Нет давно, Маск наш Илон, порадовал новостью что в недрах компании Tesla таки был создан супер-аккумулятор, на котором можно проехать миллион миль и ничего с ним не будет. Миллион миль - это лет 20 работы, если в день проезжать 130 - 140 миль, т.е. почти 200 км.
Напомним, литиевый аккумулятор – современный хит почти на все случаи жизни, однако его большая энергетическая плотность приводит к тому, что его корпус небольшого размера может стать весьма опасным при неправильном обращении. Учёные ищут более безопасные варианты аккумуляторов, улучшенные системы заряда, формулы для увеличения срока работы батарей, которые можно было бы перезаряжать тысячи раз и т.д.
Как правило требования к аккумуляторной ячейке в электромобиле формулируются следующим образом:
- Высокая плотность энергии (большое количество энергии в батарейке небольшого размера)
- Возможность быстрого заряда.
- Возможность быстрого разряда.
- МНОГО циклов зарядки/разрядки.
- Низкий саморазряд.
- Безопасность.
И что такого нового нам предложила Tesla? Реально работу выполняла группа исследователей из Университета Далхаузи в Галифаксе (Канада) по контракту с компанией Илона Маска. Они провели очень много тестов различных Li-ion аккумуляторов, чтобы найти наилучшее сочетание химических элементов, а также профилей использования и зарядки. Батарейка на миллион миль оказалась просто маркетинговая завлекалочкой, описывающей исследования, оптимизирующие химические формулы батарей для увеличения их времени жизни.
Первое, что важно отметить касательно их формулы «на миллион миль» – она не характерна для поведения большей части типовых водителей, ездящих на работу и домой. Учёные нацелились на такое использование автомобиля, которое предполагает постоянные поездки и зарядки батареи после почти полной разрядки. Такая ситуация подойдёт для грузовиков, такси и автобусов. Исследователи использовали термин 100% DOD, т.е. «глубину разряда» – это когда батарейку используют до упора, а только потом заряжают, в отличии, к примеру, от смартфона, который ставят на зарядку каждый вечер вне зависимости от состояния аккумулятора.
Обнаружилось, что очень большое значение имеет температура. Аккумулятор, работавший большую часть жизни при температуре в 20 ºC, будет жить дольше, чем тот, что работал при 40 ºC. Однако батарейки, работавшие при высоких температурах, а затем попавшие в условия низких, теряют ёмкость с той же скоростью, что и батарейки, всегда работавшие при низкой температуре. Иначе говоря, при высокой температуре батарейка быстрее теряет ёмкость, а при низкой она теряет её не так быстро, и любая батарейка может перемещаться на этом графике туда и сюда без какого бы то ни было эффекта памяти. Таким образом, именно низкие температуры обеспечивают низкую скорость деградации на молекулярном уровне – меньшее количество трещин, дендритов, газовых карманов и т.п.
Опустим перипетии с поиском оптимальных пропорций и сочетаний химических элементов для компонентов батарейки. Простым языком - выяснили что катод в основном состоит из кристаллов лития, с добавлением небольшого количества никеля, марганца, кобальта и кислорода, а анод состоит из графита (хотя исследования графена выглядят многообещающе). Из чего сварили электролит вообще без спец. образования понять невозможно.
Выбрав особую формулу и поддерживая низкую температуру работы, исследователи смогли минимизировать две основные причины деградации батареи:
1. Потерю лития. В среднем со временем ионы лития, двигаясь туда и сюда, залезают в такие места, которые не позволяют им работать. Они могут оказаться электрически изолированными, группироваться в пластины, дендриты и поверхностные плёнки, реагировать с другими компонентами ячейки, и не участвовать в зарядке и разрядке. Особенно вредными оказываются дендриты – эти кристаллы в виде острых литиевых иголок могут прокалывать сепараторы и закорачивать ячейку, которая затем разогревается и приводит к самоподдерживающейся реакции, и в итоге – к взрыву.
2. Коррозия электродов и потеря полезной площади поверхности, из-за химических реакций, растрескивания или формирования резистивного поверхностного слоя, блокирующего электрод.
Исследование заняло 3 (!) года, ибо для него потребовалось прогнать каждый аккумулятор через тысячи циклов зарядки и разрядки при помощи чрезвычайно точных зарядных и разрядных устройств, записывающих ёмкость батареи – и всё для того, чтобы получить наиболее полные данные. Обычно довольно трудно измерять жизненный цикл батареи в ускоренном режиме; батареи подвергаются большим скоростям зарядки/разрядки, чем требуется в обычной жизни, и получают меньше времени на восстановление. То, что исследователи потратили столько времени на свою работу, должно гарантировать более реалистичные результаты.
Причем результаты открыты, и содержат полное описание всех деталей разработанных батарей, включая состав электродов, состав электролита, используемых добавок и т.п. Это сделано для того, чтобы другие исследователи смогли воспроизвести эти ячейки и использовать их для собственных проверок.
Самый главный вывод – это конечно необходимость постоянного охлаждения, поскольку это значительно увеличивает время жизни батарей. Скорее всего мы увидим постепенный переход производителей, той же Tesla, на предложенные формулы.
Вот в таких муках пытаются выжимать максимум из технологии литиевых аккумуляторов, альтернативы которой у человечества нет. И когда она появится – не известно.