Внутренняя история аккумуляторов для электромобилей: прояснение тайн NCM, NCA, LFP и химии твердого тела

Основная причина того, что электромобили не полностью взяли на себя транспортную нагрузку, — технологический уровень их высоковольтных аккумуляторов. Несмотря на то, что за последнее десятилетие были достигнуты огромные успехи в этой области, энергосодержание батарей далеко не соответствует энергосодержанию жидкого топлива. Святым Граалем автомобильных исследований является аккумулятор со значительно более высокой плотностью энергии, чем тот, который доступен в настоящее время. Поэтому мы решили провести обзор текущих и перспективных технологий производства аккумуляторов и познакомить вас с ними.

Технологии, используемые в настоящее время

Литий-ионный - катод NCM и NCA

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

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

Из-за нехватки кобальта в земной коре и его сомнительной этики при добыче полезных ископаемых (детский труд) производители аккумуляторов стараются использовать химические вещества с меньшим процентным содержанием этого материала или полностью исключить его. Комбинация катода с высоким содержанием никеля, расположения элемента в упаковке и кремния в аноде может повысить его плотность энергии до 325 Втч/кг. Можно сказать, что этот тип батареи близок к своему технологическому пределу.

Литий-ионный - катод LFP

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

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

Именно по этой причине Tesla использует такой химический состав аккумуляторов только для базовой версии Model 3. Однако у такого типа аккумуляторов 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-Воздух

Литий-воздушные батареи на данный момент в основном являются технологическим проектом и находятся в стадии исследования, но этот тип батарей кажется наиболее перспективным из всех и обладает удельной энергетической способностью, аналогичной жидкому топливу, с удельной мощностью 11,4 кВтч/кг. Литий находится в аноде, а воздух — в катоде, и эти два элемента разделены электролитом. Во время разряда ионы лития от анода перемещаются к катоду, где присутствует воздух, и вступают в реакцию с кислородом.

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 лабораторными условиями. Если технологические проблемы будут преодолены, а стоимость будет разумной, то автомобили с ДВС в одночасье устареют.

Твердотельное тело

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

В настоящее время исследователи оценивают ряд вариантов твердого электролита, включая как металлические, так и керамические вещества. Хотя ни один электромобиль в настоящее время не использует эту аккумуляторную технологию, ожидается, что первые серийные модели появятся на рынке в течение следующих двух-трех лет. Предполагается, что эта батарея будет обеспечивать удельную плотность энергии в два раза выше, чем у традиционных литий-ионных батарей с жидким электролитом, сохраняя при этом срок службы 1000 циклов, хотя эти оценки потенциально могут улучшиться по мере развития.