Аккумулятор литий ионный для электромобиля: Литий-ионные батареи для электромобилей

Содержание

Литий-ионный аккумулятор для электромобиля — производители и цена-battery-knowledge

Лучший литиевый аккумулятор 18650
Цилиндрическая литий-ионная батарея
Лучшее руководство по литиево-ионной батарее
Лучшее руководство по LiPo батареям
Лучшее руководство по батарее Lifepo4
Руководство по литиевой батарее 12 В
Литий-ионный аккумулятор 48 В
Подключение литиевых батарей параллельно и последовательно
Лучшая литий-ионная батарея 26650

APR 28, 2022 Вид страницы：79

Литий-ионный аккумулятор (также литий-ионный) относится к семейству перезаряжаемых аккумуляторов, в которых ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному во время разрядки и обратно при зарядке. В литий-ионных батареях в качестве материала одного электрода используется интеркалированное соединение лития по сравнению с металлическим литием, используемым в неперезаряжаемой литиевой батарее.

3.2V 20A Низкотемпературная батарея LiFePO4-40℃ 3C Разрядная емкость ≥70% Температура зарядки: -20~45℃ Температура разрядки: -40~+55℃ пройти тест на иглоукалывание -40℃ максимальная скорость разряда: 3C

Другими являются оксид марганца и оксид кобальта, которые обычно используются для портативной электроники, такой как мобильные телефоны и ноутбуки. Фосфат лития-железа (LiFePO4), оксид лития-никеля-марганца-кобальта (LiNiMnCoO2 или NMC) и оксид лития-никеля-кобальта-алюминия (LiNiCoAlO2 или NCR) — это другие материалы, которые используются в аккумуляторных батареях.

Литий-ионные аккумуляторы широко распространены в бытовой электронике. Это один из самых популярных типов аккумуляторов для портативной электроники, с высокой плотностью энергии, малым эффектом памяти и малым саморазрядом. Помимо бытовой электроники, LIB также становятся все более популярными для военных, аккумуляторных электромобилей и аэрокосмических приложений.

Например, литий-ионные аккумуляторы становятся обычной заменой свинцово-кислотным аккумуляторам, которые исторически использовались в тележках для гольфа и грузовых автомобилях.

Литий-ионный аккумулятор позволил электромобилям проехать дальше, чем когда-либо прежде. Литий-ионные батареи теперь можно найти в каждом электромобиле, а также в других транспортных средствах, таких как Tesla Semi. Они также используются во многих портативных электронных устройствах, таких как смартфоны, ноутбуки и планшеты.

Так что же такое литий-ионный аккумулятор? Это тип перезаряжаемой батареи, в которой для обеспечения питания используется движение ионов лития через раствор электролита. Литий — очень легкий металл с высокой плотностью энергии, а это означает, что он хранит больше энергии на фунт, чем другие металлы (например, свинец), несмотря на более низкое напряжение.

Первые коммерческие литий-ионные аккумуляторы были представлены Sony в 1991 году, и сейчас они используются в портативных компьютерах, КПК, сотовых телефонах, цифровых камерах, видеомагнитофонах и многих других электронных устройствах. Аккумуляторы также находят применение в автомобильной промышленности, поскольку они обеспечивают вдвое большую плотность энергии по сравнению с обычными свинцово-кислотными аккумуляторами, что позволяет им питать электромобиль на одном заряде до 200 миль.

Существует несколько различных типов технологии литий-ионных аккумуляторов, но все они используют эти основные материалы. Для электродов можно использовать множество различных химических веществ, но наиболее распространенным является графит для отрицательного электрода и оксид кобальта (или иногда оксид марганца) для положительного электрода. Электролит обычно представляет собой жидкое органическое соединение, такое как этиленкарбонат или пропиленкарбонат.

Низкотемпературныйпрочный полимерный аккумулятор для ноутбука с высокой плотностью энергии Спецификация аккумулятора: 11,1 В 7800 мАч -40 ℃ 0,2 C разрядная емкость ≥80% Пыленепроницаемый, устойчивый к падению, антикоррозийный, антиэлектромагнитный

Производители Литий-ионных Аккумуляторов Для Электромобилей

Сегодня существует более десятка компаний, производящих литий-ионные элементы, в том числе

1. Корпорация Panasonic (TSE:6752)

Panasonic уже несколько лет производит аккумуляторы для электромобилей, в том числе те, которые использует Tesla. Японская фирма, похоже, не производит много батарей в Соединенных Штатах, но у нее есть по крайней мере один завод недалеко от Детройта, который производит небольшие литий-ионные элементы для электроинструментов.

2. Системы A123

Фирма, которая когда-то обещала производить все свои батареи на заводе в Ливонии, штат Мичиган, теперь принадлежит китайской Wanxiang Group Corp. и управляется дочерней компанией B456 Systems LLC. B456 заявляет, что по-прежнему будет производить некоторые батареи в Мичигане, но, похоже, значительно больше производства будет производиться в Китае и других странах.

3.Современная компания Amperex Technology Co. Ltd. (CATL)

Эта китайская фирма, производящая литий-ионные аккумуляторы для автомобилей, уже продает их некоторым европейским автопроизводителям и планирует построить завод в Германии. У CATL также есть офис в Трое, штат Мичиган, куда компания инвестирует 300 миллионов долларов и может в конечном итоге нанять 1000 человек, если бизнес будет развиваться так, как ожидалось.

4.Альтаир Нанотехнологии

Компания Altair Nanotechnologies (ALTI) недавно объявила, что ее литий-ионные элементы будут использоваться в новом спортивном электромобиле Tesla Roadster.

5.Кобасис

Cobasys является совместным предприятием Chevron и Energy Conversion Devices. Компания производит никель-металлогидридные аккумуляторы для автомобилей. Эта технология была приобретена у Ovonics и использовалась во многих гибридных моделях, включая Toyota Prius, Ford Escape Hybrid, Mercury Mariner Hybrid, GM Saturn Vue Green Line, Nissan Altima Hybrid и Toyota Highlander. Cobasys также была выбрана в качестве одной из трех компаний-производителей аккумуляторов для поставки литий-ионных аккумуляторов для подключаемого гибридного электромобиля Chevrolet Volt (PHEV).

6. Бостон Пауэр

Компания Boston Power разработала аккумулятор, который рекламирует как первое экологически чистое литий-ионное решение для индустрии ноутбуков.

7.Энер1

Ener1 работает над литий-ионными батареями для гибридных автомобилей и подключаемых гибридов. Он также работает над решениями для сетевых хранилищ для коммунальных предприятий. Его дочерние компании включают EnerDel, которая производит свинцово-кислотные батареи с регулируемым клапаном для резервного питания компьютеров, инвалидных колясок и других приложений, и EnerStruct, которая разрабатывает структуры для перезаряжаемых батарей на основе лития.

8.Samsung SDI (Южная Корея)

Поставщик аккумуляторов для электромобилей BMW, Ford Motor Company и Daimler. Производитель также объявил о планах построить два новых завода по производству аккумуляторов для электромобилей в Европе и Китае.

Литий-ионный аккумулятор для электромобиля Цена

Стоимость литий-ионных аккумуляторов стремительно падает. К концу 2022 года производство электромобилей должно стать дешевле, чем автомобилей с двигателем внутреннего сгорания.

По данным Bloomberg New Energy Finance (BNEF), за два десятилетия, которые потребовались для разработки автомобилей с гибридными или полностью электрическими силовыми агрегатами, цена литий-ионных аккумуляторов упала с примерно 1000 долларов за киловатт-час (кВтч) до примерно 227 долларов за киловатт-час. . Аккумуляторы составляют треть стоимости электромобиля; так как их цена падает, электромобили становятся более доступными.

Международное энергетическое агентство (МЭА) прогнозирует, что цены на батареи для электромобилей упадут ниже 100 долларов за кВтч в 2025 году и, возможно, даже ниже 70 долларов за кВтч к 2030 году. Ожидается, что при этих ценах электромобили достигнут паритета стоимости с автомобилями с двигателями внутреннего сгорания на большинстве рынков. .

Срок службы литий-ионного аккумулятора электромобиля

Если вы хотите купить электромобиль, одной из самых больших проблем, скорее всего, будет аккумулятор. Как долго это будет продолжаться?

Срок службы литий-ионных аккумуляторов составляет около восьми лет. Они разлагаются при хранении и при использовании, поэтому срок их службы зависит от того, как вы с ними обращаетесь. Когда батарея достигает 80% эффективности или ниже, ее необходимо заменить, чтобы сохранить ваш автомобиль в безопасности.

При нормальных условиях вождения срок службы литий-ионной батареи должен составлять от 5 до 10 лет. Если вы едете на высокой скорости или в сильную жару или холод, возможно, вам придется заменить аккумулятор раньше. Однако в среднем большинство водителей проживают около 10 лет от своей литий-ионной батареи.

Вывод

Литий-ионные аккумуляторы уже используются в электромобилях, и автомобильная промышленность работает над тем, чтобы сделать их еще более эффективными. Производители по всему миру работают над тем, чтобы сделать литий-ионные автомобильные аккумуляторы лучше и дешевле. Это то, что каждый должен принять, потому что оно направлено на снижение затрат и уменьшение загрязнения.

Предыдущая статья：
Нагрузочное тестирование батареи — мультиметр и процедура
Следующая статья：
Литиевая аккумуляторная батарея Цена и размеры

Самые популярные категории

Индивидуальные решения

Схема конструкции аккумулятора 11,1 В, 6600 мАч портативного сверхзвукового диагностического набора B

Схема резервного питания 7,4 В 10 Ач медицинского инфузионного насоса

Решения для литий-ионных аккумуляторов AGV 25,6 В, 38,4 Ач

Батареи для электромобилей

Предлагаем оригинальные аккумуляторы для электромобиля от ведущих заводов-изготовителей. В каталоге можно выбрать батареи для мини-каров, заказать дополнительные аксессуары, зарядные устройства.

Виды, характеристики АКБ

Для современных электромобилей используются литий-ионные, литий-серные, а также металл-воздушные, тяговые свинцово-кислотные и иные виды АКБ. По типу корпуса они разделяются на обслуживание, необслуживаемые и малообслуживаемые. Цена на батарею для электромобиля зависит от ее типа, технических характеристик. Но на данный момент наиболее дорогими являются литий-ионные.

Батареи литий-ионного типа мощные, не имеют эффекта памяти, но стоят дорого. К ключевым преимуществам относятся:

• быстрая зарядка, длительные сроки поездка после одной зарядки;

• эксплуатационные сроки при соблюдении рекомендаций – до 10 лет;

• отсутствие эффекта памяти;

• саморазряд в месяц – до 6%, в год – до 20%;

• напряжение высокое;

• габариты компактные, вес каждого блока малый.

Малообслуживаемые батареи для электромобилей включают в себя литий-серные. Рабочий ресурс их не самый высокий – до 60 циклов, но емкость таких батарейных блоков одна из лучших. То есть после одной зарядки кар приобретает большой запас хода, стоимость батареи невысокая.

Необслуживаемые аккумуляторы для электрокаров включают в себя алюминий-ионные, гелевые. Они безопасные, простые в обслуживании, но сроки годности небольшие.

Перед тем, как купить батарею для электромобиля, надо учитывать, что используются два типа АКБ – тяговые и стартерные. Первый тип используется для питания мотора, то есть характеристики такого аккумулятора будут основными. Стартовая батарея нужна для питания обогрева, освещения, запуска.

Чтобы продлить рабочий ресурс АКБ, рекомендуется соблюдать следующие правила:

• выбирать надо батареи с соответствующими характеристиками, желательно – оригинальные производства бренда, выпускающего электромобиль или смежных с ним заводов;

• время зарядки не должно превышать рекомендуемое, нельзя оставлять аккумулятор подключенным к сети на длительные сроки;

• батарею надо заряжать регулярно, следить за уровнем зарядки, который не должен опускаться ниже 30%;

• нельзя использовать быструю зарядку в качестве постоянной, так как она вызывает преждевременный износ АКБ;

• рекомендуется защита корпуса АКБ от воды и пыли, особенно актуально это для блоков АКБ, расположенных без отдельного короба.

Основные производители

Сегодня АКБ для электрокаров выпускаются многими заводами. Батареи отличаются по типу, принципу работы, емкости. Среди наиболее востребованных и надежных выделяется продукция таких производителей:

• Audi – наиболее популярные модели имеют емкость 95 кВт*ч с запасом хода до 400 километров;

• Chevrolet – показатели емкости зависят от типа АКБ, находятся в пределах 19-60 кВт*ч, длительность езды на одной зарядке также различается и составляет 132-300 км;

• Hyundai производится аккумуляторные блоки на 28-64 кВт*ч с запасом хода 200-480 километров.

Кроме того, батареи для мини-каров с электродвигателями выпускают Detroit Electric, Jaguar, Renault, Volkswagen и другие. технико-эксплуатационные показатели будут разными, поэтому перед покупкой надо определиться с требованиями для конкретной модели кара.

Как выбрать АКБ

Выбирая аккумуляторные батареи для электромобилей, рекомендуется обратить внимание на следующие характеристики:

• надо на корпусе старого аккумулятора найти наименование производителя и модель АКБ;

• найти значение напряжения в Вольтах;

• определить, какой уровень емкости можно использовать для данного типа кара.

Такие показатели основные, но кроме них надо знать следующую информацию:

• габариты и форма аккумулятора;

• расположение, тип клемм для подключения;

• тип корпуса, необходимость наличия защиты.

Выбирать следует батарею, которая соответствует указанным параметрам. Сразу после замены надо полностью выполнить цикл разрядки и зарядки. Обычно новые АКБ поставляются только в частично заряженном виде, поэтому имеет смысл полностью провести процедуру зарядки. При зарядке используется только специальное зарядное устройство. Применять автомобильный блок нельзя, так как он не подходит. Также не рекомендуется постоянно применять быстрое ЗУ, так как особенности и принципы его работы приводят к преждевременному износу АКБ.

Многие владельцы электрокаров задают вопросы о том, можно ли вместо батареи на 6 Вольт поставить модель на 12 Вольт. Нет, делать этого нельзя из-за рисков сжечь двигатель. Если батарея выбрана и установлена правильно, кар будет ехать нормально, мотор запустится без проблем. Если этого не происходит, надо протестировать аккумуляторный блок и ЗУ, проверить работоспособность педали и кнопки старта.

Если требуется увеличить емкость, рекомендуется не покупать более мощную батарею, а установить второй аккумулятор. Но выполнять такие работы надо в условиях мастерской, предварительно следует проконсультироваться с инженером.

Gowheel: ремонт и техобслуживания электромобилей

Компания Gowheel предлагает:

• выбор услуг по ремонту батарей и техобслуживанию мини-каров;

• плановая замена запчастей и АКБ, сезонная подготовка к эксплуатации;

• использование оригинальных деталей при проведении техобслуживания;

• гарантия качества на выполненные работы и детали;

• доступная стоимость техобслуживания.

Для заказа аккумуляторов и их замены оставляйте заявку на сайте или звоните по телефонам +7 (812) 243-18-01, +7 (964) 333-36-35 в Санкт-Петербурге или в Москве +7 (499) 348-2-801. Для уточнения цен и особенностей ремонта зарядных устройств Вы также можете отправить запрос на эл. почту [email protected] (наш центр поддержки).

Техническое обслуживание и безопасность электромобилей

PHEV и HEV требуют такого же общего обслуживания, как и обычные транспортные средства, но полностью электрические транспортные средства требуют меньшего обслуживания, поскольку у них меньше движущихся частей и жидкостей, которые необходимо заменить.

Потребности в техническом обслуживании и требования безопасности для подключаемых гибридных электромобилей (PHEV) и гибридных электромобилей (HEV) аналогичны требованиям для обычных транспортных средств, в то время как полностью электрические транспортные средства требуют меньше обслуживания. Производители разрабатывают эти автомобили и публикуют руководства с учетом технического обслуживания и безопасности.

Сравнение технического обслуживания

Поскольку PHEV и HEV оснащены двигателями внутреннего сгорания, требования к техническому обслуживанию аналогичны требованиям к обычным автомобилям. Электрическая система (аккумулятор, двигатель и соответствующая электроника) обычно требует минимального планового обслуживания, а тормозные системы обычно служат дольше, чем на обычных транспортных средствах, из-за рекуперативного торможения.

Полностью электрические транспортные средства обычно требуют меньше обслуживания, чем обычные транспортные средства, потому что:

Аккумулятор, двигатель и соответствующая электроника практически не требуют регулярного обслуживания
Существует меньше жидкостей, таких как моторное масло, которые требуют регулярного обслуживания
Износ тормозов значительно снижается благодаря рекуперативному торможению
В двигателе на обычном топливе гораздо меньше движущихся частей.

Техническое обслуживание аккумуляторов

Современные аккумуляторы, используемые в этих автомобилях, имеют ограниченное количество циклов зарядки (количество циклов зарядки и разрядки аккумулятора, также называемое «сроком службы»). Узнайте у дилера о сроке службы батареи и гарантиях, а также примите во внимание политику производителя по утилизации батарей. В некоторых автомобильных аккумуляторных системах для поддержания безопасных рабочих температур используется жидкая охлаждающая жидкость. Эти системы могут потребовать регулярных проверок. Для получения дополнительной информации обратитесь к своему дилеру или обратитесь к руководству пользователя.

Аккумуляторы в транспортных средствах с электроприводом обычно рассчитаны на ожидаемый срок службы транспортного средства. Как и двигатели в обычных транспортных средствах, усовершенствованные батареи в электромобилях рассчитаны на длительный срок службы, но со временем изнашиваются. Хотя исчерпывающие данные об отказах аккумуляторов электромобилей недоступны, некоторые производители предлагают 8-летнюю гарантию на свои аккумуляторы электромобилей.

Производители, как правило, не публикуют цены на сменные батареи, но если батарею необходимо заменить по истечении гарантийного срока, ожидается, что это потребует значительных расходов. Однако ожидается, что цены на батареи будут снижаться по мере совершенствования технологий и увеличения объемов производства.

Требования безопасности

Имеющиеся в продаже автомобили с электроприводом должны соответствовать Федеральным стандартам безопасности транспортных средств и проходить такие же строгие испытания на безопасность, как и обычные автомобили, продаваемые в США. Исключение составляют местные электромобили, на которые распространяются менее строгие стандарты, поскольку они обычно ограничены низкоскоростными дорогами в соответствии с государственными и местными правилами.

Полностью электрические транспортные средства, PHEV и HEV имеют электрические системы высокого напряжения, напряжение которых обычно составляет от 100 до 600 вольт. Их аккумуляторные блоки заключены в герметичные корпуса и соответствуют стандартам испытаний, которые подвергают аккумуляторы воздействию таких условий, как перезарядка, вибрация, экстремальные температуры, короткое замыкание, влажность, огонь, столкновение и погружение в воду. Производители конструируют эти автомобили с изолированными высоковольтными линиями и функциями безопасности, которые отключают электрическую систему при обнаружении столкновения или короткого замыкания. Полностью электрические транспортные средства, как правило, имеют более низкий центр тяжести, чем обычные автомобили, что делает их более устойчивыми и с меньшей вероятностью опрокидывания.

Аварийное реагирование и обучение

Аварийное реагирование для электромобилей незначительно отличается от такового для обычных транспортных средств. Автомобили с электроприводом спроектированы с выключателями для отключения аккумулятора и отключения электрической системы, а все высоковольтные линии электропередач четко обозначены оранжевым цветом.

Производители выпускают руководства по реагированию на чрезвычайные ситуации для своих транспортных средств и предлагают обучение для аварийно-спасательных служб. Национальная ассоциация противопожарной защиты располагает учебными и информационными ресурсами на сайте evsafetytraining.org.

Разработка лучших аккумуляторов для электромобилей | Новости Массачусетского технологического института

Настоятельная необходимость сократить выбросы углерода побуждает к быстрому переходу к электрифицированной мобильности и расширенному использованию солнечной и ветровой энергии в электрической сети. Если эти тенденции будут усиливаться, как ожидается, потребность в более совершенных методах хранения электроэнергии возрастет.

«Нам нужны все стратегии, которые мы можем получить, чтобы противостоять угрозе изменения климата», — говорит Эльза Оливетти, доктор философии 2007 года, адъюнкт-профессор Эстер и Гарольда Э. Эдгертон в области материаловедения и инженерии. «Очевидно, что разработка технологий для хранения на основе сетки в больших масштабах имеет решающее значение. Но для мобильных приложений — в частности, для транспорта — многие исследования сосредоточены на адаптации сегодняшней литий-ионной батареи для создания более безопасных, компактных версий, способных хранить больше энергии для своего размера и веса».

Традиционные литий-ионные аккумуляторы продолжают совершенствоваться, но у них есть ограничения, которые сохраняются, отчасти из-за их структуры. Литий-ионный аккумулятор состоит из двух электродов — положительного и отрицательного — зажатых вокруг органической (углеродсодержащей) жидкости. Когда батарея заряжается и разряжается, электрически заряженные частицы (или ионы) лития проходят от одного электрода к другому через жидкий электролит.

Одна из проблем этой конструкции заключается в том, что при определенных напряжениях и температурах жидкий электролит может стать летучим и загореться. «Батареи, как правило, безопасны при нормальном использовании, но риск все равно существует», — говорит Кевин Хуанг, доктор философии 15 года, научный сотрудник группы Оливетти.

Другая проблема заключается в том, что литий-ионные аккумуляторы не подходят для использования в транспортных средствах. Большие и тяжелые аккумуляторные батареи занимают место и увеличивают общий вес автомобиля, снижая эффективность использования топлива. Но оказалось трудно сделать современные литий-ионные батареи меньше и легче, сохранив при этом их плотность энергии, то есть количество энергии, которое они хранят на грамм веса.

Чтобы решить эти проблемы, исследователи меняют ключевые характеристики литий-ионной батареи, чтобы сделать ее полностью твердотельной или «твердотельной» версией. Они заменяют жидкий электролит в середине тонким твердым электролитом, который стабилен в широком диапазоне напряжений и температур. С этим твердым электролитом они используют положительный электрод большой емкости и отрицательный электрод большой емкости из металлического лития, который намного тоньше, чем обычный слой пористого углерода. Эти изменения позволяют значительно уменьшить общую емкость батареи, сохранив при этом ее емкость хранения энергии, тем самым достигнув более высокой плотности энергии.

«Эти функции — повышенная безопасность и большая плотность энергии — вероятно, являются двумя наиболее часто рекламируемыми преимуществами потенциальной твердотельной батареи», — говорит Хуанг. Затем он быстро поясняет, что «все эти вещи являются перспективными, ожидаемыми и не обязательно реализованными». Тем не менее, многие исследователи изо всех сил пытаются найти материалы и конструкции, которые могут выполнить это обещание.

Мышление за пределами лаборатории

Исследователи придумали много интригующих вариантов, которые выглядят многообещающе — в лаборатории. Но Оливетти и Хуанг считают, что дополнительные практические соображения могут быть важны, учитывая безотлагательность проблемы изменения климата. «Всегда есть показатели, которые мы, исследователи, используем в лаборатории для оценки возможных материалов и процессов», — говорит Оливетти. Примеры могут включать емкость накопителя энергии и скорость зарядки/разрядки. При проведении фундаментальных исследований, которые она считает необходимыми и важными, эти показатели уместны. «Но если целью является внедрение, мы предлагаем добавить несколько показателей, специально учитывающих возможности быстрого масштабирования», — говорит она.

Основываясь на отраслевом опыте работы с современными литий-ионными батареями, исследователи из Массачусетского технологического института и их коллега Гербранд Седер, заслуженный профессор инженерии Дэниела М. Теллепа Калифорнийского университета в Беркли, предлагают три общих вопроса, которые могут помочь определить потенциальные ограничения на будущее масштабирование в результате выбора материалов. Во-первых, с такой конструкцией батареи могут ли доступность материалов, цепочки поставок или волатильность цен стать проблемой при расширении производства? (Обратите внимание, что экологические и другие проблемы, связанные с расширением добычи, выходят за рамки этого исследования. ) Во-вторых, будет ли изготовление батарей из этих материалов включать в себя сложные производственные этапы, во время которых детали могут выйти из строя? И, в-третьих, производственные меры, необходимые для обеспечения высокопроизводительного продукта на основе этих материалов, в конечном итоге снижают или повышают стоимость производимых аккумуляторов?

Чтобы продемонстрировать свой подход, Olivetti, Ceder и Huang изучили некоторые химические составы электролитов и структуры батарей, которые в настоящее время изучаются исследователями. Чтобы выбрать свои примеры, они обратились к предыдущей работе, в которой они и их сотрудники использовали методы анализа текста и данных для сбора информации о материалах и деталях обработки, описанных в литературе. Из этой базы данных они выбрали несколько часто упоминаемых вариантов, которые представляют собой ряд возможностей.

Материалы и наличие

В мире твердых неорганических электролитов существует два основных класса материалов — оксиды, содержащие кислород, и сульфиды, содержащие серу. Olivetti, Ceder и Huang сосредоточились на одном многообещающем варианте электролита в каждом классе и рассмотрели ключевые элементы, вызывающие озабоченность для каждого из них.

Сульфидом, который они рассматривали, был LGPS, который объединяет литий, германий, фосфор и серу. Исходя из соображений доступности, они сосредоточились на германии, элементе, который вызывает опасения отчасти потому, что он обычно не добывается сам по себе. Вместо этого это побочный продукт, получаемый при добыче угля и цинка.

Чтобы выяснить его доступность, исследователи изучили, сколько германия производилось ежегодно за последние шесть десятилетий при добыче угля и цинка, а затем сколько можно было произвести. Результат показал, что даже в последние годы можно было произвести в 100 раз больше германия. Учитывая этот потенциал предложения, доступность германия вряд ли будет ограничивать масштабирование твердотельной батареи на основе электролита LGPS.

Ситуация выглядела менее многообещающе с выбранным исследователями оксидом LLZO, который состоит из лития, лантана, циркония и кислорода. Добыча и переработка лантана в основном сосредоточены в Китае, и доступные данные ограничены, поэтому исследователи не пытались анализировать его доступность. Остальные три элемента доступны в изобилии. Однако на практике необходимо добавить небольшое количество другого элемента, называемого легирующей добавкой, чтобы облегчить обработку LLZO. Поэтому команда сосредоточилась на тантале, наиболее часто используемой легирующей примеси, как на главном элементе, вызывающем озабоченность в LLZO.

Тантал производится как побочный продукт добычи олова и ниобия. Исторические данные показывают, что количество тантала, полученного при добыче олова и ниобия, было гораздо ближе к потенциальному максимуму, чем в случае с германием. Таким образом, доступность тантала больше беспокоит возможное масштабирование батареи на основе LLZO.

Но знание о наличии элемента в земле не относится к шагам, необходимым для доставки его производителю. Поэтому исследователи исследовали дополнительный вопрос, касающийся цепочек поставок критически важных элементов — добычи, переработки, переработки, доставки и так далее. Предполагая, что имеются обильные запасы, могут ли цепочки поставок, которые доставляют эти материалы, расширяться достаточно быстро, чтобы удовлетворить растущий спрос на батареи?

В ходе выборочного анализа они рассмотрели, насколько цепочки поставок германия и тантала должны будут расти из года в год, чтобы обеспечивать батареями планируемый парк электромобилей в 2030 году. Например, парк электромобилей часто называют целью к 2030 году потребуется произвести достаточное количество батарей, чтобы вырабатывать в общей сложности 100 гигаватт-часов энергии. Чтобы достичь этой цели, используя только батареи LGPS, цепочка поставок германия должна будет расти на 50 процентов из года в год — натяжка, поскольку максимальный темп роста в прошлом составлял около 7 процентов. Используя только батареи LLZO, цепочка поставок тантала должна вырасти примерно на 30 процентов — темпы роста намного превышают исторический максимум примерно в 10 процентов.

Эти примеры демонстрируют важность учета доступности материалов и цепочек поставок при оценке различных твердых электролитов с точки зрения их потенциала масштабирования. «Даже когда количество доступного материала не вызывает беспокойства, как в случае с германием, масштабирование всех этапов цепочки поставок в соответствии с будущим производством электромобилей может потребовать буквально беспрецедентных темпов роста», — говорит Хуанг. .

Материалы и обработка

При оценке потенциала масштабирования конструкции батареи следует учитывать еще один фактор — сложность производственного процесса и то, как он может повлиять на стоимость. Изготовление твердотельной батареи неизбежно включает в себя множество этапов, и сбой на любом этапе увеличивает стоимость каждой успешно произведенной батареи. Как объясняет Хуанг: «Вы не отправляете неисправные аккумуляторы; ты их выбрасываешь. Но вы все равно потратили деньги на материалы, время и обработку».

В качестве показателя сложности производства Olivetti, Ceder и Huang изучили влияние частоты отказов на общую стоимость выбранных конструкций твердотельных батарей в своей базе данных. В одном примере они сосредоточились на оксиде LLZO. LLZO чрезвычайно хрупок, и при высоких температурах, связанных с производством, большой лист, достаточно тонкий для использования в высокопроизводительной твердотельной батарее, может треснуть или деформироваться.

Чтобы определить влияние таких отказов на стоимость, они смоделировали четыре ключевых этапа сборки аккумуляторов на основе LLZO. На каждом этапе они рассчитывали стоимость на основе предполагаемого выхода — то есть доли от общего числа единиц, которые были успешно обработаны без сбоев. У LLZO выход был намного ниже, чем у других исследованных ими конструкций; и по мере того, как доходность снижалась, стоимость каждого киловатт-часа (кВтч) энергии батареи значительно росла. Например, когда на последнем этапе нагрева катода вышли из строя еще 5 процентов блоков, стоимость увеличилась примерно на 30 долларов за кВтч — нетривиальное изменение, учитывая, что общепринятая целевая стоимость таких батарей составляет 100 долларов за кВтч. Ясно, что производственные трудности могут оказать сильное влияние на жизнеспособность конструкции для широкомасштабного внедрения.

Материалы и характеристики

Одна из основных проблем при проектировании полностью твердотельной батареи связана с «интерфейсами», то есть где один компонент встречается с другим. Во время производства или эксплуатации материалы на этих границах раздела могут стать нестабильными. «Атомы начинают перемещаться туда, куда не должны, и производительность батареи снижается», — говорит Хуанг.

В результате большое количество исследований посвящено поиску методов стабилизации интерфейсов в батареях различных конструкций. Многие из предложенных методов действительно повышают производительность; и в результате стоимость батареи в долларах за кВтч снижается. Но реализация таких решений, как правило, требует дополнительных материалов и времени, что увеличивает стоимость кВтч при крупномасштабном производстве.

Чтобы проиллюстрировать этот компромисс, исследователи сначала исследовали свой оксид LLZO. Здесь цель состоит в том, чтобы стабилизировать поверхность раздела между электролитом LLZO и отрицательным электродом, вставив между ними тонкий слой олова. Они проанализировали влияние — как положительное, так и отрицательное — на стоимость внедрения этого решения. Они обнаружили, что добавление сепаратора олова увеличивает емкость накопления энергии и улучшает производительность, что снижает удельную стоимость в долларах/кВтч. Но стоимость включения слоя олова превышает экономию, так что окончательная стоимость выше первоначальной стоимости.

В другом анализе они рассмотрели сульфидный электролит под названием LPSCl, который состоит из лития, фосфора и серы с небольшим добавлением хлора. В этом случае положительный электрод включает в себя частицы материала электролита — метод обеспечения того, чтобы ионы лития могли найти путь через электролит к другому электроду. Однако добавленные частицы электролита несовместимы с другими частицами в положительном электроде — еще одна проблема интерфейса. В этом случае стандартным решением является добавление «связующего», другого материала, который заставляет частицы склеиваться.

Их анализ подтвердил, что без связующего вещества производительность низкая, а стоимость батареи на основе LPSCl превышает 500 долларов США за кВтч. Добавление связующего значительно повышает производительность, а стоимость снижается почти на 300 долларов за кВтч. В этом случае стоимость добавления связующего во время изготовления настолько низка, что по существу реализуется все снижение стоимости от добавления связующего. Здесь метод, реализованный для решения проблемы интерфейса, окупается меньшими затратами.

Исследователи провели аналогичные исследования других многообещающих твердотельных батарей, о которых сообщалось в литературе, и их результаты были последовательными: выбор материалов батареи и процессов может повлиять не только на краткосрочные результаты в лаборатории, но также на осуществимость и стоимость производство предлагаемой твердотельной батареи в масштабе, необходимом для удовлетворения будущего спроса. Результаты также показали, что рассмотрение всех трех факторов вместе — доступности, потребностей в обработке и производительности батареи — важно, поскольку могут иметь место коллективные эффекты и компромиссы.

Оливетти гордится широким кругом проблем, которые может исследовать подход команды. Но она подчеркивает, что это не предназначено для замены традиционных показателей, используемых для выбора материалов и обработки в лаборатории. «Вместо этого он призван дополнить эти показатели, также широко рассматривая вещи, которые могут помешать масштабированию» — важное соображение, учитывая то, что Хуан называет «срочным тиканьем часов» чистой энергии и изменения климата.

Это исследование было поддержано Программой начального фонда Энергетической инициативы Массачусетского технологического института (MITEI) Центр низкоуглеродной энергетики для хранения энергии; компанией Shell, одним из основателей MITEI; и Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США, Управлением транспортных технологий в рамках Программы перспективных исследований аккумуляторных материалов.