Большинство людей, которые водят электромобили, беспокоятся о нескольких вещах: как далеко автомобиль может проехать на полной зарядке, как работает аккумулятор, когда на улице очень холодно, и как быстро он может перезарядиться. Новая исследовательская статья, опубликованная в журнале Nature 25 февраля, показывает, что мы, возможно, близки к решению двух из этих проблем одновременно.
Исследование проведено командой под руководством профессора Чжао Цин и академика Чэнь Цзюня из Нанкайского университета, а также Ли Юна из Шанхайского института космических источников энергии. Они нашли способ сделать литиевые батареи намного мощнее. В частности, они достигли плотности энергии 700 Втч/кг. Лучшие аккумуляторы, используемые сегодня в автомобилях, обычно имеют максимальную емкость от 250 до 255 Втч/кг, а твердотельные батареи обещают около 500 Втч/кг.
Чтобы понять, почему это важно, представьте батарею как топливный бак. Если у вас есть два бака одинакового веса, но один вмещает в три раза больше энергии, ваша машина сможет проехать гораздо дальше, не останавливаясь. Новая технология почти в три раза увеличивает энергетическую мощность по сравнению с нынешними стандартами. Это означает, что электромобили в конечном итоге смогут преодолевать гораздо большие расстояния без необходимости использования массивных и тяжелых аккумуляторных батарей, которые утяжеляют автомобиль.
Секрет такого скачка мощности кроется в жидкости внутри батареи – электролите. В батареях используется смесь солей лития и карбонатных растворителей, которые помогают литию передвигаться за счет атомов кислорода. Это работает довольно хорошо, но имеет большие недостатки. Жидкие электролиты густые и не легко растекаются. Они также перестают работать, когда температура падает, поэтому многие электромобили теряют запас хода зимой.
Китайская команда решила попробовать что-то другое. Они создали новый вид жидкости, используя фторированные углеводородные растворители. Вместо кислорода для перемещения лития они использовали фтор. Это изменение делает жидкость намного «влажнее», поэтому для работы батареи требуется меньше ее. Поскольку жидкость тоньше и течет лучше, она может перемещать энергию гораздо быстрее.
Новый дизайн невероятно хорошо работает на морозе. Традиционные батареи часто выходят из строя при замерзании, но новые элементы все еще могут работать при температуре -50°C. Даже при такой экстремальной температуре аккумулятор сохраняет плотность энергии около 400 Втч/кг. Это все еще выше, чем сегодня предлагают большинство высококлассных электромобилей при комнатной температуре.
Команда объяснила, что им нужно быть очень осторожными при создании нового электролита — им нужно было сбалансировать «пространство» внутри жидкости, чтобы атомы лития могли свободно перемещаться. Перейдя с кислорода на фтор, они устранили узкое место, которое сдерживало производительность, позволив батарее стать одновременно легче и прочнее.
Многие компании стремятся создать твердотельные батареи, которые часто называют «Святым Граалем» отрасли. Но даже эти батареи обычно достигают около 400 Втч/кг. Новое открытие показывает, что «жидкие» батареи могут фактически превзойти твердотельные технологии, если химический состав правильный. Если это перейдет из лаборатории на завод, это может изменить то, как мы создаем все, от грузовиков до самолетов.
Эти батареи могли бы питать современных роботов или даже оборудование, используемое в космосе. В настоящее время цифра 700 Втч/кг относится только к отдельному элементу, но как только эти элементы будут собраны в полную аккумуляторную систему, выигрыш будет существенным. Это исследование показывает, что литиевые батареи все еще имеют неиспользованный потенциал и бросают вызов ожиданиям, установленным твердотельными технологиями.
