Когда речь идет о развитии технологий, то иногда просто невозможно поверить в скорость прогресса. Причем рост далеко не всегда линеен. В этой статье мы продемонстрируем данный тезис на примере батареи для электромобиля. Только представьте: первые аккумуляторы для электрокаров появились еще 200 лет назад! Но настоящие чудеса по совершенствованию технологии производства, увеличению емкости и уменьшению массы аккумулятора происходят буквально на наших глазах. Представляется крайне интересным отследить эволюцию батареи как главного элемента любого электромобиля.
Начало пути: батарейки на один раз
Самые первые транспортные средства на электротяге представляли собой механические кареты. В качестве источника энергии в них устанавливали гальванический элемент. Самый известный из них – элемент Лекланше, изобретенный в 1865 году. Изначально в качестве электролита в нем использовался водный раствор хлорида аммония. В дальнейшем электролит стали загущать с помощью крахмалистых веществ — это позволяло сделать более практичные элементы питания, называемые сухими, в которых сведена к минимуму возможность вытекания электролита.
Но главной проблемой элемента Лекланше был его одноразовый характер: когда он разряжался, его меняли на новый. Такая расточительность не могла устраивать владельцев механических карет, поэтому существовала закономерная потребность придумать более эффективный источник электрической энергии.
Свинцово-кислотные батареи – их уже можно перезаряжать
Эти батарейки изобрел в 1859—1860 годах Гастон Планте, сотрудник лаборатории Александра Беккереля. Но массового использования в те годы это изобретение не получило. У аккумуляторов был маленький запас хода, а еще их было сложно обслуживать — в батареи постоянно приходилось доливать электролит, чтобы машина работала.
В 1878 году Камилл Фор усовершенствовал его конструкцию, предложив покрывать пластины аккумулятора свинцовым суриком. Русский изобретатель Николай Бенардос применил покрытие губчатым свинцом для увеличения мощности батарей, которые использовал в своих работах со сваркой.
Со временем технология совершенствовалась еще больше, и в 1947-м свинцово-кислотные блоки начали ставить в нью-йоркских такси. Аккумуляторы позволяли проехать до 65 км без подзарядки. Однако те батареи были тяжелыми и обладали коротким сроком службы.
Дорогие и неэкологичные никель-кадмиевые аккумуляторы
Этот вид батарей появился в 1960-х годах. В качестве положительного электрода в этих аккумуляторах использовался никель, а в качестве отрицательного — кадмий.
В 1901 году Эдисон предложил альтернативную конструкцию, заменив кадмий железом. Из-за высокой (в сравнении с сухими или свинцово-кислотными аккумуляторами) стоимости, практическое применение никель-кадмиевых и никель-железных аккумуляторов было ограниченным. А еще они оказались крайне неэкологичны из-за токсичности кадмия.
Никель-металлогидридные аккумуляторы: эволюция набирает скорость
Исследования в области технологии изготовления NiMH-аккумуляторов начались в 1970-е годы и были предприняты как попытка преодоления недостатков никель-кадмиевых аккумуляторов.
Однако применявшиеся в то время металлогидридные соединения были нестабильны, и требуемые характеристики не были достигнуты. В результате процесс разработки NiMH-аккумуляторов застопорился. Новые металлогидридные соединения, достаточно устойчивые для применения в аккумуляторах, были разработаны в 1980 году.
Начиная с конца 1980-х годов NiMH-аккумуляторы постоянно совершенствовались, главным образом по плотности запасаемой энергии. Их разработчики отмечали, что для NiMH-технологий имеется потенциальная возможность достижения еще более высоких плотностей энергии.
Батареи этого типа служили гораздо дольше, чем никель-кадмиевые, были экологичнее и дешевле в производстве. Также они позволяли электромобилям проезжать до 200 км без подзарядки.
Современные реалии – литий-ионные аккумуляторы
Литий-ионные аккумуляторы стали важным этапом в эволюции аккумуляторов для электромобилей. Впервые использованные в электромобилях в начале 2000-х годов, аккумуляторы данного типа предлагают более высокую энергетическую плотность, меньший вес и более долгий срок службы. Распространенные химические составы семейства Li-ion включают литий-кобальтовый оксид (LCO), литий-марганцевый оксид (LMO), литий-фосфат железа (LiFePO4) и литий-никель-марганцевый-кобальтовый оксид (NMC).
Батареи этого типа быстро стали стандартом отрасли и до сих пор используются в большинстве электромобилей.
Что дальше: 4 прогрессивные технологии будущего
Индустрия не стоит на месте, производители батарей соревнуются друг с другом за первенство на рынке. А для этого нужно постоянно вкладываться в разработки новых технологий, которые придут на смену литий-ионной эре и сделают электромобиль еще более легким, безопасным и эффективным видом транспорта.
На данный момент наибольшего внимания заслуживают следующие разработки:
Твердотельные аккумуляторы – являются разрабатываемой технологией, которая заменяет жидкий электролит в традиционных Li-ion аккумуляторах на твердотельный электролит. Это изменение обещает более высокую энергетическую плотность, повышенную безопасность и быстрое время зарядки. Компании, такие как Toyota, QuantumScape и Solid Power, активно разрабатывают эту технологию для будущих электромобилей.
2.Литий-серные (Li-S) аккумуляторы предлагают более высокую теоретическую энергетическую плотность по сравнению с Li-ion аккумуляторами, что делает их привлекательным вариантом для будущих электромобилей. Низкая стоимость и обильное предложение серы также способствуют их потенциалу. Однако технология все еще находится в начальной стадии разработки, и перед широким внедрением необходимо решить такие проблемы, как короткий срок службы и низкая мощность. 3.Литий-воздушные (Li-Air) аккумуляторы имеют потенциал достижения чрезвычайно высокой энергетической плотности, что делает их интересным вариантом для электромобилей. Они работают с использованием кислорода из воздуха в качестве материала катода, что снижает вес и стоимость. Однако Li-Air аккумуляторы сталкиваются с серьезными техническими проблемами, такими как низкая перезаряжаемость и разработка подходящего электролита, которые необходимо решить перед коммерческим использованием.
4.Натрий-ионные (Na-ion) аккумуляторы считаются возможной альтернативой Li-ion аккумуляторам из-за обильного предложения и низкой стоимости натрия. Они имеют сходства с Li-ion аккумуляторами по структуре и принципу работы, однако технология все еще находится в начальной стадии разработки. Исследования продолжаются с целью устранения недостатков, таких как более низкая энергетическая плотность и более медленная скорость зарядки по сравнению с Li-ion аккумуляторами.
Битва за место под солнцем: электрокары становятся все лучше и дешевле
В конце марта появилась новость о том, что два крупнейших производителя элементов питания из Китая (BYD и CATL) собираются снизить цены на свои продукты на 50%. Причиной этому стала усиливающаяся конкуренция на рынке электромобилей, где элементы питания имеют решающее значение и являются самым дорогим компонентом транспортного средства. Эксперты считают, что это не только простимулирует спрос на электромобили, но и снизит стоимость на них. И у китайских компаний в этом вопросе огромное преимущество.
До недавнего времени производители выпускали в основном NMC-аккумуляторы, которые состоят из лития, никеля, марганца и кобальта. Они обладают высокой энергетической плотностью и широко используются в автомобильной промышленности.
Однако китайские компании начали разрабатывать и производить аккумуляторы, выпускаемые по технологии LFP (литий-железо-фосфатные). В отличие от NMC-аккумуляторов, LFP-батареи не содержат кобальт. Вместо него используется более доступный и экологически безопасный фосфат железа, что значительно снижает затраты на производство. Таким образом, китайские компании, принимая во внимание эти аспекты, начали переходить на создание LFP-аккумуляторов, получив почти полный контроль над этим рынком.
Такие батареи не только дешевле в производстве, но и имеют более длительный срок службы. Плюс пониженный риск возгорания по сравнению с обычными литиевыми аккумуляторами.
Какой же тип батарей станет доминирующим в будущем?
Однозначно ответить на этот вопрос пока сложно. С развитием «зеленых» технологий, возможно, появится необходимость в различных типах батарей для разных видов транспорта. Например, для электрических самолетов потребуются батареи с очень высокой плотностью энергии, такие как аккумуляторы из «конденсированного вещества», разработанные CATL.
Производители стремятся улучшать характеристики элементов питания, например плотность энергии (ватт-часов на кг). Для хорошего электромобиля требуется аккумулятор с показателями 150–250 ватт-часов на килограмм. Однако в лабораторных условиях инженеры достигли нового рекорда в этой области, превысив указанную плотность энергии более чем в два раза. Так что сфере производства аккумуляторов грозят кардинальные изменения.
Не пропустите будущее – рекомендуем начинать погружение в мир электрокаров уже сейчас. Команда REVOCARS много рассказывает об актуальных новостях в Telegram, ВКонтакте, на YouTube-канале, в Дзене и на VC. А еще у нас огромный каталог гибридов и электромобилей. Будем рады ответить на ваши вопросы и предоставить исчерпывающую консультацию по интересующим вас темам: