Більша дальність на однаковій вазі: кремнієвий акумулятор пройшов лабораторні випробування
Критичний прорив у дослідженнях акумуляторів полягає у тому, що елементи з анодами, багатими на кремній, витримують понад 1 000 циклів тестування, не втрачаючи при цьому ємності нижче 80 відсотків. Ми розглядаємо параметри, які відіграють ключову роль, та те, що цей прогрес може означати для електромобілів.
Зображення: Fraunhofer ISE
Дослідники з Інституту сонячних енергетичних систем Фраунгофера (ISE) у рамках проекту «StrOboBatt» успішно експлуатували самостійно виготовлену акумуляторну клітину ємністю 25 А·год із анодами, багатими на кремній, протягом понад 1 000 повних циклів. Після тестування клітина зберегла понад 83 відсотки своєї ємності. Це досягнення є важливою віхою у розробці акумуляторів: 1 000 повних циклів із збереженням ємності щонайменше на 80 відсотків вважаються мінімальною вимогою для комерційного використання.
Кремній: висока енергетична щільність, але крайня деформація під час розширення
Комірка з мішковидною структурою вирізняється своїм анодом, багатим на кремній, що дозволяє досягти вищої щільності енергії порівняно з традиційними графітовими анодами. Однак кремній ще не набув широкого застосування як матеріал для анодів, оскільки під час заряджання через поглинання літій-іонів його об’єм збільшується на 300 відсотків (у чотири рази), а під час розряджання знову зменшується. Ці значні зміни призводять до втрати електричного контакту всередині електрода та прискорюють розкладання електроліту. Внаслідок цього комірка деградує занадто швидко для практичного використання. Для порівняння, графіт збільшується лише приблизно на 10–12 відсотків.
Щоб зменшити механічні навантаження, спричинені цим екстремальним розширенням, дослідники з Fraunhofer ISE використали композит з кремнію та вуглецю, який становить 51 відсоток активного матеріалу анода. У поєднанні з катодом, багатим на нікель, елемент типу „пауч“ було виготовлено на пілотному заводі промислового масштабу.
Тиск та динаміка заряджання є ключовими факторами
У лабораторії прототипи батарейних елементів також піддавалися осьовому тиску 1 000 кілопаскалів (приблизно 10 бар) під час заряджання та розряджання. Незважаючи на рух матеріалу, контакт електродів залишався стабільним. Однак при нижчому тиску 300 кілопаскалів (приблизно 3 бар) корисна ємність знижувалася значно швидше. Таким чином, зовнішній механічний тиск виявився вирішальним параметром.
Тести в умовах реального світу також показали, що корисна ємність знижується швидше при високих рівнях потужності, ніж під час помірних тестових циклів. Це є важливим підходом для майбутнього використання у електромобілях, чиї системи керування акумуляторами повинні враховувати цей фактор.
Протестовані елементи досягли гравіметричної щільності енергії 280 Вт·г/кг. Однак Fraunhofer ISE стверджує, що промислово оптимізоване масове виробництво може досягти рівня близько 330 Вт·г/кг. Акумулятор з щільністю енергії 330 Вт·г/кг означатиме збільшення приблизно на 20–35 відсотків порівняно з сучасними елементами NMC та NCA, а також майже подвоєння щільності енергії порівняно з елементами LFP.
Європейські сировини для більшої дальності їзди
На практиці це означає, що електромобіль може мати майже 100 кВт·год ємності акумулятора замість сучасних приблизно 75 кВт·год за ту саму вагу акумулятора. Це дозволить збільшити реальний радіус їзди середньорозмірного автомобіля з приблизно 450 км до понад 600 км.
Окрім збільшення радіуса їзди, ця технологія надає стратегічну перевагу промисловому сектору. Оскільки графіт наразі переважно імпортується з-за меж Європи, більше використання кремнієвих композитів дозволяє частково перемістити процес створення вартості сировини до Європи, адже кремній можна отримувати та виробляти синтетичним шляхом на регіональному рівні.