Исследователи из Гарварда создали твердотельную батарею, которая заряжается за десять минут и работает в течение 30 лет, но широко разрекламированная технология остается долгосрочным решением для энергетического перехода.
Люди медленно, но верно осваивают электромобили (EV), но темпы этого перехода все еще необходимо ускорить, чтобы мир достиг цели по нулевым выбросам в 2050 году. Несмотря на экспоненциальное улучшение электромобилей, многие водители все еще не хотят уходить от них. за удобство своих автомобилей с бензиновым двигателем. В прошлом году в опросе Ipsos Mori в качестве основных препятствий для американских потребителей, покупающих электромобили, помимо стоимости, были названы опасения по поводу нехватки зарядных станций и срока службы батареи. Для производителей автомобилей во многом это сводится к постоянным ограничениям на дальность действия и долговечность существующих литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов под капотами электромобилей.
Однако группа ученых из Гарвардского университета считает, что они сделали важный шаг к решению этих затруднений. Исследователи из Школы инженерных и прикладных наук (SEAS) разработали новый метод. твердое состояние аккумулятор, который может заряжаться за время, необходимое для заполнения бензобака, и выдерживать в 3–6 раз больше циклов зарядки, чем типичный аккумулятор электромобиля.
Твердотельные батареи уже давно считаются Святым Граалем для широкого перехода к электрифицированному транспорту, и гонка за их коммерциализацией в последние годы ускорилась. Такие компании, как Toyota и Volkswagen, разрабатывают свои собственные версии, которые они надеются внедрить в автомобили к концу десятилетия. Готовы ли твердотельные батареи наконец оправдать свою шумиху, благодаря этой последней инновации из Гарварда?
Преимущества твердых электролитов перед жидкими
Сегодня литий-ионные аккумуляторы правят всем; они используются во всем: от мобильных телефонов и ноутбуков до электромобилей и систем хранения энергии. Исследователи и производители за последнее десятилетие снизили цены на литий-ионные аккумуляторы на 90% и полагают, что смогут сделать их еще дешевле. Они также верят, что смогут сделать литиевую батарею еще лучше.
В этих батареях используется жидкий электролит для перемещения ионов между катодом и анодом при разрядке и зарядке. Однако жидкость легко воспламеняется и препятствует добавлению в нее материалов, продлевающих срок службы батареи. Исследователи полагают, что одним из решений было бы использование твердых электролитов вместо жидких.
Эти твердотельные батареи обещают широкий спектр преимуществ перед своими жидкостными аналогами. Прежде всего, они предлагают более высокую плотность энергии; Это означает, что они могут хранить больше энергии на единицу объема или веса, что приводит либо к более длительному сроку службы батареи, либо к меньшим и более легким аккумуляторным блокам. Они также обещают более длительный срок службы; выдерживает большее количество циклов зарядки-разрядки без ухудшения качества, тем самым увеличивая срок службы аккумулятора. Использование твердого электролита также обеспечивает гораздо более быструю зарядку без риска повреждения аккумулятора благодаря более эффективному транспорту ионов.
Твердотельные батареи могут работать в более широком диапазоне температур, чем жидкостные, что позволяет лучше использовать их в экстремальных погодных условиях. Обычно они считаются более безопасными, поскольку твердый электролит снижает риск короткого замыкания и перегрева, что может привести к возгоранию или взрыву аккумуляторов на жидкой основе. Наконец, твердый электролит может быть изготовлен из более широкого спектра более дешевых и экологически чистых материалов.
В целом, твердотельные батареи могут совершить революцию в аккумуляторной промышленности, предлагая улучшенные характеристики, безопасность и долговечность по сравнению с традиционными литий-ионными батареями. «Из-за своей высокой плотности энергии твердотельные батареи будут наиболее подходящими для электромобилей, а не для [стационарных] систем хранения энергии, и действительно могут внести ключевой вклад в электрификацию тяжелого транспорта», — говорит Тео Ломбард, специалист по энергетическому моделированию из компании транспорта в Международном энергетическом агентстве (МЭА).
«Скачок вперед» в разработке твердотельных аккумуляторов
Исследователи SEAS разработали батарею размером с почтовую марку, используя конструкцию «пакетного элемента», а не типичный вариант «монетного элемента». Аккумулятор сохранил 80% емкости после 6,000 циклов зарядки и хорошо показал себя при низких температурах. Он превзошел другие твердотельные батареи, поскольку исследователи нашли способ сделать его с литий-металлическим анодом, емкость которого в десять раз превышает емкость обычного графитового анода.
Новая многослойная конструкция из нескольких материалов позволила решить широко распространенную проблему «дендритов» — корнеобразных структур, которые растут с поверхности анода в электролит. Они могут пробить барьер, разделяющий противоположный катод, что приведет к короткому замыканию батареи, а иногда и к возгоранию.
Увеличенный срок службы батареи, эквивалентный примерно 30 годам, может заметно снизить стоимость электромобилей, а возможность заряжать батарею за считанные минуты придает ей исключительную плотность мощности, которая может быть использована в других целях.
«Нам удалось зарядить аккумулятор за 5–10 минут и совершить 6,000 циклов; Обычно для зарядки аккумуляторов электромобилей требуется несколько часов, и они имеют от 1,000 до 2,000 циклов», — говорит Синь Ли, доцент кафедры материаловедения в SEAS и ведущий исследователь проекта. «Наше исследование также показывает, что в качестве анода можно использовать другие материалы, например серебро, магний или кремний. Это определенно шаг вперед к масштабированию массового производства твердотельных батарей».
«Из лаборатории в реальный мир»
Однако не все в этом убеждены. «Текущая задача твердотельных батарей — это внедрение и масштабирование, а не получение чего-то еще лучшего на уровне ячеек», — говорит Ломбард.
С инженерной точки зрения, проблемой, которую отрасль еще не решила, является производство твердотельного аккумуляторного блока, способного выдерживать чрезвычайно высокое давление и в то же время способного «дышать» – расширяться и сжиматься. «Решение этой проблемы может свести на нет выигрыш в плотности энергии твердотельных батарей, так что это действительно вопрос, на который отрасль должна ответить в ближайшие годы посредством процесса расширения», — говорит Ломбард.
С точки зрения безопасности, еще одна проблема, которую необходимо решить производителям твердотельных аккумуляторов, заключается в том, что даже если твердотельная батарея не загорается при коротком замыкании, другие материалы в двигателе могут загореться. «Опять же, это инженерная задача, которую необходимо протестировать и проверить на промышленном уровне», — говорит Ломбард.
Наконец, существует серьезное препятствие в построении цепочки поставок твердотельных батарей. По словам Ломбард, цепочки поставок аккумуляторов требуют высококачественных материалов в очень больших объемах, поскольку аккумулятор не может работать даже при незначительном количестве загрязнений. «На это уходит много времени», — говорит он. «Это также связано с тем, что более широкая область аккумуляторов растет в геометрической прогрессии, поэтому твердотельные батареи не выходят на фиксированный рынок, а скорее рынок, где каждая технология, включая традиционные литий-ионные батареи, совершенствуется безумно быстро, и вам нужно немного выиграть. пространство в нем».
По мнению Ломбард, успех твердотельных батарей будет достигнут не благодаря новым академическим прорывам – «хотя это исследование и важно», предостерегает он – а, скорее, через то, как промышленность решит оставшиеся инженерные проблемы и разовьет соответствующую цепочку поставок.
«Твердотельные аккумуляторы обладают огромным потенциалом, но от того, как отрасль решит эти [инженерные] задачи, будет зависеть, захватят ли они рынок аккумуляторов для электромобилей или останутся нишевым применением для легковых и грузовых автомобилей, перевозимых на очень большие расстояния», — говорит он.
Согласно недавнему исследованию Focus, платформы анализа искусственного интеллекта, которая прогнозирует технологические прорывы на основе глобальных патентных данных, технология твердотельных аккумуляторов совершенствуется на 31% в годовом исчислении. Хотя это и впечатляет, в настоящее время это недостаточный темп, чтобы потеснить действующих игроков: улучшение показателей литий-ионных батарей составляет аналогичные 30.5%.
МЭА прогнозирует, что твердотельные батареи будут играть важную роль в переходе к нулевому энергопотреблению, в частности, в декарбонизации тяжелого транспорта с помощью таких приложений, как электрические грузовики. «Однако важно, чтобы мы не переоценивали и не недооценивали отрасль», — говорит Ломбард. По его прогнозам, если твердотельным батареям удастся реализовать свой потенциал, то это произойдет где-то в 2030-х годах. «Прямо сейчас их действительно нужно переместить из лаборатории в реальный мир».
Со своей стороны, Ли полагает, что примерно в 2030 году полупроводниковые технологии станут массовыми. «До этого еще предстоит преодолеть множество технических препятствий», — говорит он. «[Недавние] прорывы не обязательно приближают дату 2030 года, они делают эту дату возможной».
Источник из Просто автомобиль
Отказ от ответственности: информация, изложенная выше, предоставлена just-auto.com независимо от Alibaba.com. Alibaba.com не делает никаких заявлений и не дает никаких гарантий относительно качества и надежности продавца и продукции.
