LG разрабатывает батарею, дешевле батарей типа LFP и обладающую на 33% большей энергетической плотностью.

LG Energy Solution только что сделала важный шаг для решения одной из проблем, которые на протяжении многих лет сдерживали развитие особенно перспективной химии. Южнокорейская компания в сотрудничестве с Национальным университетом Сеула сумела значительно повысить долговечность марганцевых аккумуляторов типа LMR, доказав их работоспособность в крупногабаритных элементах, предназначенных для электромобилей.

Исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, что элемент LMR ёмкостью более 40 А·ч способен сохранить 92,2% своей первоначальной энергии после 883 полных циклов зарядки и разрядки. Интересно не только это число, но и то, как учёным удалось его достичь: путём изменения условий работы аккумулятора для более эффективного контроля реакций кислорода.

Технология LMR, что с английского означает литиевые аккумуляторы с высоким содержанием марганца, уже несколько лет рассматривается как возможная альтернатива аккумуляторам с большим содержанием никеля и кобальта. В современных высокопроизводительных химических составах эти материалы позволяют достичь высокой энергетической плотности, но в то же время увеличивают стоимость продукта. Марганец, напротив, гораздо более распространен и дешев.

В элементах LMR, разработанных General Motors и LG Energy Solution, соотношение составляет примерно 65% марганца и 35% никеля, причем кобальт присутствует практически в незначительных количествах. General Motors утверждает, что такая компоновка позволяет достичь энергетической плотности, примерно на 33% выше, чем у лучших аккумуляторов типа LFP, при сопоставимой стоимости.

Вот в чём и заключалась проблема. Аккумуляторы LMR также используют кислород, присутствующий в материале электрода, для хранения энергии. Во время зарядки часть этого кислорода окисляется, и если позже он не может вернуться в своё первоначальное состояние во время разрядки, это может привести к повреждению внутренней структуры элемента. Кроме того, образуется газ, что особенно проблематично для крупных элементов, предназначенных для электромобилей, где доступное пространство ограничено, и повышение внутреннего давления может ускорить разрушение элемента.

Исследователи из LG Energy Solution и Национального университета Сеула обнаружили, что ключ к решению проблемы заключается в более эффективном контроле окна рабочих параметров. При снижении максимального напряжения зарядки с 4,6 до 4,3 вольт доля восстановленного оксидированного кислорода выросла с 86% до 97%. Они также установили, что снижение минимального напряжения разрядки с 3,0 до 2,0 вольт позволяет кислороду возвращаться практически к своему первоначальному состоянию.

Исходя из этих результатов, команда изменила как диапазон напряжений, так и первоначальный процесс формирования элементов. Этот последний этап также проводился при более низкой температуре для дальнейшего снижения образования газов. В результате был получен крупногабаритный элемент LMR емкостью более 40 А·ч, который сохранил 92,2% своей энергии после 883 полных циклов. В исследовании также указывается удельная энергия в 663 Вт·ч/кг, рассчитанная исходя из массы активного материала положительного электрода; однако этот показатель не следует путать с энергоемкостью всего аккумуляторного блока автомобиля.

Может показаться, что 883 цикла — это не так уж много для аккумулятора электромобиля, но этот показатель меняется, когда речь идет о пройденном расстоянии. Если взять в качестве ориентира автомобиль с запасом хода около 640 километров, то 883 полных цикла соответствовали бы примерно 565 000 километрам. При таком уровне использования, согласно лабораторным тестам, аккумулятор потерял бы около 8% от своей первоначальной энергии.

Есть ещё один особенно важный момент: прогресс не зависит от использования совершенно нового материала или полной перестройки заводов по производству аккумуляторов. Исследователи доказали, что значительную часть проблемы можно решить путём оптимизации электрохимических условий работы. Это открывает возможность для гораздо более простого внедрения, если результаты останутся стабильными при переходе этой технологии к массовому промышленному производству.

Кроме того, речь идёт не о химии, оставшейся лишь в лаборатории. General Motors и LG Energy Solution уже работают над тем, чтобы внедрить аккумуляторы LMR в серийные электромобили. Обе компании планируют начать предпроизводство призматических элементов LMR в конце 2027 года и запустить коммерческое производство в США в 2028 году через компанию Ultium Cells.

Первоначальной целью являются крупные электрические внедорожники и пикапы от GM, где вес и стоимость аккумулятора большой емкости оказывают особенно сильное влияние. Компания стремится обеспечить запас хода свыше 640 километров, одновременно снижая затраты по сравнению с текущими аккумуляторами с высоким содержанием никеля. Фактически, GM работает с этой химической формулой с 2015 года и утверждает, что уже протестировала сотни крупногабаритных призматических элементов питания в различных конфигурациях.

Эта комбинация представляет особый интерес, поскольку аккумуляторы типа LMR могут занять промежуточное положение между аккумуляторами LFP и теми, в которых содержится большое количество никеля. Первым преимуществом является стоимость марганца; вторым — значительно более высокая энергетическая плотность по сравнению с аккумуляторами LFP; третьим — возможность сохранять высокий уровень автономности без использования больших количеств никеля и кобальта.

Пока ещё предстоит доказать, как будет вести себя эта технология в миллионах серийно произведённых элементов и в реальных условиях использования в электромобиле. Также необходимо выяснить, какую энергетическую плотность в конечном итоге достигнёт полный комплект аккумуляторов и как меняется его работа после тысяч циклов. Однако достижение, опубликованное сейчас компанией LG Energy Solution и Национальным университетом Сеула, устраняет одно из основных препятствий, которое годами замедляло развитие аккумуляторов типа LMR: деградацию, вызванную необратимыми реакциями кислорода и образованием газов.

Если индустриализация, планируемая компаниями GM и LG Energy Solution, будет соблюдать установленные сроки, первые устройства появятся в 2028 году. Это означает, что аккумулятор, способный обеспечить большую автономность, использовать гораздо меньше кобальта и снизить стоимость производства, может оказаться гораздо ближе к электромобилям, которыми мы пользуемся ежедневно, чем казалось всего несколько лет назад.

Источник | LG

Ключевые моменты

В составе этой химической смеси примерно 65% — марганец, 35% — никель, при этом кобальта содержится очень мало.

По данным GM, плотность энергии может быть на 33% выше, чем у лучших аккумуляторов типа LFP.

Ячейка емкостью более 40 А·ч сохранила 92,2% своей энергии после 883 циклов зарядки-разрядки.

Благодаря контролю напряжения во время зарядки и разрядки удается восстановить до 97% окисленного кислорода.

GM и LG Energy Solution планируют начать коммерческое производство аккумуляторов LMR в 2028 году.

Первые устройства будут предназначены для крупных электрических внедорожников и пикапов от GM.

При автономности около 640 километров 883 цикла соответствуют примерно 565 000 километрам.