Як ми дійшли до наступного великого прориву акумулятора

Ви читаєте ексклюзивну історію для кварцу, доступну всім читачам обмежений час. Щоб розблокувати доступ до всього Quartz, станьте учасником.

Електричні літаки можуть бути майбутнім авіації. Теоретично вони будуть набагато тихішими, дешевшими та чистішими, ніж літаки, які ми маємо сьогодні. Сьогодні електричні літаки з одним зарядом радіусом дії 1000 км (620 миль) можуть бути використані для половини всіх польотів комерційних літаків, зменшуючи викиди вуглецю у світовій авіації приблизно на 15%.

Та сама історія з електромобілями. Електричний автомобіль - це не просто чистіша версія його двоюрідного брата, що викидає забруднення. Це, по суті, кращий автомобіль: його електричний двигун видає мало шуму та забезпечує блискавичну реакцію на рішення водія. Зарядка електромобіля коштує набагато менше, ніж плата за еквівалентну кількість бензину. Електричні машини можуть бути побудовані з часткою рухомих частин, що робить їх більш дешевими в обслуговуванні.

То чому електромашини вже не всюди? Це тому, що акумулятори дорогі, що робить попередню вартість електричного автомобіля набагато вищою, ніж аналогічна модель на газовому двигуні. І якщо ви багато не їздите, економія на бензині не завжди компенсує вищі авансові витрати. Коротше кажучи, електромобілі все ще не економічні.

Подібним чином, нинішні акумулятори не мають достатньої кількості енергії за вагою або об’ємом для живлення пасажирських літаків. Нам ще потрібні фундаментальні досягнення в галузі акумуляторних технологій, перш ніж це стане реальністю.

Портативні пристрої, що працюють від акумуляторів, змінили наше життя. Але є набагато більше, що акумулятори можуть порушити роботу, якщо б лише можна було зробити дешеві, безпечніші, потужніші та енергоємніші батареї. Жоден закон фізики не виключає їх існування.

І все ж, незважаючи на більш як два століття пильного вивчення з часу винайдення першої батареї в 1799 році, вчені досі не до кінця розуміють багато основ того, що саме відбувається всередині цих пристроїв. Ми знаємо, що є, по суті, три проблеми, які потрібно вирішити, щоб батареї ще раз перетворили наше життя: потужність, енергія та безпека.

Не існує універсального літій-іонного акумулятора

Кожна батарея має два електроди: катод і анод. Більшість анодів літій-іонних батарей виготовляються з графіту, але катоди виготовляються з різних матеріалів, залежно від того, для чого буде використовуватися батарея. Нижче ви можете побачити, як різні катодні матеріали змінюють спосіб роботи типів акумуляторів за шістьма мірами.

Виклик живлення

У просторіччі люди використовують взаємозамінні поняття «енергія» та «потужність», але важливо розрізняти їх, говорячи про батареї. Потужність - це швидкість, з якою може виділятися енергія.

Акумулятор, достатньо сильний, щоб запустити і утримати комерційний реактивний літак на відстані 1000 км, вимагає виділення багато енергії за дуже короткий час, особливо під час зльоту. Отже, мова йде не лише про те, щоб накопичити багато енергії, а й про те, щоб дуже швидко витягти цю енергію.

Вирішення проблеми з енергоспоживанням вимагає від нас заглянути всередину чорної скриньки комерційних акумуляторів. Це трохи знервує, але терпіть зі мною. Нові технології акумуляторів часто надмірно роздуваються, оскільки більшість людей недостатньо придивляються до деталей.

На сьогоднішній день найсучасніша хімія акумуляторів - це іон-літій. Більшість експертів сходяться на думці, що жодна інша хімія не порушує іон літію принаймні ще десять років і більше. Літій-іонна батарея має два електроди (катод та анод) із сепаратором (матеріал, який проводить іони, але не електрони, призначений для запобігання короткому замиканню) посередині та електроліт (зазвичай рідина), що забезпечує можливість потоку іонів літію вперед між електродами. Коли акумулятор заряджається, іони рухаються від катода до анода; коли акумулятор щось живить, іони рухаються в протилежному напрямку.

Уявіть собі два батони нарізаного хліба. Кожен хлібець - це електрод: лівий - катод, а правий - анод. Припустимо, що катод складається із зрізів нікелю, марганцю та кобальту (NMC) - одного з найкращих у своєму класі - і що анод складається з графіту, який по суті являє собою шаруваті листи або зрізи атомів вуглецю.

У розрядженому стані, тобто після того, як він був вичерпаний енергією, у буханці NMC є іони літію, затиснуті між кожним зрізом. Коли акумулятор заряджається, кожен іон літію витягується з-поміж зрізів і змушений рухатися через рідкий електроліт. Сепаратор діє як контрольно-пропускний пункт, що забезпечує проходження лише іонів літію до графітової буханки. При повному зарядженні на катодному батоні акумулятора не залишиться іонів літію; всі вони будуть акуратно затиснуті між скибочками графітового короваю. У міру споживання енергії акумулятора іони літію повертаються до катода, поки в аноді їх не залишиться. Саме тоді акумулятор потрібно знову зарядити.

Потужність акумулятора визначається, по суті, тим, наскільки швидко відбувається цей процес. Але не так просто збільшити швидкість. Надто швидке витягання іонів літію з катодного батона може призвести до появи у зрізів дефектів і врешті-решт руйнування. Це одна з причин, чому чим довше ми використовуємо смартфон, ноутбук чи електричний автомобіль, тим гірше триває їх заряд акумулятора. Кожен заряд і розряд призводить до того, що коровай слабшає.

Різні компанії працюють над вирішенням проблеми. Одна ідея полягає в тому, щоб замінити шаруваті електроди чимось структурно міцнішим. Наприклад, 100-річна швейцарська компанія з виробництва акумуляторів Leclanché працює над технологією, яка використовує в якості катода фосфат заліза літію (LFP), який має "олівінову" структуру, та оксид титану літію (LTO), який має Структура «шпінелі», як анод. Ці структури краще справляються з потоком іонів літію в і з матеріалу.

В даний час Leclanché використовує свої акумуляторні елементи на автономних складських навантажувачах, які можна зарядити до 100% за дев'ять хвилин. Для порівняння, найкращий нагнітач Tesla може зарядити акумулятор автомобіля Tesla до 50% за 10 хвилин. Leclanché також розміщує свої батареї у Великобританії для швидкозарядних електромобілів. Ці акумулятори сидять на зарядній станції, повільно витрачаючи невелику кількість енергії протягом тривалого періоду від мережі, поки вони не будуть повністю заряджені. Потім, коли автомобіль стикується, акумулятори док-станції швидко заряджають акумулятор автомобіля. Коли машина їде, станційна батарея знову починає заряджатися.

Зусилля, подібні до показу Лекланше, дозволяють повозитися з хімічними речовинами з батареями, щоб збільшити їх потужність. Тим не менше, ще ніхто не створив акумулятор, достатньо потужний, щоб швидко доставити енергію, необхідну для комерційного літака, щоб перемогти гравітацію. Стартапи прагнуть побудувати менші літаки (до 12 осіб), які могли б літати на акумуляторах з відносно меншим енергоспоживанням, або електричних гібридних літаках, де реактивне паливо важко піднімає, а батареї роблять виліт.

Але насправді в цьому просторі немає жодної компанії, що працює поблизу комерціалізації. Крім того, технологічний стрибок, необхідний для повністю електричного комерційного літака, може зайняти десятиліття, каже Венкат Вішванатан, експерт з батарей в Університеті Карнегі-Меллона.

Енергетичний виклик

Tesla Model 3, найдоступніша модель компанії, починається з 35 000 доларів. Він працює від акумулятора потужністю 50 кВт-год, який коштує приблизно 8 750 доларів США, або 25% від загальної ціни автомобіля.

Це все ще надзвичайно доступно порівняно з не так давно. За даними Bloomberg New Energy Finance, середня глобальна вартість літій-іонних акумуляторів у 2018 році становила близько 175 доларів за кВт-год - порівняно з майже 1200 доларів за кВт-год у 2010 році.

Міністерство енергетики США підрахувало, що як тільки витрати на акумулятор опуститься нижче 125 доларів за кВт-год, володіння та експлуатація електричного автомобіля буде дешевшим, ніж автомобіль на газовій основі у більшості країн світу. Це не означає, що електромобілі переможуть транспортні засоби, що працюють на газі, у всіх нішах та областях - наприклад, вантажні автомобілі на великі відстані ще не мають електричного рішення. Але це переломний момент, коли люди почнуть віддавати перевагу електромобілям просто тому, що в більшості випадків вони будуть мати більш економічний сенс.

Один із способів туди потрапити - збільшити щільність енергії батарейок - вкласти більше кВт-год у акумулятор, не знижуючи його ціни. Теоретично, хімік акумулятора може це зробити, збільшивши щільність енергії як катода, так і анода, або обох.

Найбільш енергозберігаючим катодом на шляху до комерційної доступності є NMC 811 (кожна цифра числа представляє співвідношення нікелю, марганцю та кобальту відповідно в суміші). Це ще не ідеально. Найбільша проблема полягає в тому, що він може витримати лише відносно невелику кількість життєвих циклів заряду-розряду, перш ніж він перестане працювати. Але експерти прогнозують, що галузеві НДДКР повинні вирішити проблеми NMC 811 протягом найближчих п'яти років. У цьому випадку батареї, що використовують NMC 811, матимуть вищу щільність енергії на 10% і більше.

Однак збільшення на 10% - це не так вже й багато в загальній картині.
І хоча низка інновацій за останні кілька десятиліть збільшила щільність енергії катодів дедалі вище, аноди є найбільшими можливостями щодо щільності енергії.

Графіт був і залишається далеко і далеко домінуючим анодним матеріалом. Це дешево, надійно та відносно енергоємно, особливо порівняно з сучасними катодними матеріалами. Але він досить слабкий, якщо його складати проти інших потенційних анодних матеріалів, таких як кремній та літій.

Наприклад, кремній теоретично набагато краще поглинає іони літію як графіт. Ось чому ряд акумуляторних компаній намагається додати трохи кремнію графіту в свої анодні конструкції; Генеральний директор Tesla Ілон Маск заявив, що його компанія вже робить це в своїх літій-іонних акумуляторах.

Більшим кроком стане розробка комерційно життєздатного анода, виготовленого повністю з кремнію. Але елемент має риси, які ускладнюють це. Коли графіт поглинає іони літію, його обсяг не сильно змінюється. Однак кремній-анод набухає в чотири рази від початкового обсягу за тим самим сценарієм.

На жаль, ви не можете просто зробити кожух більшим, щоб вмістити це набряк, тому що розширення розбиває те, що називається "твердої електролітної інтерфазою", або SEI, кремнієвого анода.

Ви можете думати про SEI як про своєрідний захисний шар, який анод створює для себе, подібно до того, як залізо утворює іржу, також відому як оксид заліза, щоб захистити себе від стихій: Коли ви залишаєте шматок щойно кованого заліза зовні він повільно реагує з киснем у повітрі, щоб іржавіти. Під шаром іржі решта заліза не зазнає такої ж долі і, таким чином, зберігає структурну цілісність.

Після закінчення першого заряду акумулятора електрод утворює власний шар «іржі» - SEI - відокремлюючи нерозмиту частину електрода від електроліту. SEI зупиняє споживання електрода додатковими хімічними реакціями, забезпечуючи те, що іони літію можуть протікати якомога плавніше.

Але з кремнієвим анодом SEI розпадається кожен раз, коли батарея використовується для живлення, і реформується щоразу, коли батарея заряджається. І під час кожного циклу заряду витрачається трохи кремнію. Зрештою, кремній розсіюється до такої міри, що батарея більше не працює.

Протягом останнього десятиліття кілька стартапів з Кремнієвої долини працювали над вирішенням цієї проблеми. Наприклад, підхід Сіла Нано полягає у тому, щоб укласти атоми кремнію всередину нанорозмірної оболонки з великою кількістю порожньої кімнати всередині. Таким чином, SEI формується на зовнішній стороні оболонки, і розширення атомів кремнію відбувається всередині неї, не руйнуючи SEI після кожного циклу заряду-розряду. Компанія, вартість якої оцінюється в 350 мільйонів доларів, заявляє, що її технологія буде живити пристрої як тільки 2020.

Enovix, навпаки, застосовує спеціальну технологію виготовлення, щоб 100% кремнієвий анод піддавався величезному фізичному тиску, змушуючи його поглинати менше іонів літію і, таким чином, обмежуючи розширення анода та запобігаючи розриву SEI. Компанія має інвестиції від Intel і Qualcomm, а також очікує, що батареї будуть в пристроях до 2020 року.

Ці компроміси означають, що кремнієвий анод не може досягти теоретично високої щільності енергії. Однак обидві компанії заявляють, що їх аноди працюють краще, ніж графітові аноди. Зараз сторонні сторони тестують акумулятори обох фірм.

Проблема безпеки

Все молекулярне майстерність, зроблене для того, щоб зарядити більше енергії в батареях, може коштувати за безпеку. З моменту свого винаходу літій-іонна батарея викликає головний біль через те, як часто вона загоряється. Наприклад, у 1990-х роках канадська Moli Energy комерціалізувала літій-металеву батарею для використання в телефонах. Але в реальному світі його батареї почали загорятися, і Молі був змушений здійснити відкликання і, врешті-решт, подати заяву про банкрутство. (Частина його активів викупила тайванська компанія, і вона все ще продає літій-іонні акумулятори під торговою маркою E-One Moli Energy.) Нещодавно смартфони Samsung Galaxy Note 7, виготовлені з сучасними літій-іонними акумуляторами, почали вибухати в кишенях людей. Відкликання продукції в 2016 році обійшлося південнокорейському гіганту в 5,3 мільярда доларів.

Сьогоднішні літій-іонні акумулятори все ще несуть у собі ризики, оскільки вони майже завжди використовують легкозаймисті рідини як електроліт. Це одна з невдалих (для нас, людей) примх, що рідини, здатні легко транспортувати іони, також мають нижчий поріг для загоряння. Одним із рішень є використання твердих електролітів. Але це означає інші компроміси. Конструкція батареї може легко включати рідкий електроліт, який контактує з кожним бітом електродів, що робить його здатним ефективно передавати іони. З твердими речовинами набагато складніше. Уявіть, як ви опустили пару кубиків у чашку з водою. А тепер уявіть, як кинути ті самі кістки в чашку з піском. Очевидно, що вода торкнеться набагато більшої площі поверхні кубика, ніж пісок.

Наразі комерційне використання літій-іонних акумуляторів із твердими електролітами обмежувалось лише програмами з низьким енергоспоживанням, наприклад, підключеними до Інтернету датчиками. Зусилля, спрямовані на збільшення твердотільних батарей, тобто не містять рідкого електроліту, можна розділити на дві категорії: тверді полімери при високих температурах і кераміка при кімнатній температурі.

Тверді полімери при високих температурах

Полімери - це довгі ланцюги молекул, пов’язаних між собою. Вони надзвичайно поширені в повсякденних додатках - наприклад, одноразові поліетиленові пакети виготовляються з полімерів. Коли деякі типи полімерів нагріваються, вони поводяться як рідини, але без займистості рідких електролітів, що використовуються в більшості батарей. Іншими словами, вони мають високу іонну провідність у вигляді рідкого електроліту без ризику.

Але вони мають обмеження. Вони можуть працювати лише при температурі вище 105 ° C (220 ° F), а це означає, що вони не є практичними варіантами для, скажімо, смартфонів. Але їх можна використовувати для накопичення енергії з мережі в домашніх батареях, наприклад. Щонайменше дві компанії - американська SEEO та французька Bolloré - розробляють твердотільні батареї, які використовують високотемпературні полімери як електроліт.

Кераміка кімнатної температури

За останнє десятиліття два класи кераміки - LLZO (літій, лантан та оксид цирконію) та LGPS (літій, германій, сульфід фосфору) - виявились майже такими ж добрими в проведенні іонів при кімнатній температурі, як рідини.

Toyota, а також стартап із Кремнієвої долини QuantumScape (який минулого року зібрав 100 мільйонів доларів США від фінансування від Volkswagen), обидва працюють над введенням кераміки в літій-іонні акумулятори. Включення великих гравців у простір свідчить про те, що прорив може бути ближчим, ніж багато хто думає.

"Ми дуже близькі до того, щоб побачити щось справжнє [з використанням кераміки] за два-три роки", - каже Вісванатхан Карнегі Меллон.

Акт балансування

Акумулятори - це вже великий бізнес, і ринок для них продовжує зростати. Усі ці гроші приваблюють багатьох підприємців з ще більшою кількістю ідей. Але заряди акумуляторів - це важкі ставки - вони зникають навіть частіше, ніж компанії-виробники програмного забезпечення, які відомі своїм високим відсотком відмов. Це тому, що інновації в галузі матеріальних наук важкі.

Поки хіміки-акумулятори виявили, що, намагаючись поліпшити одну ознаку (скажімо, щільність енергії), їм доводиться йти на компроміси з якоюсь іншою ознакою (скажімо, безпекою). Цей вид рівноваги означав, що прогрес на кожному фронті був повільним і загрожував проблемами.

Але якщо більше уваги дивитись на проблему, - вважає Іт-Мін Чіанг із Массачусетського технологічного інституту, сьогодні в США втричі більше вчених, ніж 10 років тому, - шанси на успіх зростають. Потенціал акумуляторів залишається величезним, але, враховуючи виклики, що стоять перед цим, краще розглядати кожну заяву про нові батареї з достатньою дозою скептицизму.