Твердотельные аккумуляторы – будущее электрокаров
Меню
  • Твердотельные аккумуляторы – будущее электрокаров - Фото №2


Автовыкуп за 15 минут!

Твердотельные аккумуляторы – будущее электрокаров

Твердотельные аккумуляторы – будущее электрокаров - Фото №6Твердотельные аккумуляторы – будущее электрокаров - Фото №7Твердотельные аккумуляторы – будущее электрокаров - Фото №8Твердотельные аккумуляторы – будущее электрокаров - Фото №9Твердотельные аккумуляторы – будущее электрокаров - Фото №10 (Пока оценок нет)
Loading...

Страны и, следовательно, производители автомобилей стремительно переходят на использование транспортных средств только на аккумуляторных батареях. Без преувеличения можно сказать, что тот, кто будет доминировать на будущем рынке аккумуляторов для электромобилей, получит большую часть сектора мобильности в своих руках.

Помимо стоимости покупки, которая в среднем даже выше, чем у эндотермического автомобиля, можно сказать, что люди не хотят иметь электромобиль из-за проблем, связанных с наличием аккумулятора: следовательно, время, необходимое для его зарядки. Гарантированный запас хода зависит от уровня заряда и географии зарядных станций, которые пока не могут конкурировать с бензиновыми и дизельными станциями.

Сегодня в электрифицированных транспортных средствах используются традиционные литий-ионные аккумуляторы с жидким электролитом, которые, однако, несут в себе все проблемы, связанные с этим типом источников питания. Будущее видит в качестве главного героя другую батарею, то есть твердотельную батарею, которая обещает более высокую скорость зарядки, более длительный срок службы и большую автономность в поездках.

Итак, давайте посмотрим, в чем разница между традиционными литий-ионными батареями с жидким электролитом и твердотельными батареями, и чего не хватает последним, чтобы начать сопровождать электромобили.

Литий-ионные аккумуляторы с жидким электролитом – известная, но не очень «мобильная» технология

Ячейка литий-ионной батареи состоит из трех основных слоев: положительного электрода (катода), отрицательного электрода (анода) и микропористого полимерного слоя, который разделяет два электрода. Электроды состоят из частиц материала, способного накапливать энергию. На краю этого сэндвича находится электрический контакт анода и электрический контакт катода.

Внутри элемент погружен в жидкое или гелевое химическое соединение, служащее электролитом, обычно это соль лития, растворенная в смеси органических растворителей, и является средой, через которую движутся ионы лития, которая способна проводить электрический ток.

Если более внимательно присмотреться к частицам, составляющим катод, каждая частица состоит из лития, содержащего смесь оксидов металлов, например никеля, марганца и кобальта. Эти элементы образуют стабильную структуру, которая удерживает ионы лития, когда аккумулятор находится в разряженном состоянии.

Когда ячейка заряжается, прикладывая напряжение к электродам, ионы лития покидают катод, используя электролит в качестве пути перемещения, проходят через полимерный слой, который действует как разделитель, и попадают в секцию ячейки, в которой находятся частицы анода, обычно состоящих из графита. Эта миграция ионов лития вызывает окисление переходных металлов, присутствующих в катоде, и восстановление графита на аноде. Это процесс, фактически генерирует разность потенциалов, которая затем будет использоваться для выработки энергии в фазе разряда.

Процесс заряда и разряда литий-ионных батарей

В процессе разряда ионы лития уходят в обратном направлении и от анода возвращаются к катоду, всегда пересекая сепаратор и используя электролит в качестве «магистрали». Окислительно-восстановительная реакция во время процесса разряда снижает химический потенциал ячейки, заставляя электроны течь через внешнюю цепь нагрузки и производя электрическую энергию, способную питать устройство, к которому подключена батарея (двигатель в случае автомобиля).

В процессе зарядки и разрядки литий-ионные аккумуляторы нагреваются. Химическая реакция, которая происходит во время зарядки литиевого химического элемента, является эндотермической, то есть реакция поглощает тепло. Вместо этого реакция разряда является экзотермической и выделяет тепло.

Когда речь заходит о безопасности литий-ионной аккумуляторной батареи, необходимо учитывать тепло. Обычно элементы нельзя заряжать при температуре выше 45 ° C или разряжать выше 60 ° C.

В худшем случае, если температура ячеек становится слишком высокой, но даже если есть физическое повреждение, которое разрушает ячейку, электролит может реагировать с другими элементами ячейки, создавая газы, которые увеличивают внутреннее давление. Этот процесс запускает порочный круг, приводящий к дальнейшим реакциям, которые, в свою очередь, еще больше нагревают аккумулятор, который может привести к возгоранию или взрыву аккумулятора.

Твердотельные литиевые батареи, как они сделаны

Твердотельные элементы называются так потому, что, попросту говоря, все элементы, из которых они состоят, твердые внутри них, а значит, и электролит.

Твердотельные аккумуляторы – будущее электрокаров - Фото №12

Если в традиционных литий-ионных элементах, как мы видели, электролит обычно представляет собой гель из органических растворителей, то в твердотельных элементах электролит твердый. Твердый электролит может состоять из оксидов, сульфидов, фосфатов, простых полиэфиров, сложных полиэфиров, полисилоксана и полиуретана.

Хотя эта технология все еще находится в стадии разработки, набирает обороты технология с «металлическим анодом».

В этом случае можно сказать, что основных слоев твердотельного элемента всего два: положительный электрод, то есть катод (с относительным электрическим контактом), состоящий частично из катодных материалов и частично из твердых частиц электролита, а также твердый керамический или полимерный сепаратор, который также действует как электролит, вместо микропористого полимера ячеек с жидким электролитом и который также намного тоньше.

Следовательно, в твердотельных литиевых батареях с металлическим анодом графитовый анод полностью отсутствует, и имеется только его электрический контакт. Однако существуют производственные решения в элементах с металлическим анодом, которые все еще предполагают наличие электролита в геле, хотя и только в катоде.

Даже в случае твердотельных элементов, когда элемент заряжен, частицы лития покидают катод, пересекая кристаллическую структуру атомов, составляющих керамический или полимерный разделитель.

После того, как частицы лития прошли через сепаратор, они осаждаются между самим сепаратором и электрическим контактом анода, постепенно образуя твердый слой, состоящий из чистого металлического лития во время процесса.

Таким образом, анод будет состоять только из частиц лития, и иметь меньший объем.

Эта компактность позволяет увеличить плотность энергии для того же объема, занимаемого традиционной батареей: то есть в том же пространстве, занимаемом традиционной батареей, можно было бы хранить намного больше кВтч, получая более высокую плотность энергии. Речь идет о 400 Втч / кг твердотельных элементов против 250 Втч / кг ячеек с жидким электролитом. Если вместо этого вы посмотрите на объем, твердотельные элементы превзойдут жидкие элементы на 1200 Втч / л при 700 Втч / л.

Следовательно, использование металлического лития позволяет значительно уменьшить вес и объем батареи, а твердотельная конфигурация решает проблемы безопасности, связанные с воспламеняемостью обычных растворов органических электролитов в жидком состоянии.

В принципе твердотельные батареи ассоциируются с более быстрой зарядкой именно потому, что нет риска перегрева гелевого электролита, поэтому они потенциально могут выдерживать более быстрые заряды. Есть уже колонки, способные доставлять больше, чем ток в 350 кВт, но все же это еще редкость. Кроме того, в случае растворов с металлическими анодами, поскольку нет графитового анода, время, необходимое для «диффузии» лития в углеродных частицах, сокращается.

По-прежнему согласно внутренним тестам различных компаний, твердотельные элементы имеют более длительный срок службы и могут выдерживать более полные циклы зарядки, обычно до 1000.

Учитывая отсутствие органических растворов электролита в геле или жидкости, твердотельный элемент также имеет более широкий диапазон рабочих температур.

Чего не хватает твердотельным аккумуляторам для массового использования

Так почему же твердотельные батареи еще не прижились? Принцип действия теперь понятен – помимо высокой стоимости, как для всех новых технологий, есть некоторые элементы ячейки, которые все еще могут создавать проблемы и, прежде всего, делать коммерциализацию батареи проблемной.

Активные материалы, из которых состоит катод, могут изменяться в объеме, и это является причиной того, что отчасти подталкивает некоторые растворы к использованию гелевого электролита для этого элемента. Но, прежде всего, во время зарядки и разрядки, в аноде могут образовываться длинные дендриты, то есть кристаллические агрегаты, которые имеют игольчатую структуру и могут пробить сепаратор и вызвать короткое замыкание.

Дендриты в литиевой батарее

Дендриты также возможны в элементах с жидким электролитом. Но и самые твердые сепараторы твердотельных элементов более склонны к образованию дендритов, которые сочетаются с «дырами» в фазе покрытия и снятия изоляции, то есть в фазе, в которой осаждается литий, образующий анод- последующий разряд, может создавать пустоты, вызывающие отсутствие контакта.

Среди компаний, которые более продвинулись в разработке или коммерческом внедрении твердотельных аккумуляторов, есть Toyota, которая должна подготовить их ко второй половине десятилетия; QuantumScape с его «самодельным» керамическим сепаратором и гелевым электролитом для катода; затем идут Samsung SDI, LG Chem и Ioniq Materials, стартап Hyundai.



Твердотельные аккумуляторы – будущее электрокаров - Фото №20Позвонить сейчас