Аккумуляторы нового поколения помогут электромобилям увеличить длину пробега без подзарядки / Хабр

Компания QuantumScape, которую поддерживают Volkswagen и Билл Гейтс, представила прототип аккумулятора будущего для электромобилей. По заявлению разработчиков, транспортные средства с их батареей могут путешествовать на 80 процентов дальше, чем автомобили, оснащенные литий-ионными аккумуляторами.

Сейчас основными источниками питания ноутбуков, смартфонов и даже электрокаров являются литий-ионные батареи. Они неплохо справляются, когда речь идет о небольших устройствах, но автомобильные версии имеют ряд недостатков: долго заряжаются и содержат компоненты, которые могут воспламениться при аварии. Такие батареи могут замерзнуть при очень низких температурах. Исследователи в течение многих лет тестировали разные материалы, такие как полимеры и керамика, которые помогли бы решить эти проблемы.

Устройство нового твердотельного аккумулятора.

На виртуальной пресс-конференции Battery Day, Джагдип Сингх, основатель и генеральный директор QuantumScape представил концепт литий-металлического аккумулятора, который стал результатом десятилетней работы над твердотельной литиевой батареей, — сообщает techxplore.com

Вместо привычного жидкого электролита в новой батарее применен сухой керамический сепаратор. Он обеспечивает более эффективную передачу энергии при прохождении ионов. Также в аккумуляторе есть гелевый компонент, который не замерзает в холодную погоду и подавляет рост дендритов электролита, которые снижают эффективность литий-ионного аккумулятора.

Согласно результатам тестов QuantumScape, транспортные средства с их батареей могут путешествовать на 80% дальше, чем автомобили, оснащенные литий-ионными аккумуляторами. Также они сохраняют более 80 процентов емкости после 800 циклов зарядки, что намного больше, чем у их нынешних литий-ионных «собратьев». Немаловажно, детище QuantumScape заряжается до 80 процентов от емкости аккумулятора всего за 15 минут.

«Самым сложным в создании работающей твердотельной батареи является необходимость одновременного удовлетворения требований высокой плотности энергии, быстрой зарядки, длительного срока службы и работы в широком диапазоне температур», — сказал лауреат Нобелевской премии 2019 года Стэн Уиттингем, соавтор литий-ионного аккумулятора.

И, по словам Уиттингэма, батарея QuantumScape отвечает всем этим требованиям.
«Если QuantumScape сможет внедрить эту технологию в массовое производство, это может привести к преобразованию отрасли», — добавил Стэн Уиттингем.

«Мы не видим на горизонте ничего близкого к тому, что мы делаем», — сообщил Сингх.
По мнению экспертов, в новой разработке может использоваться соединение лития, известное как LLZO.

Тестирование новой батареи проводилось на однослойных элементах. Окончательная версия батареи потребует до 100 слоев, и по мере увеличения толщины могут возникнуть дополнительные сложности.

В этом направлении активно работает китайский гигант по производству аккумуляторов CATL, LG Chem, Samsung, Panasonic и Tesla. Toyota также должна была представить свой твердотельный аккумулятор на Олимпийских играх в Токио в этом году, пока пандемия не поставила крест на этих планах. Стартап под названием Solid Power начал производство батареи аналогичного типа с электролитом на основе сульфида, который обладает высокой проводимостью. Ford, BMW и Hyundai также присоединились к этому процессу. В России разработками и производством источников питания являются компании участники рынка EnergyNet. Среди ярких представителей этого рынка можно отметить компанию-производителя аккумуляторов «Лиотек». Компания производит аккумуляторы для транспорта, промышленных предприятий и домашних хозяйств.

Аккумуляторы нового поколения для электромобилей. Новости: 18 January 2022

1576 2 0

13:03 18 January 2022

2022-01-18

• 27 February 2023 Оборудование SKAT включено в реестр радиоэлектронной
• 27 February 2023 ‘Национальные зарядные системы’ — резидент ТОР
• 20 February 2023 Электромобили впервые включены в виртуальную электростанцию для оказания системных услуг
• 20 February 2023 «Штиль» представляет новые модели ИБП серии STR мощностью 300 и 500 ВА
• 16 February 2023 Маск считает, что переход на возобновляемые источники энергии займет не менее 30-40 лет
• 8 February 2023 В России создали первую систему беспроводной зарядки электротранспорта
• 1 February 2023 Обновления в линейке напольных и настенных ИБП и совместимых аксессуарах
• 31 January 2023 Умелец из Индии создал необычный электрокар на солнечной энергии
• 27 January 2023 Инвестиции в чистую энергию впервые
• 24 January 2023 Беларуский оператор связи запускает собственную зарядную сеть Evika

Несмотря на рост парка электромобилей и развитие инфраструктуры пунктов для подзарядки, все же остается проблемой длительность зарядки аккумуляторов. По времени это практически 5–9 часов и больше, в зависимости от максимальной пропускной мощности. Поэтому, многие компании нацелены на усовершенствование существующих батарей и разработку аккумуляторов нового поколения.

Израильский стартап StoreDot получил $80 млн от вьетнамского концерна VinFast и представил дорожную карту по коммерциализации своей технологии. Компания разрабатывает элементы питания нового поколения — аккумуляторы с поддержкой быстрой зарядки, которые обещают пополнение емкости от 0% до 100% всего за 5 минут. У стартапа уже есть прототип автомобильной батареи, которая стабильно заряжается за 10 минут, теперь инженеры хотят сократить это время вдвое.

Технология eXtreme Fast Charge (XFC) предполагает новый подход к борьбе с главным недостатком электрокаров — необходимостью долгой ежедневной зарядки. Вместо того, чтобы увеличивать емкость батарей и оптимизировать их энергоэффективность, StoreDot создает новые химические соединения и конструкции для реализации сверхбыстрой зарядки. Конкретные спецификации стартап держит в тайне, но утверждает, что в целом его система аналогична классическим литий-ионным батареям.

Схожесть с традиционными аккумуляторами, утверждают разработчики, дает сразу несколько преимуществ. В первую очередь это означает, что батареи StoreDot могут производиться массово на обычных предприятиях, а также подойдут для установки в существующие электромобили и электронику. Кроме того, StoreDot не нуждается в особенных материалах, а значит с поставщиками из горнодобывающей промышленности также не должно быть проблем.

Что касается отличий от традиционных батарей, то в StoreDot применяют анод на основе кремния — вместо анода из графита. В дополнение стартап полагается на наноразмерные частицы, которые покрывают активные материалы аккумуляторов и «разгоняют» их.

Компания также сообщила, что разработала трехмерные органические полимеры, которые могут самовосстанавливаться внутри батареи по мере того, как она проходит длительные циклы перезарядки.

Сейчас StoreDot ведет несколько партнерских проектов в сотрудничестве с Daimler, материнской компанией Mercedes, Samsung, TDK и EVE Energy. По словам разработчиков, уже существующие прототипы батареи стабильно заряжаются от 0% до 100% всего за 10 минут, но конечная цель стартапа ускорить зарядку аккумуляторов еще в два раза.

За счет инвестиций от вьетнамского автопроизводителя VinFast, а также поддержки со стороны BP и Golden Energy Global Investment, StoreDot планирует создать еще несколько полигонов для испытаний аккумуляторов нового поколения, найти потенциальных клиентов и ускорить коммерциализацию своей технологии. Сейчас серийный выпуск батарей с поддержкой XFC назначен на конец 2024 года.

Видео по теме:

источник: Nikolay Kitaev

Аккумуляторные решения следующего поколения | Stanford News

Новое исследование, проведенное учеными Стэнфордского университета, открывает путь к созданию более совершенных и безопасных литий-металлических аккумуляторов.

В новом исследовании представлены возможные решения проблемы, которая, как известно, вызывает деградацию и выход из строя литий-металлических аккумуляторов. (Изображение предоставлено alengo/iStock)

Близкие родственники перезаряжаемых литий-ионных элементов, широко используемых в портативной электронике и электромобилях, литий-металлические батареи имеют огромные перспективы в качестве устройств хранения энергии следующего поколения. По сравнению с литий-ионными устройствами, литий-металлические батареи содержат больше энергии, быстрее заряжаются и значительно меньше весят.

Однако на сегодняшний день коммерческое использование перезаряжаемых литий-металлических батарей ограничено. Основная причина — образование «дендритов» — тонких металлических древовидных структур, которые растут по мере накопления металлического лития на электродах внутри батареи. Эти дендриты снижают производительность батареи и в конечном итоге приводят к отказу, который в некоторых случаях может даже привести к опасному возгоранию.

Новое исследование подошло к проблеме дендритов с теоретической точки зрения. Как описано в статье, опубликованной в Journal of The Electrochemical Society Исследователи из Стэнфорда разработали математическую модель, объединяющую физику и химию, связанные с формированием дендритов.

Эта модель позволила понять, что замена новых электролитов — среды, через которую ионы лития перемещаются между двумя электродами внутри батареи — с определенными свойствами может замедлить или даже полностью остановить рост дендритов.

«Цель нашего исследования — помочь в разработке литий-металлических аккумуляторов с более длительным сроком службы», — сказал ведущий автор исследования Вейю Ли, аспирант в области энергетики, консультируемой профессорами Даниэлем Тартаковским и Хамди Челепи. «Наша математическая структура учитывает ключевые химические и физические процессы в литий-металлических батареях в соответствующем масштабе».

«Это исследование предоставляет некоторые конкретные сведения об условиях, при которых могут формироваться дендриты, а также о возможных путях подавления их роста», — сказал соавтор исследования Челепи, профессор инженерии энергетических ресурсов в Стэнфордской школе Земли. Энергетика и науки об окружающей среде (Стэнфордская Земля).

Направление проектирования

Экспериментаторы уже давно пытаются понять факторы, приводящие к образованию дендритов, но лабораторная работа трудоемка, а результаты трудно интерпретировать. Признавая эту проблему, исследователи разработали математическое представление внутренних электрических полей батарей и транспорта ионов лития через материал электролита, наряду с другими соответствующими механизмами.

Имея на руках результаты исследования, экспериментаторы могут сосредоточиться на физически правдоподобных сочетаниях материалов и архитектуры. «Мы надеемся, что другие исследователи смогут использовать это руководство из нашего исследования для разработки устройств, обладающих нужными свойствами и уменьшающих диапазон экспериментальных вариаций методом проб и ошибок, которые им приходится выполнять в лаборатории», — сказал Челепи.

В частности, новые стратегии проектирования электролитов, предложенные в исследовании, включают использование анизотропных материалов, то есть проявляющих разные свойства в разных направлениях. Классическим примером анизотропного материала является древесина, которая прочнее в направлении волокон, видимых в виде линий на древесине, а не против волокон. В случае анизотропных электролитов эти материалы могут регулировать сложное взаимодействие между переносом ионов и межфазной химией, препятствуя накоплению, которое приводит к образованию дендритов. Исследователи предполагают, что некоторые жидкие кристаллы и гели обладают этими желаемыми характеристиками.

Другой подход, выявленный в ходе исследования, основан на сепараторах батарей — мембранах, которые предотвращают соприкосновение электродов на противоположных концах батареи и короткое замыкание. Могут быть разработаны новые типы сепараторов, которые имеют поры, которые заставляют ионы лития проходить вперед и назад через электролит анизотропным образом.

Сборка и тестирование

Команда с нетерпением ждет, когда другие ученые расследуют «зацепки», выявленные в их исследовании. Эти следующие шаги будут включать производство реальных устройств, основанных на новых экспериментальных составах электролитов и архитектуре аккумуляторов, а затем тестирование того, что может оказаться эффективным, масштабируемым и экономичным.

«Огромное количество исследований проводится в области проектирования материалов и экспериментальной проверки сложных аккумуляторных систем, и в целом математические основы, подобные той, которую возглавил Вейю, в этих усилиях в значительной степени отсутствуют», — сказал соавтор Тартаковский, профессор энергетики. разработка ресурсов в Стэнфорде.

Следуя этим последним результатам, Тартаковский и его коллеги работают над созданием полноценного виртуального представления — известного как «цифровой аватар» — систем литий-металлических батарей или DABS.

«Это исследование является ключевым строительным блоком DABS, всеобъемлющего «цифрового аватара» или копии литий-металлических батарей, которые разрабатываются в нашей лаборатории», — сказал Тартаковский. «Благодаря DABS мы продолжим совершенствовать эти многообещающие накопители энергии».

Соавтор Игуан Цзюй — профессор машиностроения и аэрокосмической техники Принстонского университета.

Эта работа была профинансирована Управлением научных исследований ВВС, Hyundai Motor Group, и за счет подарка от TotalEnergies.

Новые батареи, которые заставят вас поверить в электромобили

Эта история является частью Plugged In, центра CNET, посвященного электромобилям и будущему электрифицированной мобильности. От обзоров автомобилей до полезных советов и последних отраслевых новостей — мы обеспечим вас.

Увеличенный запас хода, более быстрая зарядка, меньшее снижение запаса хода и более низкая прейскурантная цена: это все, что новые аккумуляторные технологии привносят в электромобили. И хотя с практической точки зрения я по-прежнему больше воодушевлен разработками в области зарядки, такими как недавнее расширение GM с помощью Pilot и EVgo или нагнетателей Tesla, охватывающих весь мир, вот несколько новых аккумуляторных технологий, которые являются сильными соперниками для моего энтузиазма.

Литий-ионный еще далеко не готов

Sila Nanotechnologies заменяет графитовый анод, составляющий большую часть объема и около 15% веса современных литий-ионных аккумуляторов, на форму кремния, которая, как утверждается, придаст элементам батареи От 20 до 40% увеличение плотности энергии при более быстрой зарядке. Это изменение было бы примерно аналогично Ford F-150, получающему 25 миль на галлон в этом году, но 35 миль на галлон в следующем модельном году, неслыханный скачок.

Mercedes выглядит первым покупателем, который предложит технологию Sila в качестве элитной опции в новом электрическом EQG в 2025 году. Плотность энергии особенно важна для тяжелых транспортных средств, таких как EQG, потому что их избыточность имеет тенденцию увеличивать недостатки современных аккумуляторов, которые должны быть большим и тяжелым, чтобы переместить что-то большое и тяжелое даже на приличное количество миль, установив определенный порочный круг.

Сила утверждает, что традиционная технология литий-ионных аккумуляторов осталась на прежнем уровне с точки зрения плотности энергии.

Сила

Group14 — еще одна компания, за которой следует следить за сочетанием кремния и лития, выстроив Porsche в качестве ведущего партнера. OneD придерживается стратегии выращивания кремниевых нанопроволок на графитовом аноде литиевой батареи. Все эти подходы используют хорошую производительность и широкое признание технологий литиевых батарей для быстрого выхода на рынок.

Натрий-ионные аккумуляторы

Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория недавно объявила о прорыве в технологии натрий-ионных аккумуляторов, который обещает большую устойчивость к требованиям управления температурой, с которыми сталкиваются современные аккумуляторы для электромобилей, многократную зарядку без ухудшения характеристик, естественное гашение и меньшее токсической головной боли. PNNL заявляет, что нашла способ укротить нестабильные аспекты технологии натрий-иона, но все еще должна решить проблему ее значительно более низкой плотности энергии по сравнению с литий-ионом. В качестве бонуса исследователи PNNL считают, что они смогут уменьшить или удалить кобальт из формулы, спорный и токсичный элемент в батареях для электромобилей сегодня.

Сара Левин/Pacific Northwest National Lab

Твердотельные аккумуляторы

Технология твердотельных аккумуляторов названа очень точно: обычно это относится к аккумуляторам, изготовленным из плотно сжатых твердых материалов, а не из мягкого влажного материала, из которого состоит типичная литиевая батарея.

Современные аккумуляторные элементы представляют собой полужесткие изделия с влажным раствором электролита внутри. Твердотельные батареи физически различны, что означает материалы, которые делают их значительно более перспективными.

Брайан Кули/CNET

Тот факт, что твердотельная батарея состоит из твердых материалов в жестком корпусе, не делает ее более эффективной, но это простой способ описать конструкцию, которая обещает множество преимуществ:

Большая плотность энергии : Это может привести к тому, что электромобиль с гораздо большим запасом хода от батареи того же размера или сегодняшним запасом хода от гораздо меньшей и более дешевой батареи завтра. Последнее, на мой взгляд, более трансформационно.

Быстрая зарядка : В то время как полная зарядка менее чем за 30 минут сегодня является довольно элитной, твердотельные батареи нацелены на это как само собой разумеющееся. Короткое время зарядки может полностью изменить представление об электромобилях.

Увеличенный срок службы : Возможно, вы видели мой недавний рассказ о проблеме аккумуляторов электромобилей, которые выбрасываются на пастбище, потому что они теряют значительную часть своей емкости из-за циклического заряда. Твердотельная технология является ключевой частью плана GM по производству аккумуляторов с ресурсом в миллион миль.

Термическая стабильность : Твердотельные конструкции практически не имеют шансов на тепловой выход из строя, что сделало современные литиевые батареи синонимом пожароопасности. Говорят, что кремниевые батареи, подобные упомянутым ранее, также в значительной степени устраняют эту проблему.

Большинство разрабатываемых новых аккумуляторных технологий почти невосприимчивы к тепловому выходу из строя, что сделало литий-ионные аккумуляторы своего рода синонимом пожара.

Брайан Кули/CNET

Кто должен доставить это волшебство?

Solid Power недавно попала в заголовки газет, когда объявила о начале мелкосерийного производства при поддержке Ford и BMW. Примечательно, что производство может осуществляться на линиях, которые сегодня делают обычные литий-ионные батареи, что потенциально является огромным промышленным преимуществом. Массовое производство может начаться уже в 2024 году.

Возможно, самой обсуждаемой компанией была QuantumScape при поддержке VW, который говорит, что технология является не чем иным, как «самым многообещающим подходом к электромобильности будущего». Компания QuantumScape разработала керамический сепаратор между анодом и катодом, который помогает элементам заряжаться от 10% до 80% менее чем за 15 минут, позволяя батарее терять очень небольшую емкость после повторных зарядок.

Nikkei недавно сообщил, что Toyota на сегодняшний день является мировым лидером по патентам на твердотельные батареи, и заявила, что к 2025 году у нее будет ограниченное производство автомобилей, использующих эту технологию. -Производитель ProLogium для аккумуляторов, которые могут появиться в электромобилях вьетнамского производителя к 2024 году.

Стоит ли ждать?

Некоторые из намеченных сроков, о которых я говорил выше, кажутся мучительно близкими, но относитесь к ним с долей скептицизма: пропущенные даты массового производства любой из этих аккумуляторных технологий никого не удивят. Вдобавок ко всему, автомобильная промышленность, как правило, имеет длительный период времени от появления новой технологии до того, как она будет широко доступна в автомобилях с популярными ценами. Добавьте к этому мое общее отвращение к покупке новой машины, и вы начнете приближаться к более длинному концу в пять-десять лет. Я бы проанализировал электромобиль на основе сегодняшних предложений, поскольку эти захватывающие новые аккумуляторные технологии, вероятно, являются полным циклом владения автомобилем для умного и экономного покупателя.