Большая дальность полета при том же весе: силиконовая батарея прошла лабораторные тесты
Критический прорыв в исследованиях аккумуляторов позволил камерным элементам с анодами, насыщенными кремнием, выдерживать более 1 000 циклов тестирования, не теряя при этом ёмкости ниже 80 процентов. Мы рассмотрим параметры, играющие ключевую роль, и то, что это достижение может означать для электромобилей.
Источник изображения: Fraunhofer ISE
Исследователи Института солнечных энергетических систем Фраунгофера (ISE) в рамках проекта «StrOboBatt» успешно использовали самостоятельно изготовленную ёмкость типа «пакет» емкостью 25 А·ч с анодами, богатыми кремнием, в течение более 1000 полных циклов. После тестирования ёмкость сохранила более 83 процентов своей первоначальной емкости. Это достижение является важным этапом в разработке аккумуляторов: 1000 полных циклов с сохранением емкости не менее 80 процентов считаются минимальными требованиями для коммерческого использования.
Кремний: высокая энергетическая плотность, но крайняя деформация при расширении
Клетки с мешковидным электродом выделяются благодаря своему аноду, богатому кремнием, что позволяет достичь более высокой плотности энергии по сравнению с традиционными графитовыми анодами. Однако кремний пока не нашел широкого применения в качестве материала для анодов из-за того, что при зарядке под действием абсорбции ионов лития его объем увеличивается на 300 процентов (в четыре раза), а затем снова уменьшается при разрядке. Такое значительное изменение объема приводит к потере электрического контакта внутри электрода и ускоряет разложение электролита. В результате клетка деградирует слишком быстро для практического использования. Для сравнения, графит увеличивается в объеме всего примерно на 10–12 процентов.
Чтобы снизить механическую нагрузку, возникающую из-за такого экстремального расширения, исследователи из Fraunhofer ISE использовали композит на основе кремния и углерода, который составляет 51 процент от активного вещества анода. В сочетании с катодом, богатым никелем, такие элементы были произведены на пилотной линии промышленного масштаба.
Давление и динамика зарядки — ключевые факторы
В лабораторных условиях прототипы аккумуляторных элементов также подвергались осевому давлению в 1 000 килопаскалей (примерно 10 бар) во время зарядки и разрядки. Несмотря на движение материала, контакт электродов оставался стабильным. Однако при более низком давлении в 300 килопаскалей (примерно 3 бар) полезная ёмкость снижалась значительно быстрее. Таким образом, внешнее механическое давление оказалось решающим параметром.
Испытания в динамичных реальных условиях также показали, что полезная емкость снижается быстрее при высоких уровнях мощности, чем во время более мягких циклов тестирования. Это имеет важное значение для будущего применения в электромобилях, у которых системы управления аккумуляторами должны учитывать этот фактор.
Испытанные элементы достигли гравиметрической энергетической плотности 280 Вт·ч/кг. Однако Fraunhofer ISE утверждает, что промышленно оптимизированное массовое производство может позволить достичь значения около 330 Вт·ч/кг. Аккумулятор с плотностью 330 Вт·ч/кг означал бы увеличение примерно на 20–35 процентов по сравнению с современными элементами типа NMC и NCA, а также почти вдвое большую энергетическую плотность по сравнению с элементами типа LFP.
Европейские сырьевые материалы для увеличения дальности поездки
На практике это означает, что электромобиль сможет иметь емкость аккумулятора почти 100 кВт·ч вместо современных примерно 75 кВт·ч при одинаковом весе батареи. Это позволит увеличить реальный радиус действия среднего автомобиля с примерно 450 км до более чем 600 км.
Помимо увеличения радиуса действия, эта технология предоставляет стратегическое преимущество для промышленного сектора. Поскольку графит в настоящее время в основном импортируется из стран за пределами Европы, более широкое использование кремниевых композитов позволяет частично перенести производство ценности сырья в Европу, поскольку кремний можно получать и производить синтетически на региональном уровне.