В конце сентября международный коллектив ученых под руководством ученого Даррена Хана и с участием инженеров LG рассказал о создании первого комбинированного аккумулятора для автомобилей на электрической тяге. Подобная батарея является твердотельной и построена на базе анода из чистого кремния. По сравнению с аналогами новый аккумулятор является более энергоемким и безопасным и, кажется, превосходит все конкурентные образцы. «Лента.ру» объясняет, почему все автопроизводители не могут перейти на твердотельные батареи и какие перспективы есть у нового комбинированного аккумулятора.
Используемые в современных электрокарах батареи неидеальны. Как правило, автопроизводители используют литий-ионные зарядные элементы. Несмотря на то что аккумуляторы позволяют хранить энергию длительное время и обеспечивать машины запасом хода на полтысячи миль, проблем с ними слишком много. Во-первых, батареи быстро изнашиваются. Во-вторых, они очень капризны: требовательны к температуре эксплуатации и не переносят постоянных или сильных вибраций. Именно поэтому при ДТП электрокар может загореться, а на тушение и локализацию возгорания может уйти несколько часов.
Также почти все батареи — начиная от элементов в пультах к телевизорам и заканчивая фабричными аккумуляторами — состоят из кобальта. Зависимость индустрии от этого материала крайне высока, так как 60 процентов всего кобальта добывают в Демократической Республике Конго.
В теории твердотельные батареи как минимум практичнее и безопаснее. Их конструкция предполагает использование минимума материалов. По словам ученых, чем меньше в аккумуляторе деталей, тем реже он будет ломаться и выходить из строя.
Использование кремниевого анода в батареях позитивно описывается Дарреном Ханом и его коллегами. Впервые данную наработку описали в 2002 году. Спустя почти 13 лет основатель Tesla Илон Маск заявил, что применение кремния в аккумуляторах его электрокаров увеличивает запас хода примерно на шесть процентов. Батареи на основе кремния обычно имеют гораздо большую удельную емкость, чем другие, — примерно 3600 миллиампер-часов на грамм материала.
Однако в заряженном состоянии данный тип анода в больших долях является крайне неустойчивым, а следовательно, опасным для применения. При длительном контакте с жидким электролитом кремний плохо держит энергию, что оборачивается значительной потерей мощности электрического двигателя. Поэтому современные аккумуляторы состоят из кремния лишь частично. В этой связи аноды коммерческих батарей могут содержать небольшое количество кремния, что весьма незначительно влияет на производительность. Например, на рынке существуют аккумуляторы, созданные на базе композитного электрода с кремниевой нанопроволокой. Информация о содержании этого материала в батареях производителей обычно не раскрывается, но можно считать, что доля кремния в них не превышает десяти процентов.
Учитывая все недостатки батарей на базе классического электролита и кремния, ученые решили синтезировать материал с твердым электролитом на основе сульфида. Использование твердой структуры решило проблему насыщения анодов жидким электролитом во время работы. По словам Хана, отсутствие углерода в аноде значительно снижает межфазный контакт, что приводит к нежелательным побочным реакциям с твердым электролитом.
Сравнительные тесты показали, что кремниевые аноды имеют в десять раз большую плотность энергии, чем графитовые. Пока что новое изобретение удалось воссоздать лишь в лабораторных условиях, но характеристики новой батареи удовлетворяют специалистов. Аккумулятор-прототип сохранил 80 процентов емкости после 500 циклов зарядки, удельная емкость энергии на грамм кремния составила около 2890 миллиампер-часов. Батарея оказалась стабильна и безопасна, что в будущем наверняка позволит использовать ее несколько десятков лет. По словам ученых, аккумуляторы нового типа смогут пережить сам автомобиль.
«Принцип твердотельного кремния преодолевает многие ограничения обычных батарей», — говорится в отчете изобретателей. Ученые считают, что созданные по комбинированному принципу аккумуляторы удовлетворят рыночный спрос на безопасные батареи с более высокой емкостью при более низких затратах. Ноу-хау можно использовать при создании как электрокаров, так и стационарных энергохранилищ.
Как было замечено, удачный прототип батареи пока был создан в лабораторных условиях и тестировался при комнатной температуре. Комфортная для аккумулятора работа происходит при температуре около 140 градусов по Фаренгейту (порядка 60 градусов по Цельсию). Даррен Хан признает, что от прототипа до первого коммерческого образца могут пройти годы, и соглашается со скептиками, что его коллегам предстоит много работы. Однако ученый уже зарегистрировал бренд Unigrid battery, под которым надеется выйти на рынок твердотельных аккумуляторов нового поколения.
О «кремниевой революции» все чаще говорят и крупные игроки на рынке электромобилей. Например, в 2020 году представители Tesla обнадежили потребителей и рынок, что планируют удвоить содержание кремния в батареях своих автомобилей.