Повсеместная электрификация требует переосмысления аккумуляторных технологий

Переход мировой экономики к повсеместной электрификации увеличил спрос на более долговечные и быстро заряжаемые батареи в различных отраслях промышленности, включая транспорт, бытовую электронику, медицинские устройства и бытовые накопители энергии. Хотя преимущества этого перехода хорошо понятны, в действительности инновации в области аккумуляторов отстают от амбиций общества.

В отчетах прогнозируется вероятность 40% что в ближайшие пять лет температура в мире превысит предел в 1,5 градуса по Цельсию, установленный в Парижском климатическом соглашении, становится ясно, что мало времени тратить зря, когда дело доходит до создания следующего поколения. аккумуляторные батареи, для полного выпуска которых может потребоваться еще 10 лет.

Чтобы справиться с растущим давлением в сторону электрификации, совершенно новый подход к созданию батарей — это единственный способ достаточно быстро масштабировать аккумуляторные батареи, чтобы сократить выбросы парниковых газов во всем мире и избежать наихудшего сценария климатического кризиса.

Проблемы инноваций в аккумуляторных батареях

За последние несколько десятилетий эксперты по аккумуляторным батареям, автопроизводители, поставщики первого уровня, инвесторы и другие заинтересованные стороны потратили миллиарды долларов во всем мире на создание аккумуляторов следующего поколения, уделяя особое внимание химическому составу аккумуляторов. Тем не менее, отрасль все еще сталкивается с двумя основными техническими проблемами, сдерживающими распространение аккумуляторов:

1. Компромисс между энергией и мощностью: все батареи, производимые сегодня, сталкиваются с проблемой компромисса между энергией и мощностью. Батареи могут накапливать больше энергии, или они могут заряжаться / разряжаться быстрее. Что касается электромобилей, это означает, что ни одна батарея не может обеспечить одновременно большую дальность действия и быструю зарядку.
2. Несоответствие анод-катод: Самые многообещающие современные аккумуляторные технологии максимально увеличивают удельную энергию анодов, отрицательного электрода пары электродов, составляющих каждый литий-ионный аккумуляторный элемент. Однако аноды уже обладают большей плотностью энергии, чем их положительный аналог — катод. Плотность энергии катода должна в конечном итоге совпадать с плотностью энергии анода, чтобы получить максимальную емкость накопления энергии из батареи определенного размера. Без достижений в увеличении плотности энергии катода многие из наиболее интересных на сегодняшний день аккумуляторных технологий не смогут полностью реализовать свой потенциал. В настоящее время наиболее часто используемые литий-ионные батареи не могут удовлетворить потребности широкого спектра приложений полностью электрического будущего.

Являются ли твердотельные батареи Святым Граалем?

Исследователи аккумуляторов считают твердотельные аккумуляторы святым Граалем аккумуляторных технологий из-за их способности обеспечивать высокую плотность энергии и повышенную безопасность. Однако до недавнего времени эта технология не использовалась на практике.

Твердотельные батареи имеют значительно более высокую плотность энергии и потенциально более безопасны, поскольку в них не используются легковоспламеняющиеся жидкие электролиты. Однако технология все еще находится на стадии становления, и ей предстоит пройти долгий путь до коммерциализации. Процесс производства твердотельных аккумуляторов должен быть улучшен для снижения затрат, особенно в автомобильной промышленности, которая стремится добиться в ближайшие годы значительного снижения затрат до 50 долларов за кВт · ч.

Другой существенной проблемой при реализации твердотельной технологии является ограничение общей плотности энергии, которая может храниться в катодах на единицу объема. Очевидным решением этой дилеммы было бы иметь батареи с более толстыми катодами. Однако более толстый катод снизит механическую и термическую стабильность батареи. Эта нестабильность приводит к расслоению (режим отказа, при котором материал раскалывается на слои), трещинам и расслоению — все это вызывает преждевременный выход батареи из строя. Кроме того, более толстые катоды ограничивают диффузию и снижают мощность. В результате существует практический предел толщины катодов, который ограничивает мощность анодов.

Новый взгляд на материалы с кремнием

В большинстве случаев компании, разрабатывающие батареи на основе кремния, смешивают до 30% кремния с графитом для повышения плотности энергии. Аккумуляторы, произведенные Sila Nanotechnologies, являются наглядным примером использования кремниевой смеси для увеличения плотности энергии. Другой подход заключается в использовании анодов из 100% чистого кремния, которые ограничены очень тонкими электродами и высокими производственными затратами, для получения еще более высокой плотности энергии, как в подходе Amprius .

Хотя кремний обеспечивает значительно большую плотность энергии, существует существенный недостаток, который ограничивал его применение до сих пор: материал подвергается увеличению объема и усадке во время зарядки и разрядки, что ограничивает срок службы батареи и производительность. Это приводит к проблемам деградации, которые производителям необходимо решить перед коммерческим внедрением. Несмотря на эти проблемы, некоторые кремниевые батареи уже используются в коммерческих целях, в том числе в автомобильном секторе, где Tesla лидирует по внедрению кремния в электромобили.

Необходимость электрификации требует нового внимания к конструкции аккумуляторных батарей.

Достижения в области архитектуры аккумуляторных батарей и конструкции ячеек дают большие надежды на внесение улучшений в существующие и новые химические составы аккумуляторных батарей.

Вероятно, наиболее примечательным с точки зрения мейнстрима является аккумуляторная батарея Tesla «бисквитное олово», которую компания представила на мероприятии Battery Day 2020. Он по-прежнему использует литий-ионную химию, но компания удалила вкладки в ячейке, которые действуют как положительные и отрицательные точки соединения между анодом и катодом и корпусом батареи, и вместо этого использует черепичную конструкцию внутри ячейки. Это изменение в конструкции помогает снизить производственные затраты при увеличении дальности действия и устраняет многие тепловые барьеры, с которыми может столкнуться элемент при быстрой зарядке электричеством постоянного тока.

Переход от традиционной 2D-структуры электродов к 3D-структуре — еще один подход, который набирает обороты в отрасли. Трехмерная структура дает высокую энергию и высокую мощность как на аноде, так и на катоде для любого химического состава батареи.

Несмотря на то, что 3D-электроды все еще находятся на этапах исследований и разработок, они достигли вдвое большей доступной емкости, на 50% меньше времени зарядки и на 150% большего срока службы для высокопроизводительных продуктов по конкурентоспособным ценам. Следовательно, чтобы расширить возможности аккумуляторов для раскрытия всего потенциала накопления энергии для ряда приложений, критически важно разработать решения, которые подчеркивают изменение физической структуры аккумуляторов.

Победа в гонке батарей

В гонке батарей выиграют не только повышение производительности, но и улучшение производства и снижение затрат. Захватить значительную долю рынка аккумуляторных батарей, который, по прогнозам, к 2027 году достигнет 279,7 млрд долларов. году , страны по всему миру должны найти способы масштабного производства недорогих аккумуляторов. Ключевым моментом будет отдаваться приоритетным решениям и инновационным методам производства, которые могут быть объединены с существующими сборочными линиями и материалами.

Американский план создания рабочих мест администрации Байдена подчеркивает важность отечественного производства аккумуляторов для достижения цели страны — стать лидером в области электрификации при одновременном достижении амбициозных целей по сокращению выбросов углерода. Подобные обязательства будут играть ключевую роль в установлении того, кто сможет поддерживать критически важное конкурентное преимущество в области аккумуляторных батарей и занять наибольшую долю на мировом рынке электромобилей стоимостью 162 миллиарда долларов .

В конечном счете, в гонке к полной электрификации победителями будут те технологии, которые окажут наиболее значительное влияние на производительность, снижение затрат и совместимость с существующей производственной инфраструктурой. Применяя целостный подход и уделяя больше внимания инновационному дизайну ячеек, а также дорабатывая ведущие химические продукты, мы можем достичь следующих шагов в повышении эффективности аккумуляторов и быстрой коммерциализации, в которых отчаянно нуждается мир.