В настоящее время существуют две проблемы, которые мешают электромобилям стать популярнее, чем автомобили с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Именно аккумуляторы в электромобилях определяют малый радиус действия авто без подзарядки и слишком длительное время перезарядки батареи.
В связи с этим разработка аккумуляторов в электромобилях является важнейшим аспектом повышения производительности химических источников тока многоразового действия. Этот прогресс требует надежных систем автоматизированного проектирования для точного и надежного моделирования характеристик батареи.
Литий-ионные аккумуляторы используемые сейчас позволили осуществить беспроводную революцию, трансформирующую глобальную коммуникацию.
Однако будущие вызовы требуют распределенного энергоснабжения на уровне, который неосуществим при существующей технологии накопления энергии. Необходимы новые материалы, способные обеспечить более высокую плотность энергии и новые аккумуляторы в электромобилях.
Развитие аккумуляторов в электромобилях
Одним из первых аккумуляторов в электромобилях был свинцово-кислотный. Эти батареи были громоздкими по размеру, весили около 400 кг и обеспечивали только около 16 кВт/час.
Никельметалгидридные элементы NiMH как в первых гибридных автомобилях типа «Приус» также уже не используются в новых разработках.
Развитие портативной электроники и электромобилей нового поколения неразрывно связано с достижениями в области накопителей энергии, таких как батареи и суперконденсаторы.
Литий ионные источники тока в автомобилях
Недавние исследования показали, что литий-ионные батареи обеспечивают в 3 раза большую энергию при вдвое меньшем весе, чем свинцово-кислотные аккумуляторы.
Литий-ионные аккумуляторы в электромобилях имеют меньший размер и обеспечивают более высокое номинальное напряжение. Именно источники тока такого типа стоят в известном электромобиле «Тесла», а также более дешевом «Ниccaн Лиф».
Литий-ионные аккумуляторы в настоящее время доминируют на рынке портативных электронных устройств (например, ноутбуков, мобильных телефонов и т. д.). В своей наиболее распространенной конфигурации эти батареи состоят из литиевого составного катода (например, LiCoO2 или LiFePO4), а анод из углерода. Достигаемая плотность энергии порядка ~120-150 Вт/ч кг.
Однако литий-ионные аккумуляторы достаточно дорогостоящие при современных критериях производительности, с точки зрения стоимости (~135 US$ за кВт/ч), скорости заряда/разряда (полная зарядка ~30 мин для 200 км пробега электромобиля), измеренная плотность энергии (>300 Вт/ч кг) и безопасность. Все эти характеристики необходимы для развития всех электромобилей, а также для хранения электрической энергии, преобразованной ветром или солнечной энергией.
Это делает нынешнюю литий-ионную технологию требующей доработки в качестве основного источника энергии.
Энергетическая способность литий-ионной батареи критически зависит от скорости, с которой ионы Li+ и электроны могут мигрировать из электролита и электродной опоры в активный электродный материал для хранения ионов Li. Критической проблемой является низкая теоретическая удельная емкость.
Для увеличения емкости большая часть текущих исследований сосредоточена на альтернативных анодных материалах, таких как кремний Si (420 Вт/ч кг и SnO2 (782 Вт/ч кг). Однако их применение, в основном, ограничено их плохой цикличностью (т. е. количеством циклов заряда/разряда до того, как удельная емкость упадет ниже 60% от номинального значения), вызванной большими объемными изменениями (100-300% по отношению к исходному объему) в процессе повторного легирования и де-легирования Li+ .
Следующее поколение аккумуляторов для электромобилей
Следующее поколение батарей сравнимой с литий-ионной, — это литий-железо-фосфатная. Литий-железо-фосфатный источник тока (LiFePO4) работает более 1000 циклов, прежде чем его емкость падает до 80%. Это существенное улучшение по сравнению с литий-ионным аккумулятором.
Существует еще литий-ионно кобальтовый аккумулятор LiCoO2, срок службы которого составляет 400 циклов. Кроме того емкость литий-ионного кобальтового аккумулятора падает до 80% после 60 циклов.
Проведенные испытания показывают, что для электромобилей лучше подходит литий-железо-фосфатный аккумулятор LiFePO4.
Батарея LiFePO4 имеет гибридные характеристики: она так же безопасна, как свинцово-кислотная и так же мощна, как литий-ионная батарея. Преимущества широкоформатных литий-ионных (и полимерных) аккумуляторов, содержащих литий-железофосфат (LiFePO4) достаточно широкие.
Некоторые примечательные характеристики батареи LiFePO4 по сравнению с ранее выпускаемой литий-ионно-кобальтовой батареей заключаются в более низком риске для безопасности, более высокой удельной плотности энергии, более дешевой и более экологичной.
Применение графена в источниках тока
Существуют еще литий-ионные батареи на основе графенового анода и литий-железофосфатного катода. Графен, благодаря своему большому отношению поверхности к массе, превышающему 2600 м2 на грамм, высокая электропроводность, высокая механическая прочность является перспективным материалом для электродов в литий-ионных батареях. В то время как однослойный графен, выращенный с помощью химического осаждения из паровой фазы, имеет ограниченную способность из-за отталкивания между ионами литий+.
Большие усилия сейчас посвящены эксплуатации химически модифицированного графена, такого как оксид графена. Однако он отличается от других материалов для положительных электродов своей оливиновой структурой и фазовым переходом. Однако графеновый анод демонстрирует кристаллический порядок и высокое поглощение лития, что увеличивает качественные характеристики.
Таким образом, аккумуляторы в электромобилях требуют нового подхода, совместимого с современными высокоёмкими технологиями, являться дешевыми и масштабируемыми.
