Комірки з кремнієм витримують понад 1 000 циклів, що забезпечує акумуляторам більшу автономність.

Щоб електромобіль проїжджав більшу відстань, це не завжди має залежати від встановлення більшої та важчої батареї. Одним із способів уникнути цього є підвищення енергетичної щільності. Саме тут кремній вже давно привертає увагу, хоча створює й складну проблему для вирішення — збереження його характеристик після багатьох зарядок та розрядок.

Німецький інститут Fraunhofer ISE зробив крок у цьому напрямку в рамках проекту StrOboBatt. Його дослідники розробили котушкові елементи ємністю 25 А·год із анодами, багатими на кремній, які пройшли понад 1 000 повних циклів, зберігши понад 83% своєї початкової ємності. Це значущий результат для технології, потенціал якої довгий час обмежувався її деградацією.

Повний цикл не означає підключення автомобіля лише один раз. Це означає заряджання та розряджання енергії в кількості, що дорівнює всій ємності акумулятора, і цю енергію можна накопичити шляхом кількох часткових зарядок. Тому такий тип тестування дозволяє вивчати стійкість до експлуатації, хоча сам по собі він не визначає, скільки років чи кілометрів прослужить акумулятор, встановлений у автомобілі.

Кремній дозволяє зберігати більше енергії, але вимагає контролю за його розширенням

Перевага кремнію полягає у його здатності зберігати літій, яка значно вища, ніж у графіту, що зазвичай використовується в анодах. Проблема виникає під час заряджання: його об’єм може збільшитися на 300%, а потім скоротитися під час розряджання. Повторення таких коливань піддає електрод значним навантаженням, що може пошкодити його внутрішні з’єднання та сприяти реакціям, які прискорюють старіння.

Щоб зменшити ці проблеми, дослідники використали матеріал, складений з кремнію та вуглецю у поєднанні з графітом. Цей сполук становить 51% від активного матеріалу анода, що є важливою деталлю: це не означає, що половина анода — це чистий кремній. Цю суміш поєднують із катодом NMC, багатим на нікель.

Одним із вирішальних аспектів дослідження було тиск, який чинився на елементи. При приблизно 10 барах зовнішнього тиску довгострокова стабільність була кращою, ніж при близько 3 барах. Підтримання контакту між матеріалами допомагає обмежити наслідки змін їхнього об’єму, тож конструкція, яка фіксує елементи, також є частиною завдання.

Це має практичні наслідки для виробників. Недостатньо лише розробити матеріал, здатний зберігати велику кількість енергії: його потрібно інтегрувати в акумулятор, який буде підтримувати належні умови під час роботи. Елементи кріплення, системи охолодження та захист також займають простір та мають вагу, тому переваги, отримані на рівні окремого елемента, потрібно перевіряти на рівні всієї батареї.

Тести також виявили зростаючу різницю між ємністю, виміряною під час м’яких розрядів, та ємністю, яка доступна при більш інтенсивному навантаженні на елементи. Це важливий аспект для електромобіля, де попит на енергію постійно змінюється. Збереження ємності під час лабораторних тестів не гарантує, що вона буде так само ефективно використовуватися під більш інтенсивними навантаженнями.

Виміряна енергетична щільність становила 280 Вт·год/кг, тоді як інститут оцінює, що оптимізований промисловий формат може досягти приблизно 330 Вт·год/кг. Друге число є прогнозом, а не результатом, вже доведеним для цих акумуляторів. Різниця між ними становить майже 18%, хоча це також не обов’язково означатиме на 18% більшу автономність автомобіля.

Щоб зрозуміти потенціал, можемо скористатися простим прикладом. Якщо майбутній акумуляторний пакет зможе підвищити свою ємність з 75 до 100 кВт·год, зберігши при цьому ту саму вагу, а автомобіль — той самий рівень споживання енергії, автономність збільшиться приблизно на 33%. Відстань у 450 кілометрів перетвориться приблизно на 600 кілометрів. Це математичне ілюстрування бажаної переваги, а не виміряна Fraunhoferом автономність чи гарантоване цим тестуванням покращення.

Існує ще одна не менш цікава можливість: зберегти ємність та зменшити вагу акумулятора. Для покупця, який вже має достатню автономність, цей варіант може виявитися кориснішим, ніж продовжувати накопичувати кілометраж на папері. Вибір залежатиме від того, скільки коштуватиме виробництво цих елементів та як вони будуть працювати після інтеграції в автомобіль.

Крім того, проект додає європейський промисловий аспект. Заміна частини графіту на силіцієві сполуки може допомогти диверсифікувати постачання матеріалів та перенести частину цієї діяльності до Європи. Це не усуває потреби у їх обробці з високою якістю та за конкурентоспроможною ціною, але відкриває шлях до зменшення залежностей.

Ще залишається багато роботи, перш ніж знайти це рішення у виробничій моделі. Потрібно буде довести, що воно зберігає свої переваги у пакетному вигляді, при різних температурах та протягом багатьох років використання. Наступним кроком буде забезпечення того, щоб ці хороші результати зберігалися поза лабораторією, без того, щоб вага та витрати на контроль елементів погіршували їхні характеристики.

Джерело | ise.fraunhofer