов и развитие материалов. Так что я думаю, что мы ни в коем случае не закончили».

И, конечно же, на горизонте есть еще большие шаги.

Иджаз указывает на свежие исследования в области так называемого многоэлектронного преобразования, которое основано на той же фундаментальной конструкции батареи, что и сегодня, но радикально меняет химические реакции внутри. «Эти химические процессы обычно имеют гораздо более высокую плотность энергии, потому что на каждый ион приходится более одного электрона», — сказал Иджаз. Больше электронов из батареи того же размера, доставляющих такое же количество ионов, будет означать удвоение или утроение дальности и производительности аккумуляторов не больше и тяжелее, чем сегодня.

Иджаз говорит, что этот тип клеток — это следующий рубеж. Вы знаете, что это значит: вам придется быть немного более терпеливым в этом вопросе.

Похожие записи