Клетки на основе кремния выдерживают более 1 000 циклов зарядки-разрядки, что позволяет создавать батареи с большей автономностью.
Чтобы электромобиль проезжал большее расстояние, не всегда обязательно устанавливать более крупную и тяжелую батарею. Одним из способов избежать этого является повышение энергетической плотности. В этом отношении кремний уже давно привлекает внимание, хотя он также ставит сложную проблему: поддержание его характеристик после множества зарядок и разрядок.
Немецкий институт Fraunhofer ISE сделал шаг в этом направлении в рамках проекта StrOboBatt. Его исследователи разработали камеры зарядки формата «мешок» с емкостью 25 А·ч и анодами, богатыми кремнием; они выдержали более 1 000 полных циклов, сохранив более 83% от первоначальной емкости. Это значимый результат для технологии, потенциал которой долгое время ограничивался ее износом.
Один полный цикл не означает однократную зарядку автомобиля. Это означает зарядку и разрядку энергии в объеме, эквивалентном всей ёмкости аккумулятора, что можно достичь путем нескольких частичных зарядок. Поэтому такой тип тестирования позволяет изучать усталостные свойства аккумулятора, хотя сам по себе он не определяет, сколько лет или километров прослужит аккумулятор, установленный в автомобиле.
Кремний позволяет хранить больше энергии, но требует контроля за его расширением
Преимущество кремния заключается в его способности хранить литий, которая значительно выше, чем у графита, обычно используемого в анодах. Проблема возникает во время зарядки: его объем может увеличиться на 300%, а затем сократиться при разрядке. Повторение таких колебаний создает значительную нагрузку на электрод, что может повредить его внутренние соединения и способствовать реакциям, ускоряющим старение.
Чтобы снизить эти проблемы, исследователи использовали композитный материал из кремния и углерода в сочетании с графитом. Этот композит составляет 51% от активного материала анода, что является важной деталью: это не означает, что половина анода — чистый кремний. Все это сочетается с катодом NMC, богатым никелем.
Одним из решающих факторов в этом исследовании было давление, оказываемое на элементы аккумулятора. При внешнем давлении около 10 баров долгосрочные показатели были лучше, чем при давлении около 3 баров. Поддержание контакта между материалами помогает снизить последствия их изменения объема, поэтому конструкция, удерживающая элементы аккумулятора, также является частью сложности решения.
Это имеет практические последствия для производителей. Недостаточно просто создать материал, способный хранить большое количество энергии: его необходимо интегрировать в аккумулятор, который будет поддерживать соответствующие условия во время работы. Элементы крепления, системы охлаждения и защитные устройства также занимают пространство и имеют определенный вес, поэтому преимущество, полученное на уровне отдельного элемента аккумулятора, необходимо проверять на уровне всей батареи.
В ходе тестов также была обнаружена увеличивающаяся разница между емкостью, измеряемой при мягких разрядках, и емкостью, доступной при более интенсивной нагрузке на ячейки. Это важный фактор для электромобилей, где потребление энергии постоянно меняется. Сохранение емкости при лабораторных тестах не гарантирует, что она будет сохранять свои характеристики при более высоких нагрузках.
Измеренная энергетическая плотность составила 280 Вт·ч/кг, в то время как институт оценивает, что оптимизированный промышленный формат может достичь примерно 330 Вт·ч/кг. Вторая цифра является прогнозом, а не результатом, уже доказанным на этих аккумуляторах. Разница между ними составляет около 18%, хотя это также не обязательно приведёт к увеличению автономности автомобиля на 18%.
Чтобы понять потенциал, можно привести простой пример. Если будущий аккумулятор сможет увеличить свою емкость с 75 до 100 кВт·ч, сохраняя при этом тот же вес, а автомобиль — прежнее потребление энергии, его автономность увеличится примерно на 33%. Расстояние в 450 километров превратится примерно в 600 километров. Это математическое иллюстрирование желаемого преимущества, а не измеренная Фраунхофером автономность или гарантированное улучшение по результатам этого теста.
Существует ещё одна не менее интересная возможность: сохранить емкость аккумулятора при одновременном снижении его веса. Для покупателя, у которого уже достаточно запаса хода, этот вариант может оказаться более полезным, чем продолжение увеличения номинального пробега. Решение будет зависеть от стоимости производства таких элементов и от их работы после установки в автомобиль.
Кроме того, проект вносит вклад в развитие европейской промышленности. Замена части графита на кремниевые соединения может способствовать диверсификации поставок материалов и переносу части производственных мощностей в Европу. Это не устраняет необходимости производства материалов высокого качества по конкурентоспособным ценам, но открывает путь к снижению зависимости.
Ещё предстоит много работы, прежде чем этот решение сможет быть внедрено в производственную модель. Необходимо доказать, что оно сохраняет свои преимущества в упаковке, при различных температурах и в течение многих лет использования. Следующим шагом будет обеспечение того, чтобы эти хорошие результаты сохранялись и вне лаборатории, без того чтобы вес и затраты на контроль состояния элементов снижали полученные улучшения.
Источник | ise.fraunhofer