Не все одинаковые: все, что нужно знать об аккумуляторах в электромобилях

Мы живем в мире, где даже профильные автомобильные журналисты, привыкшие к запаху бензина, все еще путают понятия "аккумулятор" и "батарея", "ёмкость" и "мощность" и тем более путаются в типах аккумуляторов, принципе их работы, устройстве и особенностях. Так что давайте в очередной, не в первый и не в последний раз разберемся с тем, что такое аккумулятор, какие их типы используются в электромобилях и что важно знать покупателю и владельцу.

Аккумулятор – это химический источник тока, в котором удобно накапливать большие количества электрической энергии. Ключевое отличие от обычной "батарейки" для пульта от телевизова в том, что аккумулятор после полной разрядки можно повторно зарядить и это будет его полным циклом работы. Число рабочих циклов, которые может выдержать аккумулятор – это один из его важнейших параметров.

Ёмкость аккумулятора – это количественная мера энергии, которую может хранить аккумулятор. Для отдельных модулей батареи это будут Ампер-часы, но в составе электромобиля принято пересчитывать ёмкость уже в более удобные в повседневных расчётах киловатт-часаы.

Исходя из того, что у любого аккумулятора есть какая-то масса и какая-то ёмкость, важнейшим параметром является их производная величина – плотность энергии. Обычно измеряется в ватт-часах на килограмм веса, реже на литр объёма.

Это основные параметры, которые значительно меняются в зависимости от особенностей конструкции и химического состава аккумуляторов, но есть и ряд не менее важных параметров, напрямую влияющих на основные потребительские свойства электромобиля, например, такие как безопасность, динамика или общая устойчивость к холодной погоде.

Дело в том, что все основные параметры аккумуляторов принято указывать для нормальных условий +20…+25 градусов по Цельсию. При снижении температуры аккумулятор может временно терять часть своей ёмкости, а при небольшом увеличении температуры выше нормальной может проявляться некоторый бонус в скорости зарядки или допустимой мощности. Чем меньше свойства аккумулятора будут изменяться в зависимости от температуры, тем стабильнее характеристики электромобиля и выше коэффициент полезного действия. Например, потребуется меньше затрат энергии для работы систем термального менеджмента, а скорость зарядки в мороз и в жару будет одинаково высокой. 

К сожалению, идеальной химии для электромобиля не существует и нам так или иначе приходится выбирать наиболее важные для конкретной задачи характеристики. Это означает, что батарея для спорткара должна сильно отличаться от батареи внедорожника или батарей, разработанных специально для использования в коммерческих грузоперевозках. Термин "батарея" говорит о том, что для получения требуемой величины рабочего напряжения аккумуляторные ячейки соединяются в группы (модули) и далее из этих модулей и составляется батарея. 

Зато можно достаточно легко определить худший вариант для электромобиля. На сегодняшний день это Pb - тяговые свинцовые АКБ. Химически они во многом повторяют стартерные батареи, используемые в машинах с ДВС, с той лишь небольшой разницей, что относительно неплохо переживают несколько сотен циклов с полным разрядом. Таким образом свинцовые тяговые батареи до сих пор можно встретить на самых дешевых образцах электромобилей, но буквально с каждым днём таких моделей становится всё меньше. Стартерные АКБ в электромобилях не применяются, так как безвозвратно теряют значительную часть своей ёмкости при каждом цикле с полным использованием доступной ёмкости. Дополнительный минус всех типов свинцовых батарей – это их бесперспективно низкая плотность энергии.

Следующим этапом эволюции принято считать никель-марганцевые Ni-Mn аккумуляторы, которые уже неплохо подходят для применения в электромобилях и даже имеют некоторые преимущества перед литиевыми ячейками, так как при работе в составе большой батареи могут обойтись без сложной балансировочной системы из-за своих более стабильных характеристик. Однако, по плотности энергии и по ряду других важных электрических параметров они заметно уступают литиевым аккумуляторам.

Но никель с марганцем так просто не сдаются – с добавлением кобальта и лития они образуют новый тип аккумуляторов NMC или как любят говорить китайцы – тройная литиевая батарея. Формула катода для них в общем виде записывается так LiNiMnCoO₂ Пожалуй, на сегодня это самый распространённый тип батарей среди китайских электромобилей, поэтому здесь можно дать побольше подробностей.

Первые массовые NMC литий-ионные батареи в электромобилях содержат никеля, марганца и кобальта примерно поровну и называются NMC 111, соотношение Ni:Mn:Co = 1:1:1. И до сих пор у этой пропорции есть огромное достоинство, несмотря на то, что этот тип химии быстро уступил своё место более дешёвым и ёмким вариациям. Суперспособность NMC 111 – это возможность совершать максимальное количество рабочих циклов с большими перегрузками. Хорошо подходит для спортивных автомобилей и гибридов с батареями малой ёмкости, но из других сегментов этот тип практически ушёл из-за своей очень высокой стоимости и невысокой плотности энергии на уровне 150 Вт·ч/кг.

Далее прогресс в NMC батареях пошёл по пути уменьшения доли дорогого кобальта. Так, например, химия NMC 532 с соотношением Ni:Mn:Co = 5:3:2 со временем позволила увеличить плотность энергии до 180 Вт·ч/кг и решить проблемы со стабильностью характеристик батареи. Такой состав так же хорошо справляется с пиковыми нагрузками и прошёл достаточную проверку временем, чтобы подтвердить свою надёжность. 

Как работает эта формула?

Никель (Ni): Ответственен за высокую удельную энергоемкость. Чем выше доля никеля (как в NMC 811), тем больше энергии может хранить аккумулятор, а значит, тем больше запас хода у электромобиля. Однако никель снижает термическую стабильность материала.

Кобальт (Co): Стабилизирует кристаллическую структуру катода, повышает проводимость и облегчает движение ионов лития. Его недостаток — очень высокая стоимость и этические проблемы при добыче.

Марганец (Mn): Выступает как стабилизатор структуры, повышает безопасность и снижает стоимость. Марганец делает материал структурно более стабильным и менее склонным к перегреву.

Ресурс NMC батарей достигает 7-10 лет и в среднем составляет порядка 1000 циклов, но в каждом конкретном сочетании условий эксплуатации и химических пропорций может варьироваться от нескольких сотен циклов до нескольких тысяч. Завершение жизненного цикла таких батарей как правило наступает при 70-80% остаточной ёмкости в следствие необратимых внутренних изменений, приводящих к массовым дефектам в виде повышенного саморазряда или, например, пробоя изоляции.

Отдельным подвидом литий ионных аккумуляторов считается литий-марганцевый LMO (Lithium Manganese Oxide) с формулой LiMn₂O₄, который можно было встретить в ранних моделях Nissan Leaf. Фактически без никеля и кобальта, это была очень безопасная вариация литиевой батареи, которая была способна работать с большими токами, но обладала достаточно низкой плотностью энергии порядка 130 Вт·ч/кг и сравнительно быстро теряла остаточную ёмкость по мере совершения рабочих циклов в процессе эксплуатации. Таким образом спустя 7-10 лет и порядка 1000 рабочих циклов батареи такого типа могли потерять более 50% ёмкости, но при этом быть полностью работоспособными вплоть до дальнейшего снижения остаточной ёмкости до уровней порядка 25%.

В то же время для Tesla инженеры выбрали NCA химию, обозначаемую как LiNiCoAlO₂, которая долгое время обладала максимальной плотностью энергии из всех возможных вариантов литиевых аккумуляторов, достигая в последних генерациях 250 Вт·ч/кг. Батареи, построенные на NCA элементах, были самыми выгодными по балансу отдачи и стоимости, но могли работать с максимальными разрядными токами только при относительно высоком уровне заряда и демонстрировали большое падение напряжения под нагрузкой, что требовало очень продвинутой системы термального менеджмента для поддержания оптимальных условий работы батареи. Главным недостатком этого типа аккумуляторов можно считать относительно высокую опасность воспламенения при механических повреждениях или грубых нарушениях режимов работы. Тем не менее время показало, что многие батареи с таким типом химии были способны пережить 2000 полных циклов и проехать не одну сотню тысяч километров без значительной потери остаточной ёмкости, что позволяет утверждать, что они практически не были подвержены деградации. Из строя батареи на химии NCA выходили как правило на уровнях порядка 75% остаточной ёмкости по причине появления саморазряда у отдельных элементов и критической разбалансировки. Позже, с ростом энергоёмкости и снижением стоимости производства с приходом форм-фактора 21700 вместо ранних 18650 ячеек добавилась проблема с протечками электролита, что может приводить к необходимости досрочной замены всего модуля целиком.

В настоящее время одним из самых надёжных вариантов химии считается LFP Литий-железо-фосфатные аккумуляторы с формулой LiFePO₄ для катодного материала. Главное достоинство – они наиболее устойчивы к возгоранию и в производстве не так дороги, как другие безопасные варианты. Первые генерации батарей, которые использовались на ранних моделях электромобилей BYD, не обладали хорошими токовыми характеристиками и демонстрировали относительно низкую плотность энергии на уровне 120 Вт·ч/кг. Кроме того, они отличались особенно значительным снижением рабочих характеристик на холоде относительно всех остальных типов химии. Однако, за десятилетие непрерывной работы по последовательному улучшению технологии производства LFP аккумуляторные батареи этого типа смогли значительно улучшить свои потребительские качества. Широким признанием достоинств этой технологии можно читать появление призматических LFP ячеек в батареях Standard Range версий Tesla Model 3/Y. На сегодняшний день у лучших образцов ячеек плотность энергии может достигать 160 Вт·ч/кг с небольшим потенциалом дальнейшего увеличения. Обладая достаточной динамикой и средним запасом хода, электромобили с такими аккумуляторами потенциально способны проезжать до 1 миллиона километров без ремонта их батарей. Основным недостатком этих батарей можно считать сниженное рабочее напряжение и сильно нелинейную зависимость между уровнем заряда и напряжением, что затрудняет работу систем балансировки и точного расчёта прогноза запаса хода.

Литий-титанатные (LTO) аккумуляторы — это уникальный тип литий-ионных аккумуляторов, где на аноде используется оксид лития-титаната (Li₄Ti₅O₁₂), катод при этом может быть разным: LFP (LiFePO₄), NMC (LiNiMnCoO₂) или LMO (LiMn₂O₄).

Главная особенность таких батарей в том, что они способны выдерживать более 20 000 рабочих циклов без значительной деградации. Для сравнения: лучшие LFP-батареи выдерживают до 6000 циклов, NMC до 2000 циклов. 

LTO элементы эффективно функционируют как при низких (до -40°C), так и при высоких температурах (до +55°C), а при нормальных условиях могут иметь способность супер быстрой зарядки за 5 минут до 80%. Добавьте ещё сюда нулевой риск возгорания и можно было бы сказать, что это лучшая химия, но традиционно есть нюансы.

Основные недостатки – это высокая стоимость и очень низкая плотность энергии, редко превышающая 100 Вт·ч/кг.

Тем не менее в некоторой технике можно встретить такие разновидности батарей. Например, в некоторых электробусах и даже в крохотном старичке Mitsubishi Minicab MiEV.

Отказ от жидкого электролита в литий ионных аккумуляторах потенциально должен совершить прорыв в их потребительских качествах. Считается, что твердотельные батареи (Solid-State Batteries, SSB) — это следующее поколение аккумуляторов, способное увеличить плотность энергии до 500 - 1000 Вт·ч/кг при полной пожаробезопасности элементов. Ожидается, что скорость зарядки таких батарей будет максимальной в самом широком температурном диапазоне. Как и всё самое новое и мелкосерийное, такие батареи первое время точно будут очень дорогими, но есть и более бюджетные альтернативы.

На сегодняшний день существует несколько серийных моделей электромобилей (например Nio ET7 с батареей 150 кВтч), в которых уже использованы "полутвердотельные батареи" (semi-solid state batteries) – так называемый промежуточный этап между традиционными литий-ионными и будущими полностью твердотельными батареями.  Электролит в них представляет собой густую, гелеобразную или пастообразную субстанцию, а не свободно текучую жидкость. Этот компонент максимально обездвижен, но ещё не является твёрдым телом. Такое решение может увеличить плотность энергии до уровней более 350 Вт·ч/кг.

Натрий-ионные (Na-ion) аккумуляторы — это не просто альтернатива литий-ионным, а технология с собственными уникальными особенностями, которая обещает революционно изменить рынок накопителей энергии. Их ключевая особенность — отказ от лития и замена его натрием (Na) — один из самых распространенных элементов на Земле, что потенциально может на порядок снизить стоимость хранения энергии и существенно расширить диапазон рабочих температур. Пока что лучшие серийные Na-ion элементы имеют плотность энергии около 140-170 Вт·ч/кг. Это ниже, чем у LFP (до 180 Вт·ч/кг) и значительно ниже, чем у NMC (до 250 Вт·ч/кг). Отдельным вопросом можно обозначить ресурс Na-ion аккумуляторов, ожидаемые в среднем 3000 циклов пока не ещё не были подтверждены на протяжении многих лет реальной эксплуатации в автотранспорте. Тем не менее, первые серийные электромобили уже начали получать такие батареи, например компактный хэтчбек Yiwei EV.

Таким образом пока примерно подтверждается действие «закона Дрейфуса» (также известный как закон плотности энергии, аналог закона Мура в адаптации к хранению энергии), который предсказывает удвоение плотности энергии литий-ионных батарей каждые 10 лет, что, в свою очередь, ведет к увеличению времени работы устройств и снижению их стоимости. Однако, уже наблюдается насыщение рынка электромобилями с запасом хода, не уступающим ДВС аналогам, поэтому дальнейшее развитие технологии идёт не только в сторону плотности энергии, но и в сторону других потребительских качеств, которые вероятнее всего будут совершенствоваться даже быстрее, чем будет происходить дальнейший рост запаса хода электромобиля.