Учёные из Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) разработали новую технологию твёрдотельных батарей, которая может удвоить плотность энергии в электромобилях.
За последние 10 лет дальность пробега электромобилей (EV) между зарядками неуклонно увеличивалась, утроившись с 80 миль (129 км) в 2010 году до 220 миль (354 км) в 2021 году.
Однако дальнейшее повышение эффективности ограничивается как химией жидких электролитов в литий-ионных (Li-ion) батареях, которые сегодня питают электромобили, так и их весом. Как объяснялось в журнале Heatmap в 2023 году:
«Литий-ионные батареи в электромобилях являются передовой технологией, однако их плотность энергии всё ещё значительно уступает бензину. Поэтому, чтобы обеспечить автомобилю сотни миль пробега, приходится устанавливать огромную тяжёлую батарею на днище автомобиля.»
Новое достижение в области твёрдотельных батарей, описанное в исследовании, опубликованном 10 мая в журнале ASC Energy Letters, может изменить ситуацию.
Технология основана на хранении энергии в гибких и прочных листах твёрдотельных электродов толщиной 30 микрометров — примерно с толщину человеческого волоса. По словам учёных, если разработка будет реализована, она сможет удвоить объём хранения энергии по сравнению с текущей максимальной плотностью в батареях для электромобилей, доведя её до 500 ватт-часов на килограмм.
Проблема с твёрдотельными батареями
Твёрдотельные батареи не являются новой идеей: учёные ORNL заложили основы их создания и применения ещё в 1990-х годах. Такие батареи уже давно используются в малых форматах для питания кардиостимуляторов, RFID-меток — таких как противокражные метки в магазинах — и носимых устройств.
Однако для электромобилей они оказались недостаточно долговечными и масштабируемыми. Более того, пластиковые полимеры, используемые в большинстве твёрдотельных батарей, имеют более низкую проводимость по сравнению с жидкими электролитами, что снижает их эффективность.
Учёные преодолели эти проблемы, используя полимер для создания «прочного, но упругого тонкого слоя», который может обеспечить твёрдотельным батареям значительно более высокую плотность энергии. Эта плотность превышает не только показатели современных твёрдотельных батарей, но и литий-ионных технологий, как указано в заявлении исследователей.
Тонкие листы позволяют разделять отрицательные и положительные электроды, предотвращая короткие замыкания, при этом обеспечивая высокую проводимость для ионного перемещения. В батарее также используются сульфидные твёрдотельные электролиты, которые имеют аналогичную проводимость с жидкими электролитами, применяемыми в литий-ионных батареях, что обеспечивает сопоставимую производительность.
«Мы стремимся минимизировать количество полимерного связующего, так как оно не проводит ионы, — сказал в своём заявлении ведущий автор исследования Гуан Ян (Guang Yang), научный сотрудник ORNL. — Единственная функция связующего — закрепить частицы электролита в плёнке. Использование большего количества связующего улучшает качество плёнки, но снижает проводимость ионов. И наоборот, уменьшение количества связующего повышает проводимость ионов, но ухудшает качество плёнки.»
Высокопроизводительная и безопасная батарея для электромобилей
Следующим шагом для учёных станет создание устройства, которое позволит им протестировать их разработки в условиях реальной батареи в лаборатории. Также они планируют сотрудничать с исследователями из академической среды и промышленности для проведения более широких испытаний.
Если исследования приведут к производству нового поколения батарей для электромобилей, это не только увеличит их дальность хода, но и повысит безопасность, добавили учёные.
Литий-ионные батареи являются нестабильными, и хотя возгорания случаются редко, они чрезвычайно токсичны и трудно поддаются тушению. По данным Института пожарных инженеров Великобритании (IFE), при возгорании электромобиля выделяется более 100 органических химических веществ, включая смертельно опасные угарный газ и синильную кислоту.
Тем не менее, автопроизводители рекомендуют пожарным не пытаться тушить такие пожары, а дать им возможность догореть. Это связано, в частности, с огромным количеством воды, необходимой для тушения — примерно 1 125 литров в минуту, — что создаёт опасный сток, который может попасть в общественные дренажные системы, по данным IFE.
Кроме того, даже когда возгорание литий-ионных аккумуляторов, казалось бы, потушено, они могут вновь вспыхнуть «часы, дни или даже недели» спустя, при этом не единожды, а много раз. Новая технология, разработанная в ORNL, напротив, является ненестабильной, что устраняет такой риск в электромобилях, использующих твёрдотельные батареи.
