Критерии батарей, которые могут изменить электромобили: 381 Вт·ч/кг и запас хода до 1 000 км

Всего несколько дней назад мы рассказывали вам о важном шаге, сделанном компанией ProLogium, с началом серийного производства её нового аккумулятора Gen 3.5 с плотностью энергии 381 Вт·ч/кг и 903 Вт·ч/л на уровне ячейки. В той статье мы рассматривали эту технологию, её связь с Mercedes-Benz и огромные сложности, связанные с поставкой аккумуляторов таких характеристик с пока ещё ограниченных производственных линий в автомобили большого объёма.

Но у всех есть один вопрос: что на самом деле могут означать эти 381 Вт·ч/кг для электромобилей? Для многих это впечатляющее число на бумаге, тогда как для других оно совершенно незнакомо, поскольку само по себе оно не гарантирует, что уже завтра у нас будут модели, способные преодолеть 1 000 километров на одном заряде.

Причина проста. Значение 381 Вт·ч/кг относится к самой ячейке, тогда как полная батарея должна включать в себя каркас, систему охлаждения, разъёмы, системы защиты и электронное управление. Всё это увеличивает вес и приводит к более низкой конечной энергетической плотности. Поэтому, чтобы оценить истинное влияние этой технологии, гораздо интереснее представить, что произойдёт, если значительная часть этого преимущества наконец попадёт в саму батарею.

В настоящее время лучшие архитектуры аккумуляторов уже смогли значительно сократить разницу между плотностью энергии отдельной ячейки и плотностью всего установленного в автомобиле блока. Например, компания CATL указывает плотность в 330 Вт·ч/кг для ячеек и 265 Вт·ч/кг для блока Qilin NMC. Это значительная разница, но она также показывает, что всё большая часть хранимой энергии может быть использована непосредственно в автомобиле.

Если в будущем твердотельный аккумулятор сможет достичь показателя около 300 Вт·ч/кг на уровне всей батареи, возможности станут огромными. Аккумулятор емкостью 80 кВт·ч, который сегодня требует примерно 400 килограммов, сможет хранить такое же количество энергии при весе около 267 килограммов. Или же, сохраняя примерно тот же вес в 400 килограммов, он сможет хранить около 120 кВт·ч.

И здесь появляется первое важное следствие. Производителям не обязательно использовать весь прирост плотности для увеличения запаса хода. Часть его можно применить для снижения веса автомобиля, что в свою очередь уменьшит расход энергии и позволит проехать больше километров при той же энергии.

Другими словами, более плотная батарея может создать эффект умножения. Меньший вес означает меньшее потребление энергии; меньшее потребление означает, что определенная емкость позволяет проехать больше километров; и это может сделать ненужным установку еще более крупной батареи.

До каких пределов могут дойти современные электромобили?

Мы можем применить эти показатели к уже существующим моделям. Представьте электромобиль, который в настоящее время использует аккумулятор ёмкостью около 80 кВт·ч и обеспечивает расстояние пробега около 500 километров благодаря хорошей аэродинамике и низкому расходу энергии. Если бы он мог использовать аккумулятор ёмкостью 100 кВт·ч, сохраняя при этом практически тот же вес, что и сейчас, его запас хода мог бы значительно увеличиться.

Не будет преувеличением предположить, что у эффективных моделей расстояние пробега может достигать 600–700 километров, в то время как электромобили-седаны с особенно тщательной оптимизацией аэродинамики могут добиться расстояния пробега близкого к 800 километрам. В самых эффективных автомобилях аккумулятор ёмкостью 120 кВт·ч может даже позволить достичь расстояния пробега около 1000 километров, хотя здесь важную роль играют и многие другие факторы.

Расход энергии — именно тот фактор, который определяет, насколько далеко может зайти эта технология. Седан, потребляющий 13 кВт·ч на 100 км, нуждается в 104 кВт·ч для преодоления расстояния в 800 км в идеальных условиях. Большой внедорожник с расходом 20 кВт·ч на 100 км потребует 160 кВт·ч для преодоления того же расстояния.

Поэтому мы не увидим автоматически электрических внедорожников с дальностью поездки 1000 км только из-за появления аккумуляторов емкостью 381 Вт·ч/кг. Энергоемкость решает часть проблемы, но аэродинамика, шины, вес, температура и эффективность системы привода по-прежнему будут иметь решающее значение.

Хорошим примером того, чего можно достичь, сочетая все эти элементы, является Mercedes-Benz VISION EQXX. Прототип немецкого бренда смог преодолеть расстояние в 1 000 километров по дорогам, используя относительно небольшую батарею благодаря чрезвычайно низкому расходу энергии. Во время одного из тест-драйвов Mercedes-Benz зафиксировал расход всего 8,7 кВт·ч на 100 км.

Благодаря гораздо более плотной технологии аккумуляторов эту концепцию можно будет перенести на серийный автомобиль. Для достижения огромного радиуса действия не потребуется устанавливать гигантскую батарею. Аккумулятор ёмкостью 100–120 кВт·ч в чрезвычайно эффективном седане может оказаться достаточным, чтобы приблизиться к показателям, которые до недавнего времени были прерогативой прототипов.

Но, вероятно, самым важным изменением будет другое: электромобилям не обязательно придётся использовать всё более крупные аккумуляторы.

За последние годы мы наблюдаем постепенный рост емкости аккумуляторных пакетов. Самые крупные модели уже имеют емкость свыше 100 кВт·ч, а некоторые производители даже стремятся к ещё большей емкости для обеспечения высокого запаса хода. Появление гораздо более плотных аккумуляторов может изменить эту тенденцию.

Вместо увеличения емкости с 80 до 120 кВт·ч для получения большего запаса хода производитель может сохранить аккумулятор емкостью 80–90 кВт·ч и значительно снизить его вес. Это принесёт преимущества с точки зрения расхода энергии, характеристик, динамики и эффективности. Кроме того, это позволит уменьшить количество материалов, необходимых для каждого автомобиля.

Заявленная ProLogium объемная плотность в 903 Вт·ч/л открывает еще одну возможность. В электромобиле пространство для аккумулятора ограничено, и увеличение энергии, хранящейся при одинаковом объеме, позволяет повысить емкость без необходимости занимать больше места под салоном.

Быстрая зарядка также может извлечь выгоду из этого прогресса. Аккумулятор с более высокой энергетической плотностью может обеспечить большую автономность после относительно короткой остановки, при условии что производитель сможет сочетать его с высокой мощностью зарядки и надлежащей термической системой управления.

Здесь следует проявлять особую осторожность. ProLogium объявила о возможностях, направленных на быструю зарядку, но нам ещё предстоит узнать, как будет себя вести полный набор аккумуляторов, установленный в автомобиль, в течение тысяч циклов, зимой и летом, а также после многих лет использования. Настоящее испытание аккумулятора заключается не только в том, сколько энергии он может хранить при первоначальной установке, но и в том, сколько энергии он сохраняет со временем.

И именно это станет следующим серьёзным испытанием для ProLogium. Gen 3.5 уже преодолела важный рубеж, перейдя к массовому производству, но завод в Таоянь всё ещё работает в малых масштабах по сравнению с огромными заводами по производству традиционных аккумуляторов. Следующим шагом будет возможность производить эти элементы в больших количествах, с однородным качеством и по цене, позволяющей использовать их в автомобилях, не являющихся роскошными моделями.

Будущий завод в Дюнкерке будет иметь особое значение в этом отношении. Первый этап его строительства предусматривает мощность в 4 ГВт·ч, а проект рассчитан на достижение уровня до 44 ГВт·ч. Если компании удастся применить технологии поколения 3.5 на этом заводе и контролировать затраты, это станет гораздо более значимым достижением, чем любые показатели отдельных аккумуляторов.

И здесь снова появляется Mercedes-Benz. Этот немецкий бренд с 2022 года сотрудничает с ProLogium в области технологий и уже много лет работает над аккумуляторами нового поколения. Если эта технология пройдет промышленные испытания, Mercedes станет одним из производителей, которые с наибольшим интересом смогут воспользоваться повышением плотности энергии для своих будущих электромобилей.

Следовательно, показатель 381 Вт·ч/кг не следует воспринимать как немедленное обещание электромобилей с дальностью поездки 1 000 километров. Это что-то более интересное: признак того, что отрасль начинает приближаться к точке, в которой энергетическая плотность сможет изменить не только дальность поездки, но и вес, размеры и эффективность электромобилей.

Если значительная часть этих 381 Вт·ч/кг окажется в аккумуляторе, автомобиль, сегодня обеспечивающий дальность 500 километров, сможет достигать 600–700 километров без слишком большого увеличения веса. Самые эффективные модели смогут добиться дальности около 800 километров, а при особенно благоприятном сочетании аэродинамики, расхода энергии и емкости аккумулятора показатель 1 000 километров может перестать быть прерогативой прототипов.

В этом и заключается истинная ценность аккумуляторов ProLogium. Речь идет не просто о том, чтобы увеличить пробег путем добавления большего количества киловатт-часов, а о том, чтобы каждый килограмм и каждый литр аккумулятора хранили гораздо больше энергии. И если индустрии удастся превратить этое преимущество элемента питания в реальное преимущество для всей автомобили, скачок может оказаться гораздо более значительным, чем позволяют предположить простые показатели в виде Вт·ч/кг.