Нові розробки батарей можуть вивести електромобілі на новий рівень

Акумулятори для розвитку галузі електромобілів мають основне значення, адже вони займають близько половини їх вартості. Велику кількість людей стримує від придбання електромобіля якраз той факт, що після тривалого використання акумулятор деградує і його треба повністю замінювати на новий. А це великі витрати, які нівелюють всю фінансову привабливість новітнього виду транспорту порівняно з автомобілями на традиційному пальному.

Але з сучасним розвитком науки і техніки ситуація може кардинально змінитися. Французькі вчені розробили прототип натрій-іонної батарейки у форматі 18650. Акумулятори формату 18650 подібні на звичайні «пальчикові» батарейки, але містять значно більше енергії. Їх використовують, зокрема, у батареях ноутбуків, а також у потужних ліхтариках.

У прототипу нової натрій-іонної (Na-ion) густина енергії складає 90 Вт*год/кг. Тривалість життя прототипу перевищує 2000 циклів зарядки-розрядки (для порівняння, ресурс літій-іонних батарейок розрахований на 500-1000 циклів), при цьому натрій дешевший за літій. Зазначимо також, що прототип батарейки майбутнього швидко заряджається.

Ось що про нього пише EV Obsession:

— Перший етап досліджень передбачав знаходження ідеального «рецепту» для позитивного електрода (катода) батареї. До проекту було залучено шість партнерських лабораторій на RS2E, щоб знайти правильний склад для електрода натрію. Розробку майбутнього прототипу було доручено СЕА, що є членом мережі RS2E. Усього за шість місяців СЕА вдалося розробити перший натрій-іонний прототип у форматі 18650, що відповідає ринковим аналогам батарей, тобто його циліндр має 1,8 см у діаметрі та 6,5 см у висоту. Це має сприяти запровадженню технології у масове виробництво. Інші міжнародні лабораторії також працюють над цією технологією, але жодна з них наразі не оголосила про розробку прототипу 18650.

На другому етапі вже вдалося перейти від лабораторних умов (синтез декількох грамів матеріалу катода) до «передпромислової» партії (синтез 1 кг матеріалу). Нова технологія уже демонструє обнадійливі результати. Густина енергії (кількість енергії, яка може зберігатись в кілограмі матеріалу батареї) становить 90 Вт*год/кг, що відповідає першим літій-іонним батареям. А термін її служби — максимальна кількість циклів зарядки-розрядки, яку батарея здатна витримати без будь-якої істотної втрати продуктивності — перевищує 2000 циклів. Але, що найважливіше, клітини здатні швидко акумулювати енергію. Основною ж перевагою технології є те, що вона працює не від літію, рідкісного елементу, який можна знайти лише в певних місцях, а від натрію. Отже за допомогою використання натрію виробництво батареї можна суттєво здешевити.

Проекту з розробки Na-ion батарейки присвячено ряд публікацій в наукових виданнях і патентів. Він отримав фінансову підтримку від Міністерства вищої освіти і досліджень Франції, CNRS, CEA, Національного агентства досліджень Франції (ANR) та Управління оборони Міністерства озброєння Франції. Дослідники, задіяні у проекті, наразі працюють над тим, щоб поліпшити надійність нової технології та адаптувати її до запровадження у широке виробництво.

Ще одною хорошою новиною цього року стало те, що дослідники з Каліфорнійського університету розробили винахід, що дозволив виготовити папероподібний матеріал, який може призвести до появи нового покоління акумуляторів підвищеної ємності. Величина його електричного заряду на одиницю маси акумулятора в 10 разів більша, ніж в графіту, який використовується зараз. Також вони винайшли метод збільшення кількості циклів використання акумулятора до сотні разів. Цей винахід, в разі його промислового застосування, може бути революційним для виробництва електромобілів та розвитку відновлювальної енергетики.

Акумулятор складається із папероподібного матеріалу, що виготовлений з кремнію у формі губчастих кремнієвих нановолокон. Як відомо, нановолокном є структура розміру одної мільярдної частин метра. Іншими словами, кожне нановолокно кремнію більш ніж в 100 разів тонше, ніж волосина. Хоча кожне волокно є губкоподібне, у своїй масі разом вони утворюють певну упаковку або свого роду папероподібний матеріал.

Такий “паперовий” кремній може замінити графіт в звичайних літій-іонних акумуляторах. У звичайному акумуляторі, анод покривається матеріалом на основі графіту. На сьогоднішній день дослідники практично досягли межі продуктивності графіту, а тому ведеться розробка більш ефективних матеріалів.

Кремній є хорошим кандидатом на такий матеріал, оскільки, величина його електричного заряду на одиницю маси акумулятора в 10 разів більша, ніж в графіту. Проте, кремній має тенденцію до деградації акумулятора при його розширенні. Команда інженерного коледжу Bourns вирішила цю проблему шляхом циклювання кремнію в масу нановолокна, що дозволяє збільшити кількість циклів використання акумуляторів до сотні разів без деградації самого акумулятора.