Tesla: из-за чего аккумуляторная батареи завоюют всемирный автопром

Катализатором перехода отрасли из «режима ожидания» к реализации масштабных проектов стал предприниматель-«марсианин» Илон Маск, в 2015 году представивший целый пакет новинок. Это и особая версия культового электромобиля Model S с увеличенным запасом хода, и два варианта личной энергосистемы Powerwall, и Gigafactory — суперфабрика по производству литий-ионных аккумуляторная батарей (LIB), на запуск которой планируется израсходовать $5 млрд. Согласно расчетам Маска, за счет роста установок Powerwall, продаж Model S и ожидаемого в 2017 году выпуска бюджетной модели Tesla компания сможет каждый год снижать цена собственных LIB на 5%, а к 2020 году их цена упадет минимум в два раза — среди них и за счет поставок недорогого лития, добыча которого вот-вот начнется в Неваде, практически на задворках Gigafactory.

Неожиданные шаги Маска спровоцировали соперников на ответные действия. Так, концерн Bosch купил стартап Seeo, занимающийся разработкой LIB с жёстким электролитом, а Джеймс Дайсон заплатил $90 млн за компанию Sakti3 с патентным портфолио по высокоемким электродам из оксида ванадия и металлического лития.

Samsung, пробующий отвоевать собственную часть литий-ионного пирога у гегемонов Panasonic и LG Chem, инвестировал в компанию XG Sciences, которая специализируется на гибридных анодах из кремния и графена. Корпорация GM добавила в собственный актив стартапы Envia Systems и SolidEnergy Systems.

Volkswagen дал обещание до 2020 года вывести на рынок 20 новых гибридных моделей. А в ноябре никому не узнаваемая компания Faraday Future, из-за поясницы которой торчат уши китайских инвесторов, заявила о постройке в Соединенных Штатах завода по сборке электромобиля премиум-класса под рабочим заглавием Le Supercar. Основной дизайнер Faraday Ричард Ким говорит, что модель продемонстрируют в январе, на выставке CES 2016 в Лас-Вегасе, и она станет прямым соперником Tesla Model S.

Но в случае если с деньгами в отрасли все в порядке, то с обещанными технологическими прорывами обстановка неоднозначна. «Мы имеем полное представление обо всех главных разработках в области LIB и постоянно следим за ситуацией 60 самых занимательных проектов. Степень их зрелости мы оцениваем по пятибалльной шкале, но пока в перечне нет ни одной «пятерки», — заявил Илон Маск, выступая на телешоу Рона Бэрона. — В любом случае, в ближайшие десять лет появления серийного электромобиля с запасом хода в 1000 миль ожидать не следует».

Вправду, более 1500 км «на одном баке» — это перебор. Но как по поводу 500?

«Мы можем выстроить такую машину хоть на данный момент, но батарея для нее будет столь громоздкой, что выдумка утратит суть, — говорит Маск. — К данной цели необходимо двигаться ход за шагом. К примеру, за счет совершенствования состава и структуры электродов мы собираются наращивать емкость батарей приблизительно на 5% в год».

Само собой разумеется, 5% в год — это много, но предприниматель скромничает. Теоретически, емкость LIB возможно будет поднять на порядок. В случае если лишь электрохимикам удастся совладать с кремнием.

Представленная летом 2015 года версия электромобиля Tesla Model S P90D оснащается усовершенствованным аккумулятором на 90 КВт, графитовый анод которого содержит элементы из кремния.

Полюс кремния

То, что происходит сейчас в лабораториях всех подряд производителей LIB, похоже на новую «кремниевую лихорадку». Теоретическая зарядная емкость этого вещества в 11 раз выше, чем у классического графита (до 4200 мА·ч/г против 370), и он может стать совершенным анодным материалом нового поколения.

В отличие от графита, накапливающего катионы лития лишь в просветах между отдельными углеродными слоями, кремний впитывает в себя заряд, как губка. С позиций химии это два совсем различных процесса — интеркаляция (межслойное включение вещества) и образование нового химического соединения.

Наряду с этим на один атом кремния приходится в среднем 4,4 иона Li, а на атом углерода — в 27 раз меньше. Но имеется неприятность.

В ходе заряда батареи кремний, пропитываясь литием, возрастает в количестве практически в три раза, в то время как графит прибавляет всего около 7%. Повторяющиеся циклы растяжения-сжатия приводят к стремительному разрушению материала.

Помимо этого, «дыхание» кремния мешает формированию на поверхности электрода жёсткой интерфазы (SEI, Solid Electrolyte Interface), узкой ионопроводящей пленки, защищающей его от прямого контакта с электролитом. В обычных условиях твёрдая SEI образуется на протяжении первого «заводского» заряда батареи.

Но на нестабильном кремниевом аноде разрушение и образование SEI длится вечно. Всего за пара циклов зарядки толстая растрескавшаяся корка всецело «забивает» его активную поверхность.

Однако кремний уже употребляется в серийных LIB. К примеру, графитовые электроды новых батарей Tesla Model S емкостью 96 кВт содержат 1−2% кремния. Но для кратной прибавки емкости его часть должна быть равна хотя бы 15−20% — чем больше, тем лучше.

Исходя из этого поиски ответа длятся, а в химических лабораториях бушует «лихорадка». Идет тестирование прототипов гибридных анодов из аморфных нанокомпозитных смесей Si-C-S в эластичной полимерной матрице, пористых структур из чистого кремния, талантливых расширяться в заданного количества, и структур из полых наночастиц типа «ядро-оболочка».

Очень обнадеживают результаты опробований анодов из графеновых пластин с кремниевым нанопокрытием, и их аналогов из нанокристаллов кремния, заключенных в твёрдую углеродную матрицу. Непременно сопротивление кремния будет сломлено. Но чтобы собрать батарею нового поколения, высокоемкую High-Energy LIB, нам необходимо поработать и над противоположным полюсом.

Пирамида Стейнберга

Емкость LIB определяется большим числом ионов лития, образующихся на катоде на протяжении подзарядки. Мощность LIB — это скорость, с которой проходит обратный процесс перемещения ионов с анода на катод.

Предельное число рабочих циклов зависит от свойства LIB повторно воспроизводить эти реакции, сохраняя приемлемый уровень плотности энергии. За повышение емкости батареи неизбежно приходится платить понижением мощности либо долговечности.

И напротив, долговечности и рост мощности обязательно скажется на энергоемкости. Исходя из этого, разрабатывая LIB под конкретную задачу, нужно выяснить, какие конкретно из трех перечисленных показателей серьёзнее.

Предложенная принстонским электрохимиком Дэном Стейнбергом пирамида иллюстрирует закономерности смешивания этого «литий-ионного коктейля». Все подряд существующие батареи выясняются в данной фигуры. Оптимальная батарея для электромобиля расположена в центре пирамиды, промышленные аккумуляторная батареи — внизу левой грани, где громаднейшее значение имеют долговечность и стоимость.

Полюс фторида

В серийно выпускающихся LIB употребляется более десятка видов катодных материалов. Все они, за редким исключением, представляют собой смеси оксидов переходных металлов со слоистой микроструктурой и имеют разные электрохимические характеристики.

По сути, в LIB катод делает функции «склада» лития, и суммарные количества его «терминалов» определяют в итоге удельную плотность энергии батареи. Как и у любого «склада», практическая сокровище катода зависит от множества факторов: пропускной свойстве подъездных дорог (геометрии пор и гэпов между слоями оксидов), скорости обработки грузов (перемещение потока ионов лития по маршруту «анод-катод»), внутренней логистики (равномерного распределения частиц лития в массиве электрода) и т.?д.

Неприятность нынешнего поколения катодных материалов, в частности самых востребованных на рынке электромобилей предположений — NMC (жёсткий раствор оксидов Ni, Mn и Co с легирующими покрытием и добавками из оксида алюминия) и NCA (смесь оксидов Ni, Co и Al), содержится в стремительном приближении удельной плотности энергии к теоретическому пределу — 300 мА·ч/г. В оксидных смесях любой атом металла способен удержать лишь один ион Li.

Но на практике из-за несовершенства микроструктуры данный показатель образовывает в большинстве случаев 0,6−0,7. Сейчас производители LIB выполняют постоянную модернизацию катодных материалов, разными дорогами повышая в них содержание Ni и Mn.

К примеру, обогащенные литием экспериментальные NCA-катоды лаборатории Argonne уже вышли на уровень 100%-ной «утилизации» лития. Но что дальше? Увеличение емкости за счет увеличения размеров и массы?

Замена графитовых анодов на кремниевые, а NMC-катодов на фторид меди обещает 2,5-кратный рост емкости LIB.

Само собой разумеется, пробить теоретический потолок возможно и «в лоб». Но разумеется, что эра оксидных катодов медлено уходит в прошлое.

Вразумительного ответа на данный вызов у ученых до тех пор пока нет, но нельзя исключать, что первыми это место займут материалы на базе фторида меди, созданные американской компанией Wildcat Discovery. В паре с новым и кремниевым анодом неорганическим электролитом разработка Wildcat способна поднять емкость LIB в 2,5 раза.

Фториды металлов, владеющие выдающейся плотностью заряда (более чем 500 мА·ч/г) и плотностью энергии (практически 1,9 кВт·ч/кг), еще в 1960-х были забраны исследователями «на карандаш». Но из-за не сильный электропроводности, низкой склонности и удельной мощности к неожиданной «клинической смерти» по окончании нескольких циклов заряда-разряда о них забыли практически на полвека.

Решить эти неприятности и создать работоспособный прототип катода из фторида меди сумели только в 2014 году, на протяжении кооперации Wildcat с неназванным производителем LIB из первой мировой десятки. Фторид меди, являющийся изолятором, был внедрен в проводящую матрицу из фторида железа с молекулярным углеродным покрытием.

Такие первичные элементы демонстрируют хорошую мощность — высвобождение энергии происходит всего за 30 мин. против прошлых 50 часов — и высокое сопротивление старению. Однако добраться до конвейера им в ближайщее время вряд ли удастся.

Как, но, и литий-серным аккумуляторная батареям, и литий-воздушным, слухами о которых наполнена околонаучная пресса. И обстоятельство тут вовсе не в вызывающей большие сомнения электрохимии, а в рутинном ходе разработки, что кроме того при современной методике скоростного потокового анализа материалов требует многих лет усердной работы и инвестиций.

Получается, что об электромобиле с запасом хода кроме того в 500 миль ближайшие годы возможно не вспоминать. По словам Венката Шринивасана, специалиста Национальной лаборатории им.?Лоуренса в Беркли, отечественная дорога к «супербатарее» может смотреться скучновато: современные LIB — аноды нового поколения — высокоемкие катоды с повышенным вольтажем — и т.?д.

Ход за шагом, как говорит и Маск. Не смотря на то, что никто не отменял возможность неожиданных технологических прорывов, каковые смогут быстро сократить данный путь либо вовсе повести нас второй дорогой.

Первые литий-ионные аккумуляторная батареи часто взрывались. В них употреблялся анод из железного лития, что неспешно деградировал с образованием «наростов», замыкавших электроды. Замена Li на графит решила эту проблему.

Как устроена литий-ионная батарея

Работа всех литий-ионных аккумуляторная батарей основана на обратимых электрохимических реакциях: на аноде идут окислительные процессы, на катоде — восстановительные. Вот как это происходит.

При подключении к батарее внешнего потребителя тока — к примеру, электродвигателя — находящиеся в толще анодного материала атомы лития мгновенно начинают окисляться, преобразовываясь в катионы. Высвобождающиеся наряду с этим электроны отправляются на пластину токосъемника, откуда через двигатель перетекают на катод, создавая в цепи электрический ток.

Тем временем ионы лития также устремляются к катоду, но маленьким методом — через проводящий электролит. Тут они восстанавливаются, присоединяя к себе электроны. При заряде батареи те же электрохимические реакции на хорошем и отрицательном электродах протекают в обратном направлении.

Статья «Второе дыхание лития» размещена в издании «Популярная механика» (№159, январь 2016).

Аккумулятор ТЕСЛА ЧТО В??? Разборка батареи от электромобиля TESLA Model S

Записи по принципу Рандом:

• Полсотни метров жизни: трубы безопасности
• Как моглабы смотреться «нива»?
• Три тысячи километров наодном литре
• Тормозя— тормози!: abs
• Как сделать изобычного автомобиля беспилотный?
• Электрическое будущее: концепт-кар…

самые интересные для Вас статьи, подобранные по важим запросам:

• грузовики и Новый: план, автобусы…

  Новый замысел Tesla: грузовики, автобусы и солнечная энергетика для всех Глава Tesla Motors Илон Маск сказал, что первый замысел развития компании уже…

• Tesla представила первый кроссовер – model x

  Tesla представила первый кроссовер – Model X Первый SUV от Tesla Motors в начальной версии 90D был стремительнее Porsche Cayenne GTS в спринте с 0 до 96…

• Tesla второй раз в истории закончила квартал с прибылью

  Tesla второй раз в истории закончила квартал с прибылью Производитель электромобилей Tesla Motors взял по результатам июля — сентября 2016 года чистую…

• Клон tesla изкитая

  Клон Tesla изКитая Наименование маленькой компании Youxia штатом всего в 50 человек в переводе с китайского, фактически, и свидетельствует «Рыцарь дорог». Но…

• Tesla model s – будущее автомобильного мира

  Tesla Model S – будущее автомобильного мира Для всех, кто хоть раз сидел за рулем Tesla Model S, мир уже совершенно верно ни при каких обстоятельствах не будет прошлым. Продажи авто еще…

• Lgchem создаст батарею для соперников tesla

  LGChem создаст батарею для соперников Tesla LG Chem трудится над созданием аккумулятора для электромобиля, талантливого проехать на одном заряде…

• Из-за чего более утепленные зимы приводят…

  Из-за чего более утепленные зимы приводят к подорожанию аккумуляторных батарей для машин Из-за чего из-за трансформации климата на планете дорожают аккумуляторная батареи…