В России внедрение электромобилей сдерживает климат: литий-ионные батареи теряют ёмкость в холода, что знакомо всем, кто пробовал снимать на iPhone в морозы. Одновременно растёт расход энергии, поэтому при падении температуры от +20 градусов до -20 пробег электромобиля на зарядке сокращается примерно вдвое. Однако есть натрий-ионные батареи, которые уже ставят на серийные электромобили в первую очередь из-за их дешевизны. Но попутно они гораздо менее чувствительны к холоду, так что могут стать оптимальным решением для российский электрокаров.
Сколько теряет в морозы литий-ионная батарея?
Это сильно зависит от типа батареи, материала катода и электролита. Для примера — результаты исследования, которые содержатся в документе под названием The Influence of Temperature on the Capacity of Lithium Ion Batteries with Different Anodes (авторы Shuaishuai Lv, Xingxing Wang и другие).
По их данным, среди литий-ионных батарей лучше всего с морозами справлялись литий-железо-фосфатные (LFP), которые при -20 градусах теряли 25% емкости, а при -40 градусах — 53%. Для батареи с катодом из оксида марганца соответствующие величины 32% и 63%, а для катодов из оксида кобальта — 55% и 88%.
У литий-ионных батарей есть и другие проблемы в холода: падает не только емкость, но и мощность отдачи, то есть в морозы может снижаться динамика электромобиля. Кроме того, осложняется зарядка, и большинство батарей в принципе нельзя пополнять при отрицательных температурах: перед этим электроника (BMS) подогревает батарею за счёт системы термостатирования, что также съедает энергию. Наконец, в морозы увеличивается рост так называемых дендритов: волокон лития, которые могут замкнуть батарею накоротко.
Чем хороши натрий-ионные батареи
Морозные проблемы литий-ионных батарей связаны с низкой ионной проводимостью их среды в холода. Очень упрощённо, ионы лития начинают вязнуть в электролите, с трудом проходят через межфазный слой, хуже «впитываются» электродами. У ионов натрия с этим лучше, они легче просачиваются через межфазный слой твердого электролита и его жидкую часть. Кроме того, углеродные аноды (вместо графитовых у литий-ионных батарей) легче вбирают в себя ионы натрия при низких температурах, что в числе прочего улучшает способность батарей к холодной зарядке.
Я пытался найти прямое сравнение литий-ионных и натрий-ионных батарей по их низкотемпературным свойствам, но понятного и наглядного исследования пока не обнаружил: вероятно, сказывается большое разнообразие типов батарей, из-за чего исследователи в основном испытывают не промышленные образцы, а отдельные элементы батарей (скажем, тестируют электролиты на проводимость).
Натрий-ионные батареи пока только-только внедряются, но, например, CATL заявляет, что их новые аккумуляторы при -20 градусах сохраняют более 90% емкости. Компания JAC, которая первой применила натрий-ионные батареи в серийном электромобиле, заявляет о 92% остаточной емкости при -20 градусах. Напомню, что у литий-железо-фосфатных батарей этот показатель 75%, а у «кобальтовых» — 45%.
При этом есть перспективные разработки натрий-ионных батарей с висмутовым анодом, которые сохраняют 70% емкости при температуре -70 градусов Цельсия. Традиционные литий-ионные батареи при таких температурах превращаются в мороженного мамонта.
В чём минусы натрий-ионных батарей
Получается прямо идеальный тип батареек, верно? Но их главный минус — меньшая удельная емкость, которая на первых порах была в районе 100 Вт*ч/кг, сейчас поднялась до 140-160 Вт*ч/кг. Это уже сравнимо с показателями литий-железо-фосфатных батарей, которые любят китайских производители, но примерно вдвое меньше, чем у лучших «тройных» батарей (например, с катодом из кобальта-марганца-никеля — NMC).
Интересно, что в морозы разница в ёмкости значительно ниже, и «тройные» батареи почти теряют своё двукратное преимущество перед натрий-ионными уже в -20 градусов.
Для топовых электрокаров «тройные» литий-ионки (NMC, NCA и прочие) пока безальтернативны. Литий-железо-фосфатные батареи (LFP) — это здравый компромисс: они дешевле, у них меньше удельная ёмкость, но лучше морозоустойчивость. Натрий-ионки на этой шкале ещё дальше. И пока их удел — это ситикары с небольшими пробегами. Характеристики наверняка будут улучшаться со временем, однако смогут ли они полностью вытеснить литий-ионные — не факт. Те ведь тоже не стоят на месте.
Ещё одна очень любопытная технология — литий-ионные батареи с кремниевым анодом. Ждём на электрическом «Гелендвагене».
Tesla пошла по другому пути, и мучается со своей батарейкой 4680 с сухими электродами.
А вот как утилизируют литий-ионные батареи. Вопреки страхам, это вполне реальный процесс.
