Супербатареи изменят производительность электромобилей

Jul 11, 2023

На вопрос, чего они больше всего хотят от электромобиля, многие автомобилисты назвали три вещи: большой запас хода, короткое время зарядки и конкурентоспособную цену по сравнению с аналогичным оснащенным автомобилем с двигателем внутреннего сгорания. Чтобы помочь в достижении этих целей, автопроизводители искали способы заменить традиционные литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы, которые питают большинство современных электромобилей (EV), на более совершенные «твердотельные» версии. Эти новые типы супербатарей уже давно обещают более быструю зарядку и гораздо больший запас хода. Наконец, после многих лет технических проблем, усилия по их созданию увенчались успехом: первые твердотельные литий-ионные батареи должны быть запущены в производство в течение следующих нескольких лет.

Toyota, крупнейший в мире автопроизводитель, начала рассматривать твердотельные аккумуляторы в 2012 году. На протяжении многих лет она даже намеревалась продемонстрировать работающие прототипы, хотя их мало что появилось. Однако недавно компания объявила, что совершила «технологический прорыв» и планирует начать производство твердотельной батареи уже в 2027 году. Toyota утверждает, что ее новая батарея обеспечит электромобилю запас хода около 1200 км (746 миль). , что примерно вдвое больше, чем у многих существующих моделей, и его можно перезарядить примерно за десять минут.

Электрифицирующий

Тойота не одинока. Подобные показатели производительности рекламируются и другими производителями твердотельных литий-ионных аккумуляторов. Nissan, например, строит пилотный завод в Иокогаме, который начнет производить тестовые версии в следующем году. Подобный завод планирует построить в Германии компания BMW в партнерстве с Solid Power, разработчиком аккумуляторов из Колорадо. QuantumScape, стартап из Кремниевой долины, начал поставлять прототипы твердотельных батарей Volkswagen, своему основному спонсору.

Вероятно, неудивительно, что разработка твердотельной батареи заняла так много времени. Получить новый тип батареи для работы в лаборатории — это одно, но масштабировать его так, чтобы можно было производить миллионы батарей на заводе, — сложное дело. Хотя они были изобретены в конце 1970-х годов, литий-ионные аккумуляторы сами по себе не были полностью коммерциализированы до начала 1990-х годов, сначала для портативных электронных устройств, таких как портативные компьютеры и сотовые телефоны, а затем в виде более крупных версий, которые можно было использовать для питания аккумуляторов. новое поколение электромобилей.

Электромобили существуют с самого начала автомобилестроения. Действительно, Клара Форд предпочитала свой Detroit Electric 1914 года выпуска бензиновым автомобилям, сделанным ее мужем Генри. Но эти первые электромобили, а также другие, появившиеся в последующие годы, в основном питались десятками тяжелых свинцово-кислотных батарей, которые были дорогими, обеспечивали ограниченный запас хода и зачастую медленный прогресс. Легкая и способная хранить большой заряд литий-ионная батарея позволила снизить затраты и увеличить запас хода (см. диаграмму 1), что позволило всерьез начать электрификацию транспорта. Твердотельные литий-ионные батареи могут привести к еще одной трансформации.

Автопроизводителей изначально привлекали твердотельные элементы для повышения безопасности, поскольку, какими бы мощными они ни были, традиционные литий-ионные элементы сопряжены с риском. Это связано с тем, что они содержат жидкий электролит, который обычно изготавливается из органических растворителей, и они чрезвычайно огнеопасны. Следовательно, если литий-ионный аккумулятор поврежден, что может произойти в результате аварии, или если он перегреется во время зарядки, он может взорваться. Использование негорючего твердого электролита предотвращает это. Твердые электролиты могут быть изготовлены из различных химических веществ, включая полимеры и керамику. Но даже Toyota, мастеру массового производства, поначалу было трудно заставить твердотельные элементы работать эффективно в течение длительного периода времени.

Сам по себе твердый электролит не обязательно улучшает работу батареи. Но это позволяет, например, перепроектировать литий-ионную батарею, чтобы сделать ее еще меньше и легче и, таким образом, упаковывать больше энергии в меньшее пространство. Это также позволяет инженерам расширить диапазон материалов, которые они могут использовать для производства литий-ионной батареи, и поработать над тем, как она работает.