Чому більше не всі їздять на електромобілях? Оскільки їхні акумулятори дорогі, початкова вартість електромобіля набагато вища, ніж у аналогічної моделі, що працює на бензині. І якщо ви багато не їдете, економія на бензині не компенсує високу ціну придбання.

Подібним чином, діючі акумулятори не забезпечують достатньої щільності енергії для використання у комерційних літаках. Щоб це сталося, нам потрібен великий прорив у технології акумуляторів. Незважаючи на те, що перша батарея була винайдена в 1799 році, навіть після більш ніж двох століть ретельних досліджень, вчені досі не розуміють багато з того, що саме відбувається в цих пристроях. Але ми знаємо, що в основному потрібно вирішити три проблеми, щоб акумулятори справді змінили наше життя: продуктивність, енергія та безпека.

Літій-іонний акумулятор не підходить для пристроїв усіх розмірів
Кожна батарея має два електроди: катод і анод. Більшість анодів літій-іонних батарей виготовляються з графіту, але катоди виготовляються з різних матеріалів залежно від того, для чого використовується акумулятор. На малюнку ви можете побачити, як різні катодні матеріали змінюють характеристики різних типів батарей шести розмірів.

зробити

Проблема енергії
Що стосується акумуляторів, то важливо розрізняти потужність та енергію. Потужність - це фактично швидкість, з якою може виділятися енергія. Акумулятор, який є досить сильним, щоб літак міг злетіти і утримати його в повітрі на відстані 1000 км, повинен мати багато енергії і мати можливість випустити його за дуже короткий час, особливо під час зльоту. Вирішення енергетичної проблеми вимагає детального розгляду комерційних акумуляторів. Нові акумуляторні технології часто викликають завищену суєту, оскільки більшість людей не знають деталей.

Найдосконаліша на сьогодні хімічна батарея - це іон-літій. Більшість експертів сходяться на думці, що жодна інша хімічна батарея не витіснить її ще протягом десяти років. Літій-іонна батарея має два електроди (катод і анод) із сепаратором (матеріал, який проводить іони, але не електрони, який призначений для запобігання короткому замиканню), між ними знаходиться електроліт (зазвичай рідина), щоб іони літію могли протікати назад між електродами. У міру заряджання акумулятора іони переходять від катода до анода; коли щось живиться від батареї, іони рухаються в протилежному напрямку.

Уявіть два нарізані буханки хліба, кожен з електродами: лівий - катод, а правий - анод. Припустимо, що катод складається з пластин нікелю, марганцю та кобальту (NMC), а анод виготовлений з графіту, який по суті є шарами атомів вуглецю. У розрядженому стані (після вичерпання енергії) хліб NMC має іони літію, вставлені між кожним зрізом. Коли акумулятор заряджається, усі іони літію витягуються з лопатей і змушуються проходити через рідкий електроліт. Сепаратор діє як контрольно-пропускний пункт, який забезпечує проникнення в графітовий хліб лише іонів літію.

Коли батарея повністю заряджена, на катодному батоні батареї немає іонів літію; все буде елегантно розміщено між скибочками графітового батона. Коли енергія акумулятора споживається, іони літію повертаються до катода. Ємність акумулятора визначається по суті тим, наскільки швидко відбувається цей процес. Ну, не так просто збільшити його швидкість. Швидке виснаження іонів літію з катодного батону може призвести до дефектів вафельних пластин і, врешті-решт, до їх розпаду. Це одна з причин, чому акумулятор погіршується після тривалого використання смартфона, ноутбука чи електромобіля. Кожен заряд і розряд призведе до того, що коровай трохи ослабне.

Різні компанії працюють над вирішенням проблеми. Одна ідея полягає в тому, щоб замінити шаруваті електроди чимось структурно міцнішим. Наприклад, швейцарська компанія Leclanché працює над технологією, яка використовує в якості катода фосфат заліза літію, який має "олівінову" структуру, а анодом - оксид літію титану, який має структуру "шпінелі". Ці структури краще маніпулюють потоком іонів літію. В даний час Leclanché використовує свої акумуляторні елементи в автономних складських автонавантажувачах, які можна зарядити на 100% за дев'ять хвилин. Для порівняння, найкращий нагнітач може зарядити електричний автомобіль Tesla до 50% за 10 хвилин.

Як показує приклад Leclanché, хімічні речовини акумуляторів можна відтворювати, щоб підвищити їх ефективність. Тим не менше, ще ніхто не створив акумулятор, який є настільки потужним, щоб швидко подавати енергію, необхідну для комерційного літака. Стартапи намагаються побудувати менші літаки (місткістю до 12 осіб), які могли б літати на батареях із відносно меншою потужністю, або працювати на електричних гібридних літаках, де паливо буде виконувати важку роботу під час зльоту, а батареї будуть служити під час Політ. Однак жодна компанія не близька до комерціалізації своїх технологій.

Електричний автомобіль Tesla Model 3, найдоступніший автомобіль компанії, починається з 35000 доларів. Він містить акумулятор потужністю 50 кВт-год, вартість якого становить приблизно 8 750 доларів США, що становить 25% від ціни автомобіля. У той же час це вже можна вважати низькою ціною. За даними Bloomberg, середня глобальна вартість літій-іонних акумуляторів у 2018 році становила близько 175 доларів за кВт-год, але в 2010 році - майже 1200 доларів за кВт-год. За даними Міністерства енергетики США, коли вартість батарей опуститься нижче 125 доларів за кВт-год, володіння та експлуатація електромобіля буде дешевшим, ніж бензиновий автомобіль.

Одним із способів досягти цього є збільшення щільності енергії батарейок - так що більше кВт-год запакується в акумулятор без зниження ціни. У випадку з хімічною батареєю цього теоретично можна досягти, збільшивши щільність енергії або катода, або анода, або обох. Найбільш енергійним катодом, що призводить до комерційної доступності, є NMC 811 (цифри вказують на співвідношення нікелю, марганцю та кобальту в суміші). Найбільша його проблема полягає в тому, що він може витримати лише відносно невелику кількість циклів заряду і розряду до того, як припинить працювати.

Однак експерти прогнозують, що проблеми NMC 811 повинні бути вирішені протягом найближчих п'яти років. У цьому випадку батареї, що використовують NMC 811, матимуть вищу щільність енергії на 10 і більше відсотків. Однак збільшення на 10% - не такий вже й великий успіх. Хоча за останні кілька десятиліть інновації підвищили щільність енергії катодів, найбільший потенціал для збільшення щільності енергії є на стороні анода. Графіт залишається домінуючим анодним матеріалом. Він недорогий, надійний та порівняно енергетично щільний у порівнянні з сучасними катодними матеріалами. Але він досить слабкий у порівнянні з іншими потенційними анодними матеріалами, такими як кремній та літій. Наприклад, кремній теоретично набагато краще поглинає іони літію, ніж графіт. Тому деякі компанії намагаються додати кремній в конструкцію анода для графіту.

Більшим успіхом було б розробити комерційно життєздатний анод, повністю виготовлений із кремнію. Але деякі особливості цього елемента ускладнюють. Коли графіт поглинає іони літію, його обсяг не сильно змінюється. Але коли кремнієвий анод зростає, він зростає в чотири рази від початкового обсягу. На жаль, неможливо збільшити корпус, щоб вмістити таке збільшення обсягу, оскільки розширення порушує т.зв. тверда електролітна інтерфаза (SEI). SEI можна уявити як свого роду захисний шар, який створює анод, подібно до того, як залізо утворює іржу (оксид заліза), щоб захистити себе від стихій. Коли ви залишаєте шматок щойно кованого заліза надворі, він повільно реагує з киснем у повітрі, щоб іржавів. Під шаром іржі решта заліза не страждає і, таким чином, зберігає свою структурну цілісність.

В кінці першого заряду акумулятора електрод утворює власний шар «іржі» - SEI - відокремлюючи нерозмиту частину електрода від електроліту. SEI зупинить подальші хімічні реакції та забезпечить, щоб іони літію могли текти якомога плавніше. Але з кремнієвим анодом SEI розпадається щоразу, коли батарея використовується для живлення. Під час кожного циклу зарядки витрачається трохи кремнію, поки остаточно акумулятор не перестане працювати. В останні роки кілька стартапів з Кремнієвої долини працюють над вирішенням цієї проблеми. Наприклад, Silo Nano хоче інкапсулювати атоми кремнію в наномасштаб з порожнім простором всередині. Таким чином, SEI утворюється на зовнішній стороні оболонки, і розширення атомів кремнію відбувається всередині, не порушуючи SEI після кожного циклу заряду та розряду. Компанія заявляє, що її технологія буде готова до використання обладнання вже в 2020 році.

Enovix, у свою чергу, застосовує спеціальну технологію виготовлення, яка чинить величезний фізичний тиск на кремнійодний анод, змушуючи його поглинати менше іонів літію, обмежуючи його розширення та запобігаючи порушенню СЕІ. Компанія, в яку інвестували як Intel, так і Qualcomm, очікує, що її батареї з'являться в пристроях до 2020 року. Однак такі компроміси означають, що кремнієвий анод не може досягти теоретично високої щільності енергії. Але обидві компанії стверджують, що їх аноди працюють краще, ніж графітові аноди.

Однак вкладання дедалі більше енергії в батареї може шкодити їх безпеці. З моменту свого винаходу літій-іонна батарея, як відомо, часто запалюється. З недавнього минулого ми знаємо вибухи літій-іонних батарей смартфонів Samsung Galaxy Note 7 у кишенях людей. Це призвело до виведення смартфона з ринку, що обійшлося південнокорейській компанії в 5,3 млрд доларів.

Сучасні літій-іонні акумулятори все ще є ризикованими, оскільки вони майже завжди використовують легкозаймисті рідини як електроліт. Рішенням може бути використання твердих електролітів. Однак це означає інші компроміси. Це пов’язано з тим, що рідкий електроліт контактує з кожним шматочком електродів, завдяки чому він може ефективно переносити іони. З твердими речовинами цього набагато важче досягти. Дотепер комерційне використання літій-іонних батарей з твердими електролітами обмежувалось низькопродуктивними програмами, такими як датчики, підключені до Інтернету.

Зусилля щодо створення батареї без рідкого електроліту можна розділити на дві групи - одна використовує тверді полімери при високих температурах, інші - кераміку при кімнатній температурі. Полімери - це довгі ланцюги пов'язаних молекул. При нагріванні деякі типи полімерів поводяться як рідини (мають високу іонну провідність), але без займистості рідких електролітів, що використовуються в більшості батарей. Але вони також мають обмеження. Вони можуть працювати лише при температурі вище 105 ° C, а це означає, що їх практично не можна використовувати для смартфонів. Однак їх можна використовувати, наприклад, для накопичення енергії мережі в побутових акумуляторах.

В останнє десятиліття було показано, що два класи кераміки - LLZO (літій, лантан і цирконій) і LGPS (літій, германій, сульфід фосфору) - здатні виконувати іони майже так само добре, як рідина при кімнатній температурі. Toyota і стартап QuantumScape працюють над введенням кераміки в літій-іонні акумулятори. Залучення великих гравців може свідчити про те, що прорив може бути ближчим, ніж багато хто думає. Акумулятори - це вже великий бізнес, і їх ринок постійно зростає. Тут відбувається багато грошей, що приваблює багато підприємців з більшою кількістю ідей.

Однак заряди акумуляторів - це ще складніша ставка, ніж програмні компанії, які, як відомо, мають високий рівень відмов. Дійсно, було встановлено, що якщо хіміки прагнуть поліпшити одне властивість (наприклад, щільність енергії), вони повинні піти на компроміс в іншій галузі (наприклад, безпека). Це збалансування призводить до того, що прогрес є повільним і повним проблем. Ну, враховуючи, що напр. Сьогодні в США є втричі більше вчених-акумуляторів, ніж 10 років тому, шанси на успіх зростають. Потенціал акумуляторів величезний, але, враховуючи виклики, з якими ми стикаємось, кожне твердження про нові проривні акумулятори з правильною дозою скептицизму.