Більша дальність на однаковій вазі: акумулятор з кремнієм пройшов лабораторний тест
Ключовий успіх у дослідженнях акумуляторів: плівкові елементи з анодами, багатими на кремній, пройшли тест на понад 1 000 циклів, не втративши більше 80 відсотків своєї ємності. Які параметри відіграють важливу роль та що означає цей прогрес для електромобілів — дивіться тут.
Зображення: Fraunhofer ISE
Дослідникам з Інституту сонячних енергетичних систем Фраунгофера (ISE) в рамках проекту „StrOboBatt“ вдалося експлуатувати саморобний пластинчастий елемент ємністю 25 А·год із анодами, багатими на кремній, протягом понад 1.000 повних циклів. Після тестування елемент зберіг залишкову ємність понад 83 відсотки. Таким чином дослідницький проект досяг важливої віхи 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 екстремальне розширення
Особливістю плівкової елемента є його анода, багата на кремній, оскільки вона дозволяє досягти вищої щільності енергії порівняно з традиційними графітовими анодами. Однак наразі кремній не може використовуватися як матеріал для анодів, оскільки його об’єм під час заряджання через поглинання іонів літію збільшується на 300 відсотків (збільшується у чотири рази), а під час розряджання знову скорочується. Це сильне розширення призводить до втрати електричного контакту всередині електрода та спричиняє швидше розкладання електроліту. Наслідком є надто швидке старіння елемента, що ускладнює його практичне використання. Для порівняння: графіт розширюється лише приблизно на десять–дванадцять відсотків.
Щоб зменшити механічне навантаження внаслідок сильного розширення, дослідники з Fraunhofer ISE використали композит зі силіцію та вуглецю, який становить 51 відсоток активного матеріалу аноду. Разом із катодом, багатим на нікель, пластинчасту клітку було виготовлено на промисловій пілотній лінії.
Тиск та динаміка заряджання — вирішальні фактори
У лабораторних умовах прототипи акумуляторних кліток під час заряджання та розряджання також піддавалися осьовому тиску 1 000 кілопаскалів (приблизно 10 бар). При цьому контакт електродів залишався стабільним незважаючи на рух матеріалу. Натомість при меншому тиску 300 кілопаскалів (приблизно 3 бар) корисна ємність знижувалася значно швидше. Таким чином механічний зовнішній тиск виявився вирішальним параметром.
Крім того, під час тестів у умовах динамічного повсякденного навантаження було виявлено, що корисна ємність при високій продуктивності знижується швидше, ніж під час більш м’яких тестових циклів. Це є важливим підказкою для майбутнього використання в електромобілях, системи керування акумуляторами яких повинні враховувати цей факт.
Протестовані елементи досягли гравіметричної щільності енергії 280 Вт·г/кг. Однак Fraunhofer ISE пояснює, що під час промислово оптимізованого серійного виробництва можна досягти приблизно 330 Вт·г/кг. Акумулятор з щільністю енергії 330 Вт·г/кг означатиме підвищення на приблизно 20–35 відсотків порівняно з сучасними елементами NMC та NCA, а також майже подвоєння порівняно з елементами LFP.
Європейські сировини для більшої дальності їзди
У практичному застосуванні це означає: електромобіль з тим самим вагою акумулятора зможе мати запас ємності близько 100 кВт·год замість нинішніх приблизно 75 кВт·год. Це дозволить підвищити реальний радіус дії середнього за розміром автомобіля з приблизно 450 кілометрів до значно більших 600 кілометрів.
Окрім простого збільшення радіуса дії, ця технологія також приносить стратегічну перевагу для промислового регіону. 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 на місці та штучним шляхом.