Новости аккумуляторов для автомобилей

Самые значимые достижения 2020 года в разработке аккумуляторов

Уже через несколько лет традиционные литий-ионные батареи будут не актуальны с их нынешними характеристиками. В прошедшем году ученые предлагали самые разные способы улучшить аккумуляторы, сделав их мощнее, экономичнее и эффективнее.

Безопасный металлический литий

Один из самых перспективных новых материалов — металлический литий. Его использование в качестве анода может серьезно повысить плотность аккумулятора и продлить срок его службы. Но металлический литий небезопасен: при зарядке на аноде формируются наросты (дендриты), что ведет к коротким замыканиям и возгоранию — не очень привлекательная перспектива.

Ученые из Вашингтонского государственного университета предложили добавить несколько химикатов в раствор катода и электролита. Благодаря этому на поверхности анода образовался защитный слой и анод смог оставаться стабильным при зарядке в течение 500 циклов. Плюс технологии — возможность ее интеграции в существующие производственные процессы.

Аккумулятор с ультразвуком

Весьма творчески подошли к решению проблемы с металлическим литием ученые Калифорнийского университета в Сан-Диего. Они разработали миниатюрное ультразвуковое устройство и включили его в литий-металлическую батарею. Устройство посылает высокочастотные звуковые волны через жидкий электролит, заставляя его плавно течь, а не оставаться в статике.

Это, в свою очередь, приводит к равномерному распределению лития на аноде и дендриты не нарастают. При тестировании аккумулятор с новым оборудованием заряжался с 0 до 100% всего за 10 минут и продержался 250 циклов зарядки.

Самые быстрые электроды в мире

Специалисты французского стартапа Nawa Technologies решили изменить структуру электродов в обычных литий-ионных батареях — их мощность значительно увеличилась. Вместо беспорядочной структуры, требующей, чтобы заряженные ионы перемещались по лабиринту, разработчики предложили электрод, который состоит из вертикально выровненной структуры, напоминающей щетку для волос, с высокопроводящими углеродными нанотрубками.

По сути, это создает скоростную трассу для перемещающихся ионов и позволяет увеличить скорость заряда батареи в 10 раз — пополнение аккумулятора от 0 до 80% происходит всего за 5 минут. Срок службы вырастает в 5 раз, а плотность энергии увеличивается трехкратно.

Нанонити для увеличения емкости

Российские учёные из МИЭТ разработали нанонити, которые способны увеличить емкость батарей в 3 раза, а тепловые потери в процессе работы благодаря им можно обратить в электричество.

По замыслу ученых, нанонити из германия могут заменить графитовые электроды в современных батареях. Емкость их при этом повысится, а размеры не изменятся.

Кремний может хранить в четыре раза больше ионов лития, чем современные графит и медь, но емкость батарей быстро уменьшается. Ученые из Кореи нашли метод этого избежать. Кремниевый анод поместили в специальный раствор, который заставляет электроны и ионы лития просачиваться в электрод — так компенсируются потери.

Обычно аноды на основе кремния теряют более 20% ионов лития во время зарядки, а новый анод потерял менее 1%. Также его плотность энергии на 25% выше, чем коммерчески доступные аналоги.

Натрий-ионные аккумуляторы из пластиковых бутылок

Еще один вид аккумуляторов с большим потенциалом — это натрий-ионные. Ученые из Университета Пердью использовали обычные пластиковые отходы для создания ключевого компонента такой батареи.

Для превращения пластика в хлопья они применили стандартную микроволновую технологию, обработав его сверхбыстрым микроволновым излучением. В результате ученые получили терефталат натрия, известный своими хорошими электрохимическими характеристиками и пригодный для производства натрий-ионной батареи.

Электроды из панцирей креветок

Хитин, содержащийся в панцирях креветок, в Массачусетском технологического институте использовали для производства экологически безопасного электрода для проточной батареи. Вместо того, чтобы хранить энергию внутри самого аккумулятора, такие батареи хранят энергию в жидких электролитах в огромных внешних резервуарах, которые при необходимости можно просто увеличить.

Ученые решили сделать ключевой строительный блок этих батарей из экологически чистых материалов. Для производства электродов для проточной батареи они взяли хитин из панцирей креветок в сочетании с войлоком. Кроме высоких показателей удельной мощности такой батареи, у нее есть еще преимущество — низкая стоимость исходного материала.

Самый прочный электролит в мире

Еще один пример твердотельной батареи с впечатляющей долговечностью — изобретение исследователей из Университета Брауна. Они утверждают, что, добавив графен в керамический материал, сделали самый прочный твердый электролит на свете.

Что любопытно, графен обладает высокой проводимостью, а это как раз нежелательно для электролита батареи. Но, поддерживая концентрацию графена на достаточно низком уровне, ученые смогли найти золотую середину, которая не позволяла графену проводить электричество, но при этом обладала высочайшей прочностью.

Жидкометаллическая батарея, работающая при комнатной температуре

Обычно в жидкометаллических аккумуляторах металлы нужно нагревать до температуры не менее 240 °C. Но экспериментальная полностью жидкометаллическая батарея способна работать при комнатной температуре и по характеристикам гораздо лучше литий-ионных аккумуляторов.

В ней ученые из Техасского университета в Остине использовали сплавы, способные оставаться жидкими при комнатной температуре. Такая батарея имеет более высокую мощность, чем литий-ионная, и гораздо быстрее заряжается.

Новое покрытие для старой батареи

В Аргоннской Национальной Лаборатории нашли способ продлить срок службы привычных литий-ионных аккумуляторов — для этого использовали инновационное катодное покрытие из полимера PEDOT.

Благодаря такому покрытию традиционные аккумуляторы становятся безопаснее, так как не образуется нежелательная пленка на катоде. При этом , срок их службы продлевается, так как повышается рабочее напряжение.

Источник

Россияне научили аккумуляторы заряжаться за секунды

Российские ученые создали особый полимерный материал для катодов аккумуляторов, позволяющий сократить время их зарядки до нескольких секунд и одновременно повысить их плотность вместе с временем службы. АКБ с новыми катодами смогут проработать до 70 лет и при этом сохранить около трети своей емкости.

Аккумуляторы станут лучше

Российские специалисты из «Сколтеха», Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева (РХТУ) и Института проблем химической физики (ИПХФ) разработали новые материалы на основе полимеров для использования их в качестве катода в современных аккумуляторах. Как сообщили CNews представители РХТУ, исследователи протестировали их в составе особых литиевых двухионных батарей и на выходе получили сверхбыстрые АКБ, заряжающиеся за несколько секунд.

Использование новых катодных материалов не только привело к сокращению времени, уходящего на подзарядку аккумулятора, но и позволило значительно продлить срок его службы. Такие АКБ способны выдерживать до 25 тыс. циклов перезарядки.

По заявлениям авторов новой технологии, с использованием катодов на ее основе могут быть созданы еще и калиевые двухионные аккумуляторы, в которых дорогостоящий и очень неэкологичный (даже на этапе производства) литий заменен на более доступный и менее редкоземельный и токсичный калий.

Два полимера и новый тип аккумулятора

Специалисты РХТУ, ИПХФ и «Сколтеха» синтезировали сразу два новых разветвленных полимера – сополимер дигидрофеназина и дифениламина и сополимер дигидрофеназина и фенотиазина. Тесты показали, что первый полимер намного лучше справляется с поставленной задачей – именно он позволил добиться полной зарядки АКБ за несколько секунд. Кроме того, при его использовании батарея способна пережить до 25 тыс. циклов перезарядки и сохранить при этом до трети своей емкости. Специалисты подсчитали, что при обычных условиях эксплуатации такой аккумулятор мог бы служить до 70 лет.

В качестве анода ученые использовали металлический литий, но они также провели эксперимент и с калием. Батареи с анодом из этого материала и сополимером дигидрофеназина и фенотиазина в виде катода продемонстрировали повышенную плотность энергии – вплоть до 398 Втч/кг. Литиевые аккумуляторы с таким же катодом демонстрировали в 1,5-2 раза меньшую плотность – от 200 до 250 Втч/кг.

Материалы катодов, которые разработали исследователи, созданы на основе полимерных ароматических аминов. К их особенностям относится, помимо прочего, еще и возможность синтезировать их из различных органических соединений. Что касается двухионных АКБ, то в электрохимических процессах внутри них, в отличие от обычных литий-ионных батарей, задействованы как анионы, так и катионы электролита. Это напрямую влияет на многократный прирост скорости подзарядки.

«У нашей группы уже были работы по полимерным катодам для сверхбыстрых аккумуляторов с хорошей емкостью, которые можно заряжать и разряжать за несколько секунд. Среди прочих, раньше мы использовали линейные полимеры, у которых каждое мономерное звено образует связи только с двумя соседями, а в этой работе мы продолжили изучение новых разветвленных полимеров, у которых каждое звено может образовывать связи как минимум с тремя другими звеньями. Они формируют объемные сетчатые структуры, которые обеспечивают более быструю кинетику электродных процессов», – отметил первый автор работы, аспирант «Сколтеха», Филипп Обрезков. «С электродами из таких материалов аккумуляторы могут еще быстрее заряжаться и разряжаться», – добавил он.

Конкурирующие разработки

Авторы изобретения не уточнили, когда, по их прогнозам, может начаться массовое производство аккумуляторов, в которых используются созданные ими полимерные катоды. Между тем, в России существует целый ряд перспективных технологий, позволяющих улучшить современные элементы питания и способных составить конкуренцию детищу сотрудников РХТУ, ИПХФ и «Сколтеха».

Например, если эти ученые предлагают заменить литий на калий, то группа специалистов из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН и немецкого Центра им. Гельмгольца в Дрезден-Россендорфе считают, вместо лития следует использовать другой щелочной металл – натрий. CNews писал, что натрий в данном случае позволит снизить нагрузку на окружающую среду, поскольку добывать его проще, чем литий – он есть даже в обычной поваренной соли. Отсюда вытекает и снижение затрат на его добычу, а его применение в АКБ позволит сделать элементы питания более стабильными – литиевые аккумуляторы известны своей взрывоопасностью.

У специалистов «МИСиС» есть и еще одна альтернатива литиевым батареям, в которой нет ни натрия, ни калия – только сорняковое растение, в изобилии растущее во многих регионах России. Они предлагают делать не аккумуляторы, а суперконденсаторы с электродом из стеблей борщевика – для их превращения в углеродный материал, а затем и в электроды ученые разработали особую технологию их обработки, включающую воздействие на них соляной кислоты и насыщение углекислым газом.

Созданная технология преобразования борщевика в электроды суперконденсаторов была протестирована в лабораторных условиях, и эксперимент завершился успехом. Но, как и в случае с полимерными катодами и калиевыми АКБ за авторством ученых из РХТУ, ИПХФ и «Сколтеха», сроки коммерциализации этой идеи авторы не уточняют.

Источник

Что нового в аккумуляторах: 10 фактов и новостей в 2021-м

Что на самом деле нового происходит в мире аккумуляторов для потребительской электроники и электромобилей? Предлагаем взглянуть на 10 наиболее интересных фактов и новостей за прошедший год.

В большой пучине пустых обещаний и ничем не подкреплённых анонсов нам помог разобраться доктор наук Крис Хорн (Chris Horn) из Ирландии.

Забегая наперёд, к 2021-му году мы не получили ни одной революции аккумуляторных технологий. Короли рынка всё ещё литий-ионные аккумуляторы. Да, им уже 30 лет в обед, но достойной альтернативы все ещё не появилось. И на ближайшее будущее особых надежд никто не питает даже среди учёных.

Кто такой Крис Хорн и почему мы прислушались к его мнению?

Крис Хорн (Chris Horn) — крупный деятель научного плацдарма Ирландии, доктор наук, предприниматель, промышленник, управленец, председатель в именитых ВУЗах страны. Известен по таким компаниям, как IONA Technologies, IBEC, Sophia Search, Science Gallery. Имеет множество наград за научный вклад в Ирландии.

Крис Хорн о современной ситуации в мире аккумуляторов

«Мы все стали намного лучше осведомлены об улучшениях в технологии аккумуляторов. Просто потому что мы ищем новейшие ноутбуки, смартфоны и гаджеты.

Значительную часть их размера и веса составляет аккумулятор. А ведь всем нам нужны устройства полегче и покомпактнее.

Время, доступное между подзарядками, также влияет на наши решения о покупке. Но многократная подзарядка сокращает срок службы батареи. И всё чаще производители не предусматривают возможность замены батареи».

В 2021-м году Крис Хорн высказался об эволюционной характеристике современных аккумуляторов. Мы хотели бы запечатлеть его высказывания в контексте ключевых событий 2020-го, так как они однозначно заслуживают нашего с вами внимания.

Что нового у аккумуляторов электроники: 10 интересных фактов

Многие из вас наверняка сразу же снимут с уст слово «электромобили», но это лишь распиаренная инвесторами тема. Касаемо аккумуляторных технологий мы предпочитаем научный подход. Давайте посмотрим, что получилось в итоге.

1. Системы хранения энергии

Возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнце, уже давно не фантазия утопистов. Даже в нашей стране ветряки существовали ещё при СССР, крупнейшие солнечные электростанции вы найдёте вдоль южных границ на Алтае, в Оренбурге, Ставрополе, Крыму и так далее.

В таких системах возникает необходимость балансировать нагрузку (например, из-за капризов погоды).

По всему миру все последние годы активно развиваются проекты и строятся комплексы по сохранению энергии в аккумуляторах. В России в том числе — вот вам пример, а вот другой. Гигантские накопительные батареи обеспечивают ёмкости на сотни мегаватт-час и подстраиваются к городским или промышленным энергосистемам — и это настоящий тренд 2021.

2. Климатические условия для аккумуляторов

Если раньше для электротранспорта (Electric Vehicle, EV) более всего важно было обеспечить как можно большее расстояние пробега на одном заряде в принципе, то за прошлый год учёные озаботились этой характеристикой в экстремальных условиях эксплуатации. Например, зимой в России или Канаде. Либо в супер-жарких климатических регионах.

Тяговые аккумуляторные батареи в электротранспорте «не любят» отклонения от температурной нормы (ниже -20°C и выше +50°C для Li-Ion). Дальность хода снижается, срок службы сокращается.

Нужны климатические адаптации — подогреватели, охладители и так далее. За прошедший 2020-й год в отрасли возникли масштабные проекты и стартапы в этой области. Финансируют это сами автопроизводители. Опытное применение на практике мы увидим в течение 2021-го года в электромобилях, гироскутерах, электроскейтах, велосипедах и самокатах на аккумуляторах и так далее.

3. Безопасность литиевых аккумуляторов

За последний год было получено более десятка сообщений о возгорании литий-ионных аккумуляторов в электромобилях. Ни один из этих случаев не связан с ДТП. Просто припаркованный или заряжаемый электромобиль самопроизвольно загорелся.

Из-за многочисленных самовоспламенений были отозваны целиком партии электромобилей во всём мире:

• • Hyundai Kona EV (источник) в октябре 2020 года;
• • Chevy Bolt EV от General Motors (источник) в ноябре 2020 года.

Вот каким предостережением поделился Крис Хорн : « Если у вас есть лодочный прицеп, то будьте предельно осторожны при спуске лодки на воду, чтобы не погрузить аккумулятор электромобиля в водоём! » Автопроизводители вынуждены теперь печатать это в инструкциях к электромобилям, исходя из опыта нескольких случаев в 2020-м.

4. Литий — новое «белое золото»

По крайней мере, так считают участники глобальной торговли сырьевыми товарами. Мировой спрос на литий увеличился благодаря батареям для электромобилей.

Узнайте всё про литий для аккумулятора: откуда он берётся, почему дорожает?

Например, производство аккумуляторов Tesla зашло так далеко, что компания намеревается целиком взять под контроль все поставки редкоземельных металлов. Сейчас она уже владеет промышленностью по добыче лития.

5. Кобальт дорожает

Ещё один чуть менее важный для аккумуляторного рынка химический элемент — кобальт. Он тоже дорожает, так как используется в большинстве современных аккумуляторов электромобилей. Материал составляет при этом значительную часть стоимости тяговых батарей.

Демократическая Республика Конго контролирует большую часть мирового производства кобальта на данный момент (источник). Высокий спрос вынуждает предприятия по добыче идти на нарушения законов. В 2020-м даже были заявления о детском труде и нарушениях прав человека в Республике Конго при разработке этого ценного ресурса.

6. Усовершенствование аккумуляторов больше не выгодно откладывать

Может показаться, что аккумуляторы не совершенствуют нарочно — ведь можно ещё выжать все «соки» из существующих разработок. Однако действительность играет против воли хитрых маркетологов и жадных бизнесменов

Индустрия электромобилей нуждается в новых технологиях как никогда.

Автопроизводителям EV не хватает чуть более надёжных, безопасных и «дальнобойных» по расстоянию пробега аккумуляторов, чтобы окончательно победить индустрию двигателя внутреннего сгорания. Вот только учёные всё ещё не готовы предложить готовые коммерческие образцы своих стартапов и изобретений. Их несовершенство препятствует здоровой конкуренции с 30-летней литий-ионной технологией.

7. Твердотельный электролит из Стэнфорда

Существует мнение, что если в аккумуляторах когда-то и случится революция, то это будет связано с твердотельным электролитом. В 2020-м году компания QuantumScape под крылом Стэнфордского университета в Калифорнии (США) вышла на финишную прямую в создании гибкого керамического электролита для твердотельной батареи (источник).

Плюсы аккумулятора QuantumScape:

• • 15-минутная зарядка среднестатистического электромобиля;
• • в 2 раза увеличенный срок службы (6 лет в гаджетах, более 12 лет в EV).

В сентябре 2020-го года QuantumScape стала публичной компанией. Сейчас её стоимость составляет 16 миллиардов долларов и продолжает расти.

8. Китайцы тоже могут

Известный китайский поставщик аккумуляторов для iPhone и прочих мобильных устройств, промышленной электроники и электромобилей компания Contemporary Amperex Technology (CATL) тоже сделал анонс в 2020-м году. Речь о новой аккумуляторной технологии для автоконцернов.

Плюсы аккумулятора Amperex:

• • срок службы более 16 лет;
• • гарантия на 2 миллиона километров пробега.

Вместе с Volkswagen компания CATL уже строит завод в Германии (источник). Начало производства аккумуляторов с 16-летним сроком службы запланировано на конец 2021-го года.

9. Сульфатный твердотельный электролит

На эту технологию сделали ставку в Solid Power (стартап из Колорадо, США). Инвестиции в проект уже сделали Ford, BMW, Hyundai.

В Азии также заинтересованы в твердотельных батареях на сульфатном твердотельном электролите (источник). Своё одобрение в материальной поддержке изъявили такие гиганты, как Toyota, Panasonic, Samsung и LG Energy.

10. European Battery Innovation

Проект European Battery Innovation стоит примерно столько же (источник), сколько за год Россия тратит на всю систему здравоохранения (источник). В 2020-м году сумма составила 11,9 млрд евро. Деньги идут на совершенствование аккумуляторных технологий.

• • сам Европейский Союз (бюджетные вложения в размере 2,9 млрд евро);
• • 12 различных государств-участников проекта;
• • 42 коммерческих организаций и производителей.

Мы скептически относимся к анонсам и заявлениям производителей аккумуляторов, стартапов и коммерсантов. Подробнее о причинах мы рассказывали в нашей статье: «Действительно ли технология аккумуляторов достигла своего предела и остановилась в развитии?».

Однако совсем игнорировать явные изменения и явления в индустрии нельзя. Мы хотели поделиться с вами свежими и достойными вашего внимания событиями, важность которых подтверждает и доктор наук Крис Хорн .

Напишите в комментарии, какие на ваш взгляд события из аккумуляторного бизнеса достойны упоминания или отправьте сообщение нам ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь на нашу группу, чтобы узнавать новости из мира автономности гаджетов, об их улучшении и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.

Источник