LG готує акумулятор, який є дешевшим за LFP та має на 33% вищу енергетичну щільність.

LG Energy Solution нещодавно зробила важливий крок для вирішення однієї з проблем, яка роками стримувала розвиток надзвичайно перспективної хімії. Південнокорейська компанія у співпраці з Національним університетом Сеула змогла значно покращити тривалість служби літій-манганових акумуляторів LMR, довівши їхню ефективність у великогабаритних елементах, призначених для електромобілів.

Дослідження, опубліковане в Nature Communications, показує, що елемент LMR ємністю понад 40 А·год може зберегти 92,2% своєї початкової енергії після 883 повних циклів зарядки та розрядки. Цікавим є не лише цей показник, а й спосіб, яким дослідники до нього дійшли: шляхом зміни умов роботи акумулятора для кращого контролю над реакціями кисню.

Технологія LMR, що скорочено означає літій-марганцеві акумулятори, вже багато років розглядається як можлива альтернатива акумуляторам з високим вмістом нікелю та кобальту. У сучасних високопродуктивних хімікатях ці матеріали дозволяють досягти високої енергетичної щільності, але водночас підвищують вартість продукту. Марганець, навпаки, є значно більш поширеним та дешевшим.

У елементах LMR, розроблених General Motors та LG Energy Solution, склад становить приблизно 65% марганцю та 35% нікелю, причому кобальт присутній у дуже малих кількостях. GM стверджує, що така композиція дозволяє досягти енергетичної щільності, яка на приблизно 33% вища за щільність найкращих акумуляторів типу LFP, при порівнянних витратах.

Саме в цьому полягала проблема. Акумулятори LMR також використовують кисень, який міститься у матеріалі електрода, для зберігання енергії. Під час заряджання частина цього кисню окислюється, і якщо пізніше він не може повернутися до свого початкового стану під час розряджання, це може призвести до пошкодження внутрішньої структури елемента. Крім того, утворюється газ, що є особливо проблематичним у випадку великих елементів, призначених для електромобіля, де простір обмежений, а підвищення внутрішнього тиску може прискорити їх деградацію.

Дослідники LG Energy Solution та Національного університету Сеула виявили, що ключем до рішення було краще контролювання діапазону роботи. Знизивши максимальну напругу завантаження з 4,6 до 4,3 вольтів, ефективність відновлення оксидованого кисню підвищилась з 86% до 97%. Вони також переконалися, що зниження мінимальної напруги розряду з 3,0 до 2,0 вольтів дозволяло кисню майже повністю повернутися до свого початкового стану.

На основі цих результатів команда змінила як діапазон напруг, так і початковий процес створення елементів. Цей останній етап також проводився при нижчій температурі для ще більшого зменшення утворення газів. Результатом став великогабаритний елемент LMR ємністю понад 40 А·год, який зберіг 92,2% своєї енергії після 883 повних циклів. Дослідження також вказує на питому енергію у розмірі 663 Вт·год/кг, враховуючи масу активного матеріалу позитивного електрода, проте цю цифру не слід плутати з енергетичною щільністю всього акумуляторного блоку автомобіля.

Може здатися, що 883 цикли — це не надто багато для акумулятора електромобіля, але ця цифра змінюється, коли йдеться про пройдену відстань. Якщо взяти за основу автомобіль з запасом ходу близько 640 кілометрів, то 883 повних циклів еквівалентні приблизно 565 000 кілометрам. За таким рівнем використання акумулятор втратив би близько 8% своєї початкової енергії, згідно з результатами лабораторних випробувань.

І є ще одна особливо важлива деталь: прогрес залежить не від використання абсолютно нового матеріалу чи повної перебудови заводів з виробництва акумуляторів. Дослідники довели, що значну частину проблеми можна вирішити, просто оптимізувавши електрохімічні умови їх роботи. Це відкриває шлях до значно простішого впровадження, якщо результати залишатимуться стабільними під час переходу цієї технології до масового промислового виробництва.

Крім того, ми маємо справу не з хімією, яка залишилася лише в лабораторії. General Motors та LG Energy Solution вже працюють над впровадженням акумуляторів LMR у електромобілі серійного виробництва. Обидві компанії планують розпочати передвиробництво призматичних елементів LMR наприкінці 2027 року та запустити комерційне виробництво у Сполучених Штатах у 2028 році через Ultium Cells.

Початковою метою є великі електричні SUV та пікапи від GM, де вага та вартість акумулятора великої ємності мають особливо значний вплив. Компанія прагне зберегти запас ходу понад 640 кілометрів, водночас знижуючи витрати порівняно з поточними акумуляторами з високим вмістом нікелю. Насправді GM працює над цією хімічною формулою з 2015 року та стверджує, що вже протестувала сотні призматичних елементів великого формату в різних конфігураціях.

Ця комбінація є особливо цікавою, оскільки акумулятори типу LMR можуть займати проміжне положення між акумуляторами LFP та тими, що містять велику кількість нікелю. Першою перевагою є низька вартість марганцю; другою — значно вища енергетична щільність порівняно з акумуляторами LFP; а третьою — можливість зберігати високу автономність без використання великих кількостей нікелю та кобальту.

Ще потрібно довести, як буде поводитися ця технологія у мільйонах клітин, виготовлених серійно, та за реальних умов використання електромобіля. Також необхідно перевірити, яку енергетичну щільність у кінцевому підсумку досягне повний блок батарей та як змінюватиметься його робота після тисяч циклів. Проте досягнення, оприлюднені зараз LG Energy Solution та Національним університетом Сеула, усувають одну з основних перешкод, яка роками стримувала розвиток батарей типу LMR – деградацію, спричинену незворотними реакціями кисню та утворенням газів.

Якщо індустріалізація, запланована компаніями GM та LG Energy Solution, відбудеться вчасно, перші пристрої з’являться у 2028 році. Це означає, що акумулятор, здатний забезпечити високу автономність, використовувати значно менше кобальту та знизити вартість виробництва, може бути значно ближчим до електромобілів, якими ми користуємося щодня, ніж здавалося кілька років тому.

Джерело | LG

Ключові моменти

У цій хімічній суміші приблизно 65% — це марганець, 35% — нікель, а кобальту дуже мало.

За даними GM, щільність енергії може бути на 33% вищою, ніж у найкращих акумуляторах типу LFP.

Клітина ємністю понад 40 А·год зберегла 92,2% своєї енергії після 883 циклів.

Контроль напруги під час заряджання та розряджання дозволяє відновити до 97% оксидованого кисню.

GM та LG Energy Solution планують розпочати комерційне виробництво акумуляторів LMR у 2028 році.

Перші застосування будуть спрямовані на великі електричні SUV та пікапи від GM.

З автономністю близько 640 кілометрів, 883 цикли експлуатації дорівнюватимуть приблизно 565 000 кілометрам.