Большая дальность пробега при одинаковом весе: кремниевая батарея прошла лабораторные тесты
Ключевой успех в исследованиях аккумуляторов: пленочные элементы с анодами, богатыми кремнием, выдержали в тестах более 1 000 циклов, не потеряв при этом более 80 процентов своей емкости. Какие параметры играют важную роль и что означает этот прогресс для электромобилей — читайте здесь.
Источник изображения: Fraunhofer ISE
Исследователям из Института солнечных энергетических систем Фраунгофера (ISE) в рамках проекта „StrOboBatt“ удалось заставить самодельный листовой элемент ёмкостью 25 А·ч с анодами, богатыми кремнием, функционировать более 1.000 полных циклов. После тестирования элемент сохранил остаточную ёмкость более 83 процентов. Таким образом, исследовательский проект достиг важной вехи в разработке аккумуляторов: 1.000 полных циклов при сохранении ёмкости не менее 80 процентов считается минимальным требованием для коммерческого использования.
Кремний: высокая энергетическая плотность, но экстремальная деформация
Особенностью пленочной ячейки является её анода, богатая кремнием, поскольку она позволяет достичь более высокой плотности энергии по сравнению с традиционными графитовыми анодами. Однако в настоящее время кремний не может использоваться в качестве материала для анодов, так как при зарядке его объём увеличивается на 300 процентов из-за поглощения ионов лития (в четыре раза), а при разрядке снова сокращается. Такое сильное изменение приводит к потере электрического контакта внутри электрода и ускоряет разложение электролита. В результате ячейка стареет слишком быстро, что делает её непригодной для практического использования. Для сравнения: графит увеличивается в объёме всего примерно на десять–двенадцать процентов.
Чтобы снизить механическую нагрузку, возникающую из-за сильного растяжения, исследователи из Fraunhofer ISE использовали кремний-углеродный композит, составляющий 51 процент активного материала анода. Совместно с катодом, богатым никелем, они изготовили пленочную ячейку на промышленно близкой опытной линии.
Давление и динамика зарядки — ключевые факторы
В лабораторных условиях прототипы аккумуляторных ячеек во время зарядки и разрядки также подвергались осевому давлению в 1 000 килопаскалей (примерно 10 бар). При этом контакт электродов оставался стабильным, несмотря на движение материала. Однако при более низком давлении в 300 килопаскалей (примерно 3 бар) полезная емкость снижалась гораздо быстрее. Таким образом, механическое внешнее давление оказалось решающим параметром.
Кроме того, в ходе тестов при динамической нагрузке, характерной для реальных условий использования, было обнаружено, что полезная емкость батареи при высокой нагрузке снижается быстрее, чем при более мягких условиях тестирования. Это имеет важное значение для будущего применения в электромобилях, системы управления батареями которых должны учитывать этот факт.
Протестированные элементы достигли гравиметрической энергетической плотности 280 Вт·ч/кг. Однако Fraunhofer ISE утверждает, что при промышленно оптимизированном серийном производстве можно добиться показателя около 330 Вт·ч/кг. Аккумулятор с такой плотностью обеспечит прирост примерно на 20–35 процентов по сравнению с современными элементами типа NMC и NCA, а также почти удвоение эффективности по сравнению с элементами типа LFP.
Европейские сырьевые ресурсы для увеличения дальности поездки
На практике это означает: электромобиль с тем же весом аккумулятора сможет иметь емкость хранения энергии около 100 кВт·ч вместо нынешних примерно 75 кВт·ч. Это позволит увеличить реальный радиус действия среднего по размеру автомобиля с примерно 450 километров до значительно более высоких 600 километров.
Помимо простого увеличения радиуса действия, эта технология приносит стратегическое преимущество для промышленного региона. Поскольку графит в настоящее время в основном импортируется из-за пределов Европы, более широкое использование кремниевых композитов позволяет частично перенести процесс создания добавленной стоимости сырья в Европу, поскольку кремний можно добывать на местном уровне и синтетически.