Перспективные аккумуляторы для электромобилей: Из чего скоро будут делать аккумуляторы для электромобилей

Из чего скоро будут делать аккумуляторы для электромобилей

1. Углеродные нанотрубки электрода лития
2. Медные нанопроволоки катода лития
3. Литий-воздушный карбон
4. Литий кремния
5. Гибрид углеродно-пенного конденсатора
6. Литий-кремниевый полимер
7. Литиевое серо-углеродное нановолокно
8. Литий-марганцевые композиты, кремний-углеродные нанокомпозиты

• Бонус

По итогам 2018 года продажи Tesla Roadster, Chevrolet Volt, Nissan Leaf, Fisker Karma и Mitsubishi MiEV не велики. Проблема в аккумуляторных батареях, не позволяющих совершать длительные поездки без подзарядки из-за малой емкости. Подробнее о проблемах электромобилей здесь

Многообещающие заявления ученых и итоги испытаний аккумуляторов для электромобилей, дают надежду, что вскоре автомобиль будет проезжать до 800 км на одном электродвигателе. Все идет к тому, что через 10 лет продажи электрических и гибридных (бензиново-электрических) авто, могут достичь одного процента от общих гигантских продаж автомобильного рынка. Это около 150 тысяч единиц в год.

До 2017 года Toyota, использовала никель-металлгидридные (Ni-MH) аккумуляторы (подробней об аккумуляторах и их видах здесь). Сейчас на рынок выходят автомобили с литий-ионными аккумуляторами, которые превосходят никель-металлгидридные в мощности и времени зарядки. В 2018 году электромобили Prius, RAV4 и гибрид Prius уже поставляются с литий-ионными.

Да, литий-ионные аккумуляторы маленький шаг для всего человечества в мире альтернативных источников топлива. Но давайте будем откровенны: технологии аккумуляторов для электромобилей и гибридов по-прежнему не идут в сравнение с бензиновым или дизельным двигателем. Ни один из электродвигателей не рассчитан на расстояние большее, чем 500 км.

• 2017 Tesla Model S – 507 км
• 2017 Chevrolet Bolt EV – 383 км
• 2017 Hyundai Ioniq Electric – 200 км
• 2017 Ford Focus Electric – 185 км
• 2017 BMW i3 (94-амерная батарея) – 183 км
• 2017 Nissan Leaf – 172 км
• 2017 Mitsubishi i-MiEV – 94 км

Электрические силовые агрегаты дороже бензиновых эквивалентов, примерно на 50%. Чтобы продажи электромобилей начали рост, должен быть повышен километраж пройденного пути на одном аккумуляторе и сокращена себестоимость производства.

Мы подобрали несколько перспективных технологий для аккумуляторов, которые могут прижиться в электромобилях. Аккумуляторы станут новым альтернативным видом топлива. Разработки ведутся в институтах, лабораториях и исследовательских центрах США, Японии, Великобритании и.… будете смеяться, России. Некоторые разработки финансируются из государственной казны.

Углеродные нанотрубки электрода лития

Больше положительных ионов, больше электроэнергии в аккумуляторной батарее | Разрабатывается в Массачусетском институте технологий

Используя слои углеродных нанотрубок – сильных микроскопических полых нитей с относительно большой площадью – ученые из Массачусетского института технологий разрабатывают катод (электрод, через который проходит поток электронов из аккумулятора), который хранит и высвобождает намного больше положительных ионов, чем обычные литиевые аккумуляторы. Идея состоит в том, что новый катод увеличит количество энергии, хранящейся в электрической батарее автомобиля и ускорит электрический поток в десять раз по сравнению с существующими продуктами. Также развитие новых катодов аккумулятора улучшит твердотелые конденсаторы и приведет к комбинации аккумулятор/конденсатор, которая будет в состоянии хранить и поставлять намного больше электроэнергии, чем любое другое доступное аналогичное устройство.

Про нанотрубки Массачусетский институт рассказал еще в 2010 году. Технология готова к продаже, вся техническая документация подготовлена. Чтобы углеродные нанотрубки электрода лития были применены в аккумуляторах электромобилей технологию должен купить заинтересовавшийся автопроизводитель и довести ее до ума применив в автомобилях. Затем проведут тест-драйвы, ряд обязательных краш-тестов. Только после этого машины с нанотрубками в аккумуляторах запустят в серийное производство. По нашим подсчетам, машины с этой технологией выйдут не раньше, чем через 5 лет.

Медные нанопроволоки катода лития

Надежда министерства энергетики США | Разработки ведет Университет штата Колорадо

В этом аккумуляторе пористый проводниковый графитовый электрод будет заменен на микроскопически тонкие медные провода. Эта разработка называется 3D блоком, потому что эти тонкие провода – толщиной в одну тысячную от толщины человеческого волоса – накапливают ионы на всей своей поверхности, а не только на плоской металлической. Медь менее чувствительна к высоким температурам. Ее способность аккумулировать ионы намного выше, чем у графита, который сейчас используется в литиевых аккумуляторах.

Литиевый аккумулятор с нанопроволокой вмещает и выдает больше энергии, чем обычные литиевые аккумуляторы электромобилей. Технология настолько перспективна, что проект заинтересовал министерство энергетики США, где поддерживают разработку электрических автомобилей. В разработку уже пошли первые финансовые вливания из казны США.

Литий-воздушный карбон

О чем молчит IBM? | Разработки IBM

Цель разработок IBM — увеличение пройденного пути автомобиля с электрической силовой установкой до 800 км. Машина покроет расстояние между городами в 600 км и еще весь день будет ездить по городу на одном только электродвигателе.

Для этого компания разрабатывает литий-воздушные батареи с потенциалом для гораздо большей плотности энергии, чем в литий-ионных аккумуляторах. IBM утверждает, что их аккумулятор работает дольше на одной подзарядке благодаря карбоновым электродам, в которых ионы вступают в реакцию с кислородом, но кислород не разрушает электролитной среды. IBM сохраняет режим тишины по поводу новой технологии, которая держит кислород под контролем, но сообщается, что разработка проводилась на молекулярном уровне. Себестоимость аккумулятора тоже держится в тайне. Литий-воздушные батареи вряд ли будут коммерчески доступны для производителей электрических автомобилей до 2020 года.

Литий кремния

Больше ионов! Больше! | Разработчик – Северо-Западный университет

Гарольд Х. Кун, работает в школе инженерных и прикладных наук им. Маккормика при Северо-Западном университете. Он изучает применение кремниевых электродов (обычно применяются углеродные), надеясь создать аккумулятор большой емкости с большим диапазоном работы. Кун утверждает, что, используя гибкие электроды и свойства кремния расширяться и сокращаться при поглощении и высвобождении ионов, литиевый аккумулятор сможет хранить в себе во много раз больше ионов чем обычный. Такой аккумулятор будет заставлять ионы двигаться быстрее – настолько быстро, что время зарядки электромобиля уменьшится.

Гибрид углеродно-пенного конденсатора

Самая запутанная из запутанных технологий аккумуляторов для электромобилей и гибридов | Разработка Мичиганского технологического университета

Ученые из Мичиганского технологического университета работают над аккумулятором, в котором объединят плотность накопленной энергии химического аккумулятора с эффективностью поставки энергии твердотелых конденсаторов. Для увеличения емкости в качестве катода в аккумуляторе используют углеродную пену. Используемый углеродный анод, гибрид аккумулятор/конденсатор меньше весит и дает больший заряд, чем обычный конденсатор. Устройство переживет не меньше 1000 циклов зарядки, не проявляя признаков снижения производительности.

Литий-кремниевый полимер

Умный полимер — залог будущего для гибридной батареи | Разрабатывается министерством энергетики

Ученые из Национальной лаборатории Лоренца Беркли в Калифорнии разрабатывают литиевый аккумулятор, который сможет хранить в себе большой объем энергии. Разработка известна как литий-кремниевый полимерный аккумулятор. В отличие от других технологий, которые используют кремниевые электроды, специально спроектированный полимер сохраняет структуру электродов, пока они расширяются и сжимаются, тем самым увеличивая объем энергии принимаемой на хранение.

Литиевое серо-углеродное нановолокно

Разработчик – Стэнфордский университет

Ученые Стэнфордского университета утверждают, что способность кремния аккумулировать намного больше ионов лития, чем нынешние электроды, делает его №1 в выборе, когда речь заходит об увеличении плотности энергии в аккумуляторе. Но здесь есть одна проблема: кремний сильно расширяется, когда поглощает ионы, и эта подвижность приводит к разрушению проводимости анода. Однако изготовление нановолокон из кремния снижает этот эффект.

Кроме того, ученые обнаружили, что углеродные нанотрубки, внутренняя поверхность которых покрыта серой, позволяют аккумулятору отдавать до десяти раз больше энергии, чем обычные литиевые аккумуляторы. Утверждается, что сера это экологически чистое и дешевое покрытием для электродов, она легко доступна и не токсична.

Литий-марганцевые композиты, кремний-углеродные нанокомпозиты

До 500 км. на одном аккумуляторе обещает компания с парфюмерным названием | Разрабатывается компанией Envia Systems

Первоочередная разработка компании — патентованный катодный материал на основе марганца, богатого металла, который высокоустойчив при использовании в аккумуляторных батареях. По словам компании, Envia марганец дешевле, чем распространенные катоды на основе кобальтового материала. Его использование снизит себестоимость аккумуляторных батарей для гибридов. Также, по словам представителей компании, технология увеличит диапазон работы электродвигателя до 500 км.

Бонус

Технология которая уже применяется: 12-вольтный аккумулятор с аббревиатурой AMG

Несмотря на то, что в гибридных автомобилях стоят мощные силовые источники, бортовые компьютеры, свет, замки питают обычные 12-вольтные аккумуляторы. Последнее поколение 12-вольтных свинцово-кислотных батарей называются Absorbed glass mat – AMG. В AMG содержится серная кислота электролита в сочетании с гелем вместо жидкого электролита. Эти свинцово-кислотные батареи удерживают заряд до одного года, служат дольше чем обычные батареи, герметичны, не требуют обслуживания, устойчивы к тряске. Недостатки в том, что AMG батареи много весят, требуют специальную зарядку, стоят дороже.

Тема про аккумуляторы бесконечна. Еще одно интересное рассуждение на тему, какой аккумулятор для запуска автомобиля лучше: литиевый или свинцово-кислотный, читайте тут.

В завершение, посмотрите видео — ролик о тайных разработках электромобилей в СССР

Будущее: Наука и техника: Lenta.ru

В первой половине XXI века человечество начинает отказываться от машин на двигателе внутреннего сгорания. Традиционные средства передвижения перестанут производить уже скоро — на горизонте 10-20 лет отказ от ДВС кажется вполне реальным. Осталось только решить проблемы электрических силовых установок — новых источников движения. Что тормозит развитие автомобилей на электротяге, какие существуют недостатки современных аккумуляторов и как улучшить батареи, — читайте в материале «Ленты.ру».

Летом 2021 года Илон Маск упрекнул Apple в провале борьбы за экологию планеты. По словам Маска, в батарее для iPhone используется недопустимое количество кобальта, при этом в Tesla уже придумали, как снизить его долю до двух процентов. Кобальт — один из самых проблемных материалов, используемых в аккумуляторах. Батареям без него не обойтись, но данный элемент добывают с нарушением условий труда в Демократической Республике Конго, а также он очень токсичен.

В истории производства современных аккумуляторов есть очень много проблемных вопросов, поэтому радоваться Маску как минимум преждевременно. Даже полный отказ от кобальта, что сейчас в принципе невозможно, не гарантирует безопасности и высокого качества батарей. Что еще не позволяет назвать современные электрокары — главных потребителей мощных аккумуляторов — самым экологичным и эффективным видом транспорта?

Проблемы быстрых людей

Не только компании по производству электрических автомобилей, но и сегмент потребительской электроники зависят от лития. Первый прототип литий-ионной батареи в 1980 году создал американский инженер Джон Гуденаф. Современный вариант аккумулятора для гаджетов и автомобилей запатентовала компания Sony — это случилось в 1991 году. На фоне традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов литий-ионные могут выдать больше энергии и имеют больший срок эксплуатации. Однако у лития есть два больших недостатка. В первую очередь это цена, которая растет из-за увеличения спроса на материал. Также литий-ионные батареи зависят от внешней среды — они теряют эффективность после тысячного цикла зарядки, легко воспламеняются, выдают низкую мощность при отрицательных температурах, дороги при транспортировке.

Кадр: Real World Police / YouTube

Так как Tesla находится в авангарде рынка электрокаров (по крайней мере, в медийном плане), все проблемы продукции концерна рассматривают под микроскопом. Как и автомобили других производителей, машины Tesla попадают в ДТП, горят, взрываются, но к транспортным средствам будущего всегда приковано повышенное внимание. Дорожно-транспортные происшествия, как правило, возникают из-за двух моментов — проблем с автопилотом и аккумулятором. Если первое можно исправить на уровне софта, то неполадки с батареями будут внушать опасения на протяжении всего срока эксплуатации авто — как минимум их нынешним хозяевам.

Судя по новостям, основанные на литий-ионных аккумуляторах машины компании Маска крайне быстро загораются, а ликвидация последствий аварии связана с риском для спасателей и пожарных. Случаи возгорания батарей происходят как на парковке, так и в движении. Довольно часто батарея загорается при сильном ударе или перегреве. Например, в апреле два человека погибли в электрокаре Tesla после столкновения с деревом. Машина загорелась, пожар тушили около четырех часов.

Климат также мешает нормальной эксплуатации машин на электрической тяге. Если бензиновый автомобиль примерно одинаково функционирует как при низкой, так и при высокой температуре, то сезонные колебания температуры сильно влияют на технические характеристики электрокара. Как правило, зимой батареи быстро садятся, а летом могут перегреться.

Несмотря на недостатки лития, от этого материала точно не откажутся в ближайшие десятилетия. По оценке аналитиков BloombergNEF, в ближайшие несколько лет рынок решит одну из проблем — вопрос с ценой материала. Специалисты заявляют, что в начале XXI века литий-ионные батареи стоят в 30 раз дешевле, чем в 1990-х годах. К 2023 году стоимость аккумуляторов снизится до ста долларов за киловатт-час, что на 20 процентов ниже, чем сейчас.

Что с экологией? Как и в случае с экономикой, вопрос безопасной переработки будет решен благодаря эффекту масштаба. Ученый Ханс Эрик Мелин полагает, что как только на рынке окажется огромное количество изношенных батарей — буквально миллионы тонн, — то сразу появится адекватное предложение. Утилизировать аккумуляторы будет экономически обоснованно. Это видно на примере свинцово-кислотных аккумуляторов, которые успешно перерабатываются, даже несмотря на то, что свинец является очень дешевым материалом. «Из-за объема утилизировать его выгодно», — считает специалист по хранению энергии в Исследовательском институте электроэнергетики в Пало-Альто Хареш Камат.

Как нам обустроить EV?

Если с вопросами стоимости и экологии будет покончено, то остальные недостатки современных аккумуляторов можно будет решить с помощью технического прогресса. Одним из вариантов повышения эффективности батареи является добавление в ее состав кремния. Даже если кремний будет составлять менее десяти процентов от состава аккумулятора, это увеличит плотность накапливаемой энергии до 400 ватт-час. Также будет увеличен срок службы и огнестойкость элементов. Батареи с добавлением кремния подходят для быстрой зарядки, а значит, время на полную заправку электрокара можно будет сократить.

Специалисты ABI Research предсказывают постепенное добавление кремния в аккумуляторы в период с 2023 по 2025 годы. Через несколько лет будет создана батарея с показателем плотности энергии 400 ватт-час.

«Литий-кремниевые и твердотельные аккумуляторы — это технологии, на которых будут основаны будущие электрокары», — заявил ведущий аналитик ABI Research Джеймс Ходжсон. Твердотельные батареи отличаются от традиционных тем, что основаны на плотных материалах, например, керамике или стекле. Преимущества подобных аккумуляторов очевидны. Во-первых, чем меньше деталей в компоненте, тем ниже риск поломки. Во-вторых, твердотельные батареи сохраняют 90 процентов емкости даже после пяти тысяч циклов, в-третьих, рассчитаны на быструю зарядку — до 80 процентов за 15 минут.

Основная проблема твердотельных элементов заключается в их дороговизне. Однако и литий-ионные батареи всего каких-то 20 лет назад были дороги в производстве и эксплуатации

Одной из новейших инициатив в улучшении батарей для электрокаров является разработка литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Ученые Университета штата Пенсильвания в начале 2021 года создали прототип батареи, которая имеет запас хода 400 километров и заряжается всего за десять минут. Общий ресурс такого элемента составляет более трех миллионов километров. Ключевой особенностью батареи является ее способность быстро нагреваться до 60 градусов и так же быстро остывать. При подключении к источнику энергии тонкая никелевая фольга, один конец которой прикреплен к отрицательной клемме, а другой выходит за пределы ячейки, нагревает внутреннюю часть батареи.

В результате такого самонагрева можно не беспокоиться о неравномерном распределении лития в компоненте или — простыми словами — о возникновении опасной ситуации в процессе быстрой зарядки. Благодаря своей конструкции, литий-железо-фосфатные аккумуляторы предпочтительны в использовании в спортивных электромобилях. «Машина с такой батареей может разгоняться с нуля до 60 километров в час за три секунды и будет “топить”, как Porsche», — отметил заведующий кафедрой машиностроения университета Чао-Ян Ван.

Фото: Michele Tantussi / Reuters

Одним из трендов в автомобилестроении — конкретнее, в сегменте электрокаров последних лет — является постепенная ориентация на бюджетный сектор. Например, Tesla из-за государственных субсидий уже продает в Китае свои автомобили со скидкой, а в недалеком будущем компания намерена выпустить полностью автономный электрокар дешевле 25 тысяч долларов. Поэтому многие автопроизводители сейчас обращают внимание на натриево-ионные аккумуляторы.

Материалы по теме:

Элементы такого типа использовались еще в 1970-х годах, однако литий-ионные аккумуляторы в конце XX века считались более перспективными. Проблемы последних заставляют продолжить работу над батареями на основе натрия. Натриево-ионные аккумуляторы не устроят революцию в отрасли, но могут дать развитие сегменту доступных электромобилей. В первую очередь такой тип компонентов безопасен — они имеют более низкую плотность энергии, медленнее заряжаются и не так предрасположены к воспламенению. В этой связи батареи могут прослужить дольше, чем литий-ионные аккумуляторы.

Также зарядные элементы такого типа гораздо дешевле в производстве. По оценке аналитиков Jefferies Group LLC, в земных недрах содержится в 300 раз больше натрия, чем лития. Распределение этого материала более равномерно, поэтому автопроизводители не страдают от дефицита и не зависят от политической конъюнктуры в одной конкретной стране, что наблюдается в случае с кобальтом.

Большая проблема натриево-ионных аккумуляторов заключается в том, что в мире еще не налажены стабильные цепочки поставок основного компонента. Однако к 2023 году ситуация изменится в лучшую сторону.

***

Если говорить о кобальте, то производители батарей могут постепенно отказаться от этого материала — как и мечтал Илон Маск. В конце лета 2021 года китайская компания SVOLT разработала первый аккумулятор для автомобилей, не имеющий в своем составе кобальта.

Детали проекта не раскрываются, но известно, что электрокар на базе данного элемента может проехать до 600 километров на одном заряде и разогнаться до ста километров в час за пять секунд. Если технология бескобальтовых батарей станет флагманской на рынке, то индустрия решит проблему зависимости от одного компонента, а ситуация с эксплуатацией детского труда может измениться в лучшую сторону.

Новые аккумуляторы, 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 процесс еще далек от завершения

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 аккумуляторов 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 регулирования температуры, 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 батареи

Технология твердотельных батарей названа очень точно: обычно это относится к батареям, 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 большей дальностью действия от батареи того же размера или с 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 аккумулятору 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 соблазнительно 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 станет широко доступной 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.

Тем не менее, эти аккумуляторные технологии появятся достаточно рано на кривой внедрения электромобилей, чтобы внести основной вклад в ее переломный момент.

Будущее аккумуляторов для электромобилей

Добро пожаловать в будущее аккумуляторов для электромобилей

Гонку за лучшими аккумуляторами для электромобилей называют следующей золотой лихорадкой. Вот что грядет.

Появляется много новых технологий, которые могут упростить владение и эксплуатацию автомобиля с нулевым уровнем выбросов. Проблемы «беспокойства по поводу дальности» и «длительного времени зарядки» скоро уйдут в прошлое, поскольку аккумуляторные блоки предлагают более 500 миль дальности между зарядками, которые занимают всего несколько секунд, и питание доступно вам по воздуху.

Мы на пороге аккумуляторной революции. Производители электромобилей знают, что для того, чтобы иметь электромобиль в каждом гараже, американцам требуется больший запас хода и более быстрая зарядка. Они хорошо осведомлены об ограничениях нынешних литий-ионных аккумуляторов, которыми питаются современные электромобили. В то время как компьютерные чипы и операционные системы продолжают развиваться в области энергосбережения, аккумуляторные батареи были слабой связью… до сих пор.

Давайте взглянем на исследования, которые могут привести к захватывающему новому миру аккумуляторных технологий для электромобилей завтрашнего дня.

Аккумуляторы как конструктивные компоненты

Исследования в Технологическом университете Чалмерса были сосредоточены на использовании новой аккумуляторной технологии в качестве конструктивного компонента будущих электромобилей. Это может привести к созданию более легких транспортных средств, в которых части кузова являются батареями. Используя углеродное волокно в качестве отрицательного электрода, в то время как положительный представляет собой фосфат лития-железа, эти батареи будут чрезвычайно жесткими и жесткими для структурных компонентов.

Электроды из углеродных нанотрубок

Компания NAWA Technologies разработала и запатентовала сверхбыстрый углеродный электрод, который может заменить известные нам батареи. В нем используется вертикально ориентированная углеродная нанотрубка, которая может увеличить мощность батареи в десять раз по сравнению с существующими аккумуляторными блоками. Это также может увеличить накопление энергии в три раза и увеличить срок службы батареи в пять раз. NAWA говорит, что время зарядки составит всего пять минут, чтобы достичь 80-процентного заряда. Эта технология может быть запущена в производство уже в 2023 году9.0003

Аккумуляторы без кобальта

Техасский университет работает над литий-ионным аккумулятором, в котором в качестве катода не используется кобальт. Вместо этого он использует до 89% никеля, а также алюминий и марганец. Мотивация заключается в том, что кобальт редок, дорог и вреден для источника. Команда U of T говорит, что их батареи также обеспечивают более элегантное распределение ионов.

Китайская компания SVOLT производит аккумуляторы без кобальта для рынка электромобилей. Они утверждают, что имеют более высокую плотность энергии, в результате чего дальность действия автомобиля составляет до 500 миль на одной зарядке.

Кремниевые анодные батареи

В поисках лекарства от нестабильного кремния в литий-ионных батареях исследователи из Университета Восточной Финляндии разработали метод производства гибридного анода, в котором используются микрочастицы мезопористого кремния и углеродные нанотрубки. Они надеются заменить графит в качестве анода кремнием, емкость которого в десять раз больше. Цель состоит в том, чтобы улучшить производительность батареи. Лучше всего то, что источник этого силикона является экологически чистым, поскольку он сделан из золы ячменной шелухи.

Аккумулятор, извлеченный из морской воды

Компания IBM Research открыла новый химический состав аккумуляторов, который не содержит тяжелых металлов и может превосходить литий-ионные аккумуляторы. Материалы добываются из морской воды. IBM заявляет, что эти батареи будут дешевле в производстве, смогут заряжаться быстрее и будут обладать более высокой плотностью энергии и мощностью. В настоящее время компания работает с Mercedes-Benz над разработкой технологии.

Батареи из песка продлевают срок службы

Исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде работают над технологией батарей, в которой используется песок для создания чистого кремния, обеспечивающего в три раза более высокую производительность, чем современные литий-ионные батареи на основе графита. Этот новый чистый кремний также увеличивает срок службы батарей.

Компания-производитель аккумуляторов под названием Silnano выводит эту технологию на рынок благодаря финансированию Daimler и BMW, обещая в ближайшем будущем 40-процентное повышение производительности аккумуляторов.

Powered by Wi-Fi

Представьте, что во время вождения ваш автомобиль питается через Wi-Fi. Вам никогда не придется перезаряжать аккумулятор от сети. Хотя до этой технологии еще далеко, исследователи разработали собирающую радиоволны антенну толщиной всего в несколько атомов, которую можно использовать для подзарядки будущих электромобилей с помощью электромагнитных волн.

Концепция включает в себя включение ректенны из дисульфида молибдена, чтобы мощность переменного тока можно было загружать из Wi-Fi и преобразовывать в мощность постоянного тока для подзарядки аккумулятора или прямого питания электромобиля. Будем надеяться, что это не поджарит вам мозг одновременно.

Ультразвуковая зарядка по воздуху

Другой способ возможной передачи перезаряжаемой энергии по воздуху — ультразвук. Компания uBeam превращает энергию в звуковые волны, которые можно передать на ваш электромобиль, а затем снова превратить в энергию. Прямо сейчас uBeam экспериментирует с использованием этой технологии для питания смартфонов и ноутбуков, но кто знает, к чему это может привести?

Зарядите свой автомобиль за 5 минут

Говоря о зарядке смартфонов, компания-стартап StoreDot, основанная на факультете нанотехнологий Тель-Авивского университета, разработала зарядное устройство, в котором используются биологические полупроводники. Они используют органические пептидные соединения, которые являются строительными блоками белков. В результате получилось зарядное устройство, которое может зарядить ваш смартфон всего за 60 секунд, а органические соединения негорючи для более безопасной зарядки. В настоящее время StoreDot производит аккумуляторы для электромобилей, которые заряжаются за пять минут и обеспечивают запас хода в 300 миль.

Батареи, которые никогда не сдохнут

Ученые Калифорнийского университета работают над батареями из нанопроволоки, которые никогда не сдохнут. Золотые нанопроволоки в тысячу раз тоньше человеческого волоса и находятся в геле электролита, чтобы предотвратить их разрушение во время перезарядки. Они были протестированы перезарядкой более 200 000 раз в течение трех месяцев и не показали никаких признаков деградации.

Твердотельные батареи

Традиционно твердотельные батареи обеспечивают стабильность, но за счет передачи электролита. Тем не менее, ученые Toyota тестируют твердотельную батарею, в которой используются сульфидные суперионные проводники, чтобы улучшить батарею, которая может работать на уровне суперконденсатора и заряжаться всего за семь минут. Кроме того, твердотельный накопитель делает его более безопасным, чем нынешние варианты аккумуляторов.

Solid Power Inc. производит твердотельные батареи для электромобилей с использованием полностью твердотельных элементов на основе сульфидов. Тем временем QuantumScape разрабатывает твердотельные аккумуляторы для Volkswagen. Есть надежда, что к 2026 году эти изменяющие правила игры батареи будут использоваться в электромобилях.

Воздушно-цинковые батареи

Исследователи из Сиднейского университета нашли способ производить воздушно-цинковые батареи гораздо дешевле, чем затраты на современные методы. Воздушно-цинковые батареи превосходят литий-ионные, так как не могут загореться. Проблема заключалась в том, что воздушно-цинковые батареи изготавливаются из очень дорогих компонентов, но университет нашел способ использовать гораздо более дешевые альтернативы. Таким образом, вскоре могут появиться более дешевые и безопасные аккумуляторы.

Зарядка в двадцать раз быстрее

Двухуглеродная технология Ryden позволяет батареям работать дольше и заряжаться быстрее, чем литиевые, но может производиться на тех же заводах, где производятся литиевые батареи. Power Japan Plus заявляет, что батареи более экологичны, служат дольше, безвредны для окружающей среды и могут заряжаться в 20 раз быстрее, чем обычные батареи.

Представьте себе 500 миль без подзарядки

Компания Graphenano разрабатывает графеновую батарею, которая, по ее словам, будет работать на расстоянии 500 миль и может быть перезаряжена всего за несколько минут. Компания заявляет, что ее аккумуляторы будут заряжаться и разряжаться в 33 раза быстрее, чем литий-ионные аккумуляторы.

Представьте себе 1100 миль на одном заряде!

Экспериментальный автомобиль недавно проехал 1100 миль на одном заряде батареи. Это стало возможным благодаря технологии алюминиево-воздушных аккумуляторов, в которой для заполнения катода используется кислород из воздуха, что делает его намного легче, чем заполненные жидкостью литий-ионные аккумуляторы, что увеличивает запас хода электромобиля.

Новая золотая лихорадка

По данным исследовательской компании Auto Pacific, продажи электромобилей в Америке вырастут в четыре раза в ближайшие пять лет, увеличившись с двух процентов продаж автомобилей сегодня до примерно семи процентов в 2026 году.