Быстрая зарядка, долговечный аккумулятор и комфортная температура в салоне — такими видят электромобили будущего ученые БФУ имени И. Канта. О разработках университета для российского экологичного транспорта — в материале РИА Новости.
Полная зарядка быстрее, чем у телефона
Современные литий-ионные аккумуляторы во многом ограничены по скорости зарядки и сроку службы свойствами анода — одного из ключевых компонентов батареи. Чаще всего аноды изготавливают на основе углеродных материалов, например графита, который используется в карандашных грифелях, рассказали в Балтийском федеральном университете (БФУ) имени И. Канта.
Слоистая структура графита позволяет ионам лития проникать между углеродными "листами" при зарядке аккумулятора и "выходить обратно" при его разряде, объяснил научный сотрудник научно-образовательного центра "Функциональные наноматериалы" БФУ Алексей Грунин.
Однако при быстрой зарядке ионы лития не всегда успевают равномерно встроиться в материал, что приводит к разрушению его структуры, нагреву и ускоренному износу аккумулятора, добавил он. Такая поломка требует полной замены батареи в любом устройстве — смартфоне, роботе-пылесосе, кардиостимуляторе или электромобиле.
Ученые БФУ имени И. Канта разработали новый способ получения углеродного анодного материала nC. Лабораторные испытания показали, что элементы на его основе сохраняют стабильную работу при зарядке током 3C — режиме, при котором за 20 минут набирается полный заряд.
"Аккумуляторы с анодом nC выдерживают до 5000 циклов зарядки — разрядки без заметной деградации и потери емкости при скорости заряда 3C. Мы планируем достичь и более высоких значений скорости зарядки, но пока в таких условиях "слабым звеном" зачастую является не сам анод, а другие части аккумулятора, что требует значительного изменения его конструкции", — рассказал Грунин.
Специалисты университета стремятся добиться полной совместимости с существующими промышленными стандартами и технологиями, чтобы в будущем "безболезненно" встроиться в технологические цепочки.
"На текущий момент работают два реактора производительностью около 10 граммов в час, а в планах — выход на экспериментальное производство до 300 тонн в год. Полный цикл включает синтез, обработку углеродного материала и сборку опытных образцов аккумуляторов. Сборка прототипов аккумуляторов в БФУ имени И. Канта поставлена на поток. Часть материала из каждой партии и после каждого эксперимента по обработке идет на изготовление лабораторных ячеек", — добавил специалист.
Надежная защита от холодов
Другим элементом, который обеспечивает стабильную работу электротранспорта, является корпус аккумулятора. Его основная задача — регулировать температуру, поддерживая ее в "рабочем" диапазоне для всех частей батареи. Оптимальный диапазон для современных литий-ионных аккумуляторов с жидким электролитом — примерно от +20 °C до +40 °C, рассказал советник БФУ имени И. Канта Павел Погребняков.
"На холоде падение ионной проводимости электролита повышает внутреннее сопротивление. Если батарею заряжают при –5 °C и ниже, на графитовом аноде осаждается металлический литий, который сокращает ресурс и может вызвать внутреннее короткое замыкание. Поэтому производители блокируют быструю зарядку при отрицательных температурах", — объяснил он.
Похожая проблема возникает у автомобилистов в машинах с двигателем внутреннего сгорания зимой: переохлаждение аккумулятора блокирует возможность запуска. Поэтому в БФУ разработана система регулирования температуры при предпусковом прогреве литий-ионного аккумулятора.
"Разработанный нами корпус батареи — перфорированная конструкция из пластин, между которыми установлены нагревательные полотна. Это позволяет реализовать два режима: активный подогрев каждой пластины при холодном старте и пассивное воздушное охлаждение за счет потоков воздуха через промежутки в сетке и перфорацию стенок", — рассказал Погребняков.
По словам исследователя, испытания новой системы подогрева в климатической камере показали, что новый корпус позволяет увеличить емкость аккумулятора на морозе с 60 до 85 процентов от максимального значения.
"Исследование прототипов показало, что электромобиль с аккумулятором в новой "упаковке" сможет на морозе хранить больше заряда, поэтому сможет либо быстрее, либо дольше ехать", — объяснил Погребняков.
В настоящее время прототипы батарей для наземных электромобилей находятся в разработке. Срок изготовления трех вариантов для испытаний совместно с коммерческим партнером — конец текущего года, рассказали в БФУ имени И. Канта.
И надежно, и комфортно
"Сегодня БФУ объединяет сразу несколько научно-технологических групп, работающих над новыми материалами и инженерными оснастками отдельных элементов накопителей, программированием итоговых изделий. Текущие проекты встроены в производственные кооперации нашей страны в сфере аккумуляторов", — рассказал ректор БФУ имени И. Канта Максим Демин.
Он уточнил, что Калининградская область является пилотным регионом по комплексному развитию индустрии электротранспорта.
Деятельность университета направлена на адаптацию электромобилей к климатическим условиям в России, а это главным образом зависит от аккумуляторов, добавил Демин.
"Мы придаем батареям способность работать при очень низких температурах без потери КПД, быстро заряжаться и сохранять производительность в течение огромного количества циклов перезарядки. Но также ведутся и другие исследования, которые направлены на улучшение комфортабельности такого транспорта", — подчеркнул он.
Как пояснил Демин, отдельные группы работают над созданием систем терморегуляции салона электромобиля на основе уникальных тонких проводящих нитей, а также над разработкой систем управления электромобилями на основе отечественных платформ.