Аккумуляторы для электромобилей: какая химия лучше и что нас ждет в будущем
В нашей прошлой статье мы подробно писали о том, чем отличаются аккумулятор от батареи, ампер-часы от киловатт-часов, и как вообще функционирует любой элемент питания в современных электромобилях. Что же, настало время поговорить о «химии», то есть о том, что находится внутри любого аккумулятора и определяет его характеристики.
Если вы не вчера узнали об электромобилях и немного в них разбираетесь, то знаете, что такой тип транспорта существует с 19-го века и вплоть до начала 20-го века он считался одним из самых перспективных. А это означает, что и аккумуляторы существуют уже много лет. Давайте не вдаваясь в подробные химические формулы рассмотрим все применяемые в электромобилях типы аккумуляторов.
Но для начала повторим базовые вещи про любой электро-химический аккумулятор.
Что происходит в любом аккумуляторе
Аккумулятор — это устройство, в котором проистекает химическая реакция в результате которой вырабатывается электроэнергия. Эта реакция обратима. При подаче электрического тока на аккумулятор от внешнего источника происходит электролиз — то есть реакция по восстановлению первоначального химического состава заряженного аккумулятора, после чего его можно использовать как источник тока повторно.
В зависимости от типа используемых в аккумуляторе веществ их реакция может отличаться по характеристикам вырабатываемого электрического тока. Например, напряжение любого аккумулятора постоянно и зависит именно от состава участвующих в реакции веществ. У классических литий-ионных аккумуляторов это всегда 3,7 вольта.
Ну а теперь рассмотрим основные типы аккумуляторов электромобилей
Свинцово-кислотный аккумулятор
Первый свинциво-кислотный аккумулятор был изобретен французским физиком Гастоном Планте еще в 1859 году. К слову, молодому ученому в то время было всего 26 лет и он жил в мире, где газовые фонари и керосиновые лампы считались чудом инженерной мысли, а вечерами работать приходилось преимущественно при свечах. Что говорить, первые генераторы электрического тока были изобретены лишь за пару десятилетий до этого, а о бытовых электросетях приходилось лишь мечтать. Будущую «Война токов» между Томасом Эдиссоном и Николой Теслой пока ничего не предвещало, да и самому Тесле на момент изобретения первого свинцово-кислотного аккумулятора шел только четвертый год.
Тем не менее, свинцово-кислотные аккумуляторы не просто дожили до наших дней, но и остаются одними из самых массовых в мире. Для этого у них по меньшей мере несколько преимуществ.
Первым таким преимуществом является низкая стоимость. В подобных аккумуляторах не применяются редкие или дорогостоящие химические элементы, а заводы по их производству есть по всему миру.
Вторым преимуществом является способность выдавать ток высокой мощности, то есть отдавать большое количество заряда за короткий промежуток времени. Сочетание двух этих преимуществ сделало такие аккумуляторы самыми популярными в качестве источников пускового тока для стартеров двигателей внутреннего сгорания. Дешево и много мощности сразу — что еще для таких целей надо?
Недостатков тоже много. Во-первых, очень низкая удельная емкость энергии — как правило не более 50-60 ватт-часов на килограмм веса. Иными словами, батарея из таких аккумуляторов емкостью 100 киловатт-часов весила бы две тонны. Как-то много для легковой машины, согласитесь.
Другим недостатком является низкий ресурс. Такие аккумуляторы выдерживают где-то 500 циклов заряда-разряда, что нормально для пуска двигателя внутреннего сгорания но мало применимо для электромобилей.
Тем не менее, до начала 21-го века свинцово-кислотные аккумуляторы пытались применять в электромобилях. В частности, они стояли на базовых версиях электрокара GM EV1. Да и сейчас такой тип аккумуляторов можно встретить на всякого рода утилитарном электротранспорте вроде погрузчиков или или грузовых трициклов.
Никелевые аккумуляторы
Свинцово-кислотные аккумуляторы широко использовались в электромобилях в эпоху первого расцвета такого типа транспорта, в конце 19-го и начале 20-го века. Однако именно описанные выше недостатки вместе с совершенствованием машин с бензиновыми двигателями привели к тому, что в 1930-е электромобили почти исчезли.
Надежда на их возрождение появилась в 1960-е с изобретением нового типа аккумуляторов на основе никеля. Речь о никель-металл-гибридных элементах питания.
Собственно, сначала были изобретены никель-кадмиевые аккумуляторы, впервые представленные еще в 1899 году. Их емкость была выше, чем у свинцово-кислотных, а ресурс может доходить до 2000 циклов. Кроме того, в 1947 году был изобретен полностью герметичный тип таких аккумуляторов, что также послужило преимуществом на фоне свинцово-кислотных элементов питания.
В 1967 году были созданы никель-металл-гидридные аккумуляторы. Они похожи по устройству, но в них не используется кадмий, который очень не любят экологи, они дешевле и обладают большей удельной емкостью, превышающей уже 100 ватт-часов на килограмм. Иными словами, батарея на 100 киловатт-часов из таких аккумуляторов будет весить уже чуть меньше тонны. Тоже много, но уже что-то.
Благодаря номинальному напряжению в 1,2 вольта, близкому к напряжению щелочных элементов питания (батареек),такие аккумуляторы получили широкое распространение в качестве источников тока для портативных устройств. И с 1960-х рассматривались как как главная надежда для возрождения электромобилей.
И действительно, в конце 20-го века, когда стали предприниматься первые попытки выпустить современные электромобили, на них ставились именно никель-металл-гидридные аккумуляторы. Однако наибольшее распространение они получили в гибридных автомобилях первых поколений. До сих пор в некоторых моделях Toyota с гибридным приводом можно встретить никель-металл-гидридные элементы питания.
Дальнейшему распространению никелевых аккумуляторов в электромобилях помешала их все же низкая удельная емкость. А точнее появление элементов питания с заметным преимуществом в этом показатели — литиевых.
Литий-ионные аккумуляторы
В 1991 году японская компания Sony выпустила первые серийный литий-ионные аккумуляторы, ставшие плодом многолетних трудов британских, американских и японских ученых. В 2019 году за их изобретение Стенли Уттингем, Джон Гуденаф и Акиро Ёсино получили за создание литий-ионных аккумуляторов Нобелевскую премию по химии.
Изначально создававшиеся для портативной электроники и получившие широкое распространение сначала в ноутбуках, а затем в мобильных телефонах, литий-ионные аккумуляторы на сегодняшний день представляются идеальными и для электромобилей.
Причина в первую очередь в высокой плотности энергии — до 265 ватт-часов на 1 кг веса. Это означает, что батарея на 100 киловатт-часов весит уже около 400 килограмм — не то, чтобы мало, но уже вполне применимо для электромобилей.
Вторая причина — достаточно большой ресурс, который составляет около 1200 циклов заряда-разряда до частичной потери емкости и до 5000 циклов до полного выхода из строя.
Есть, впрочем, и недостатки, главным из которых является цена. Проблема тут не только в том, что лития на Земле мало. На самом деле это достаточно распространенный элемент и проблем с его нахождением нет.
Сложности связаны с добычей лития. Это достаточно дорогостоящее мероприятие, требующее больших инвестиций. Более того, это долгосрочные инвестиции. Сейчас спрос на литий из-за электромобилей вырос, но многие добывающие компании не спешат наращивать объемы. Понять их можно.
Представьте, что вам нужно сделать вложения в добычу, которые окупятся только через 30 лет. И то только при условии, что литий не научатся за это время эффективно получать при переработке старых аккумуляторов, а дело в этом направлении медленно, но продвигается.
Если же вы не сложитесь в увеличение добычи лития, то этот металл в условиях дефицита подорожает и на тех объемах, которые вы уже добываете, вы сможете заработать больше. Так зачем увеличивать добычу?
Так что литий-ионные аккумуляторы в обозримом будущем вряд ли заметно подешевеют. Но для них уже есть альтернатива
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы
С самого появления литий-тонных аккумуляторов ученые экспериментируют с их «химией». В настоящий момент существуют десятки подвидов аккумуляторов на основе лития, и в последние годы все большую популярность в электромобилях обретают литий-железо-фосфатные элементы питания.
Изобрел их в 1996 году все тот же Джон Гуденаф, один из трех лауреатов Нобелевской премии по химии за изобретение литий-ионных элементов питания. Именно он первым изготовил катод из феррофосфата лития. Классический катодный материал — это оксид кобальта-лития (III),он же кобальтат лития.
Предложенный Гуденафом новый материал оказался менее токсичен, более термически стабилен, а главное — дешев. Сейчас уже около половины всех электромобилей в мире оснащаются таким типом аккумуляторов, включая базовые версии автомобилей Tesla и чуть ли не все BYD.
Итак, начнем с преимуществ. Такие аккумуляторы дешевле классических литий-ионных. Они более термически стабильны, а проще говоря не склонны к возгоранию и тем более к взрыву. У них выше ресурс — считается, что при грамотной эксплуатации они готовы служить в электромобилях десятилетиями.
Увы, есть и недостатки. Первое — более низкая удельная емкость. Потому такие аккумуляторы как правило применяются в базовых версиях электромобилей с батареями наименьшей емкости. То есть для машины может предлагаться две батареи одного размера — литий-ионная и литий-железо-фосфатная. При этом вторая будет дешевле, но с меньшей емкостью, а первая — дороже и с большей емкостью энергии. За примером далеко ходить не надо — именно такой выбор стоит перед покупателями автомобилей Tesla производства завода в Шанхае.
Второй недостаток — это необходимость время от времени заряжать электромобиль до 100%. Нужно это для калибровки системы оценки емкости батареи. В таком типе аккумуляторов электроника сбивается в подсчете остаточного заряда, и если не делать такую калибровку, есть шанс, что 60% заряда на приборах через несколько метров превратится в 0%. Это не батарея мгновенно сядет. Это приборы врут.
Наконец, есть третий недостаток, который вызывает кучу споров. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы хуже переживают низкие температуры, чем классические литий-ионные. Хотя вы могли слышать обратное. Дело тут вот в чем.
У литий-железо-фосфатных аккумуляторов выше термическая стабильность, что многие ошибочно принимают за лучшую переносимость холодов. Ну да, в мороз такие аккумуляторы хорошо хранятся. Но плохо работают.
Такие аккумуляторы часто рассматриваются как альтернатива свинцово-кислотным и их преимущество, в частности, в морозоустойчивости. И вы могли читать об этом. Но помните, они лучше свинцово-кислотных, а не литий-ионных.
Наконец, разница в переносе морозов между литий-ионными (литий-марганец-кобальт-оксидными, NMC) и литий-железо-фосфатными (LFP) аккумуляторами не велика и порой незаметна. Когда на морозе литий-ионный аккумулятор теряет 25% своей емкости, литий-железо-фосфатный теряет 30%. Разница всего 5%, ее многие могут и не заметить, что позволяет владельцам машин с LFP батареями бить себя в грудь и рассказывать о собственном успешном опыте эксплуатации их в Сибири.
Не спорьте с ними. Но знайте. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы ведут себя на морозе немного, но хуже. Особенно плохо в холода они заряжаются.
Что дальше
Время от времени мы читаем, а потом сами пишем и рассказываем о новых научных изысканиях в области аккумуляторов и их химии. Некоторые звучат совсем фантастически. Например, съемный электролит, когда на «заправке» вам сливают старый электролит, заливают новый, заряженный, а старый заряжают для заправки следующей машины. Звучит отлично, но пока это ни кем не реализовано.
Много шума в последние годы слышно про твердотельные аккумуляторы. Это такие аккумуляторы, в которых электролит находится в виде твердого вещества. Преимущество в том, что твердое вещество не так сильно меняет свои свойства в зависимости от температуры. Оно сильнее не твердеет в мороз и не закипает от сильного нагрева при быстрой зарядке.
Увы, таких аккумуляторов пока нет. Точнее серийных нет. Опытные образцы в лабораториях тестируют и совершенствуют уже не первый год.
Наконец, стоит упомянуть натрий-ионные аккумуляторы. У них очень высокая емкость, доходящая до 400 ватт-часов на килограмм, а себестоимость заметно ниже, чем у литий-ионных. Идеал? Увы, пока нет. Такие элементы питания обладают крайне низким ресурсом. Да, в этой области наблюдается некоторый прогресс, но пока удается достигнуть ресурса всего в пару сотен циклов заряда-разряда.
Для электромобилей не подходит, зато все чаще натрий-ионные батареи пытаются применять в авиации. Там вес имеет первостепенное значение, а как отлетают ресурс, так можно и поменять.