"Мисля, че с натрупване на подобрения в технологиите за производство на батерии, с инженерния напредък при колите и с правителствената подкрепа, това е възможно (масовизирането на електромобилите в рамките на 5 години)", коментира лабораторният изследовател Марка Доеф. "Освен това има значителен ентусиазъм в обществото като цяло, така че аз мисля, че ще се случи."

В действителност, сега е бумът на батериите. През последните три години, групата за изследване на батерии в лабораторията Бъркли е наела 24 научни работници, а бюджетът на Батерии за развити транспортни технологии (BATT) програмата на Министерство на енергетиката, се е увеличил от 5 милиона щатски долара преди четири години, на $ 16 милиона през тази година. В последно време в Бъркли лаб екипът по батериите спечели част от две мултимилионни награди за перспективни изследвания, финансирани по правителствени програми. В едната, лабораторията работи с Applied Materials, Inc от Санта Клара, Калифорния, която получи 4,4 милиона щатски долара за разработване на ултра-високо-енергийна и евтина литиево-йонна батерия с помощта на новаторски производствен процес. Във втората, лабораторията работи със Sion Power Corp. от Тюсон, Аризона, която получи 5 милиона щатски долара за разработка на високоенергийни литиево-серни батерии за електрически коли.

"Правителството отпуска милиарди долари [в нисколихвени заеми и безвъзмездни помощи], рисковите вложители също инвестират и вижте колко много нови компании за производство на батерии стартираха през последните няколко години. От две-три станаха дузини", казва Венкат Сринивасан, учен, занимаващ се с батерии в Бъркли лаб и действащ ръководител на Electrochemical Technologies Group. "Най-хубавото на бума е, че ще има тонове нововъведения."

Дизайнът на батериите: Изкуството на компромисите

И все пак, никой не очаква плавен път до 100 милиона електромобили. Батериите са сложни електрохимични системи, някои процеси в които дори учените не разбират напълно. Желаните химични реакции са съпроводени от нежелани странични ефекти, които трябва да бъдат контролирани. Границата между мощна, стабилна батерия и мощна, нестабилна батерия, често е много тънка.

"От една страна, човек би искал да кара 500 км с едно зареждане. От друга обаче, трябва да осъзнаваш, че седиш върху източник на енергия с висока плътност", казва ученият Робърт Костецки, който работи по батериите в продължение на 15 години и също така е заместник-директор на отдела за природни енергийни технологии на Бъркли лаб. "Колкото повече енергия натъпквате в малък обем или ниска маса, толкова по-рисково поведение може да очаквате."

Производството на батерии се свежда до множество компромиси. Сринивасан използва диаграма паяк (виж отдолу), за да покаже сравнението между днешните литиево-йонни батерии и FreedomCAR на енергийното министерство на САЩ, зареждаем хибрид (PHEV) с пробег 65 км и живот 15 години. "Това е като нишка", казва Сринивасан. "Ако дръпнеш от единия край, ще го направиш и от другия." Например, за да се увеличи енергийната плътност, най-често животът на батерията намалява или пък може да се правят по-сигурно батерии, но тогава енергийната им плътност ще бъде по-ниска.

Тази "паяк диаграма" сравнява днешната работа на литиево-йонните батерии с целите на FreedomCAR, които включват 15-годишен живот и 5000 цикъла зареждане. Енергията е свързана с пробега на колата, а мощността с нейното ускорение. Безопасността, друг важен въпрос, не е включена в този сценарий.

Графика на Венкат Сринивасан и Винс Баталия

В Бъркли лаб, фокусът е върху литиево-йонните батерии, които за първи път излизат на пазара през 1991 г. и все още се считат за най-добрата технология за транспортиране в средно-срочен план. Всъщност, понятието "литиево-йонна" батерия може да се отнася за множество различни химически формули, а екипът на Бъркли лаб изследва много от тях. Коя ще надделее все още не е ясно и победителят може да не е само един, тъй като различните приложения имат различни изисквания. Въпреки че по-новите алтернативи, като литиево-серни и литиево-въздушни са обещаващи, те ще изискват технологични пробиви, преди да станат реалност.

За американците, част от мотивацията за бързо развитие на технологиите при батериите е връщането на производството в Съединените щати. Изработването на литиево-йонни батерии, най-вече за мобилни телефони и друга преносима електроника, беше преместено в Азия, особено в Китай, Япония и Южна Корея, преди близо 20 години. "Китай и Япония са прекарали 15 години в придобиване на познания в производството на батерии. Как да ги победим в това?", пита Сринивасан. "Трябва да подходим научно към този проблем."

Продължава на страница 2...

Ключът към удължаване на живота

По принцип, батериите са съставени от положително зареден катод, отрицателно зареден анод и електролит, който пренася заредени йони между двата. Когато батерията дефектира, причините може да са много. Най-общо, те се делят на две категории - механично разграждане и химично разграждане. "Много е трудно да се предскаже повреда на батерията. Не можем да го симулираме", обяснява Сринивасан. "Бъркли се опитва да създаде симулатор за батерии, като достигне до основата на проблемите, предизвикващи дефекти.

Екипът на Бъркли също така предприема фундаментален научен подход към химично разграждане чрез изследване на защитния слой, който се образува при взаимодействието между електродите и електролита, наречен твърд електролитен интерфейс (SEI), който представлява един от ключовите елементи за функционирането на литиево-йонната батерия.

Стабилизирането на връзката електрод/електролит има критично значение за удължаване живота на батерията. SEI потиска спонтанно разлагането на електролита, обикновено при анода. "За съжаление, ние не разбираме напълно как този слой се формира и функционира и от какво е изграден", казва Костецки. "Той все още се изплъзва на нашите най-добри инструментални техники и експериментални методики."

Докато батериите за мобилни телефони и потребителска електроника не се очаква да работят много по-дълго от две години, тези в електромобилите трябва да издържат най-малко 10, ако не 15 години. "Това не е просто инженерно откритие, с което да удължиш живота от 2 на 15 години", казва още Костецки. "Това е огромно предизвикателство. Трябва значително да намалим степента на вредните странични ефекти при батериите."

SEI е основен обект на изследванията на учените от Бъркли лаб. Екипът използва уменията си за решаване на проблема с диагностика и моделиране, за да открие и разбере какво се случва на микро-, нано- и молекулно ниво при формиране на SEI, да идентифицира критичните процеси, след което да ги свърже с цялостното представяне на батерията.

Намаляване на разходите

Друго изискване за масовизиране на електромобилите е намаляване цената на батериите. Днес, литиево-йонните батерии струват около $ 1,000/киловат час. Целта на енергийното министерство на САЩ е да свали тази дена до $150/кВтч, което означава изработване на батерия за изцяло електрическа кола, която може да замени това, което повечето хора карат днес или иначе казано пробег от 500 километра. "Това ще бъде много трудна за постигане цел", признава Доеф, след което добавя: "Наистина трябва да свалим цената, но аз не знам дали е нужно да я сваляме чак толкова."

В зависимост от това дали батерията е за изцяло електрическо превозно средство, зареждаем хибриден електромобил (PHEV) или HEV - хибридни електромобили като Toyota Prius, които могат да се движат на електричество в продължение на само няколко километра), изискванията ще бъдат различни. Доеф и Том Ричардсън работят главно върху намирането на подходящи материали за катод, една от най-скъпите части на батерията, както и решение за електролитен сепаратор.

Най-разпространеният катоден материал в литиево-йонните батерии е литиево-кобалтов окис. Кобалтът обаче може да е доста скъп, а също така има тенденция да идва от страни, които не са политически стабилни. "Заключението е, че трябва да се отървем от кобалта, за да свалим цените", смята Доеф. Друг разглеждан катоден материал е литиево-железен фосфат, който е атрактивен, защото осигурява добра мощност, а желязото е евтино, но енергийната му плътност не е особено висока.

Понастоящем той се използва в електрически инструменти и е един от най-добрите решения за хибриди и зареждаеми хибриди, при които мощността (ускорението) е по-голям проблем от енергията (пробега). Предизвикателството е да се извлече повече енергия от него. Друг вариант е литиево-манганов окис, чието предимство е евтиният манган, въпреки че той също е с по-ниска енергийна плътност. Доеф също така гледа на титан и алуминий, като на заместители на кобалта.

Суровините съставляват около 60 на сто от разходите на батерията. Останалите 40 процента отиват за производството, сложен процес, който може да включва до 50-60 стъпки. Намаляването на производствените разходи ще изисква фундаментални нововъведения в начина, по който батериите са направени. Това е област, готова за промяна, заради липсата на кой знае какъв прогрес в процеса на производство на батериите от откриването на волтовата дъга преди 210 години насам.

"Имаме материали, които учените разработват за модерните технологии на 21 век. Но ако се вгледате в начина, по който батериите се произвеждат днес, той не е много по-различен от оригиналния дизайн, който [Алесандро] Волта използва през ХIХ век", казва Костецки. "Това различие между въвеждането на модерни електродни материали и опростените производствени методи е един от ограничаващите фактори за литиево-йонните батерии и днес. В момента производствените процедури се базират до голяма степен на метода проба-грешка. Следователно, свойствата на материалите в електродите са сериозно застрашени от лош дизайн на електрода на батерията."

Така например, графитът е съвременен материал, използван в анодите на по-голямата част от литиево-йонните батерии. Литиевите йони могат да пътуват в графита само между графеновите слоеве, но не могат да се движат в пластовата структура. По същия начин, електроенергията се провежда само в равнината на слоя. Въпреки това, графитните въглероди за литиево-йонни батерии не са проектирани да използват изцяло тези свойства.

"Практическият начин, по който това се прави днес, е, че компаниите за производство на батерии се свързват с производители на графит, опитват всички форми на графит, предлагани на пазара, и след това избират и оптимизират само няколко вида", заключава Костецки. "С използването на по-рационален подход за разработка на графитна структура, графитните електроди биха се представяли по-добре.

Вярвам, че учените, изследващи материали, които работят по следващото поколение на материали за електроди, трябва да работят с инженери, които могат рационално да проектират електродите и клетките на батериите, а не да се разделят тези две функции, както сега. Това е възможност за Бъркли лаб да комбинира всичките си ресурси и подходи към този проблем по координиран и комплексен начин."

Продължава на страница 3...

Гарантиране безопасността на батериите

Друг важен приоритет за изследователите на батерии в Бъркли лаб е безопасността, която е създавала проблеми и при преносимите компютри и друга потребителска електроника. "Литиевите батерии се подпалват от време на време", казва Ричардсън. "Това е доста рядко, но веднъж запалили се, е трудно да ги спреш. Съответно има и токсични проблеми."

Именно предимствата на литиевите батерии - малки по размер и с високо съдържание на енергия - са които ги правят потенциално опасни. Няколко фактора може да предизвикат експлозия в литиева батерия, включително презареждане, фабрични дефекти и физически промени по батерията. Въпреки че шансовете една батерия да експлодира са много малки, в един електромобил може да има стотици от тях, свързани помежду си, с преминаващ през тях заряд. Ако капацитетът на една клетка е по-малък от другите, тя ще бъде презаредена, което може да доведе до прегряване. За да се избегне това зарядът може да заобикаля клетката, което би добавило тегло и обем или масивът може да бъде проектиран така, че тя просто да спира зареждането, което обаче ще ограничи обхвата.

Бъркли лаб разработва вътрешна само задействаща се защита, която да не добавя много към теглото или обема на клетката, нито да усложнява производството. За да направят това, Ричардсън и Чен Гуйонг разглеждат електроактивни полимери, клас полимери с уникални свойства. "Полимерът ще се окислява, когато клетката се презареди и вместо електрически изолирана започне да провежда", обяснява Чен. "Така се генерира късо съединение в клетката, между анода и катода, което означава, че до електрода не достига заряд и по този начин клетката не може да бъде презаредена".

Досега те са демонстрирали, че концепцията работи добре с различни полимери, както и различни катоди и аноди. "И това също е обратимо, така че, когато спрете презареждането, полимерът отново става активен", добавя Ричардсън.

Сега работата е фокусирана върху намирането на полимер и конфигурация, които ще осигурят оптимална производителност. "Как поставяте полимер върху сепаратора има голямо значение, а също и къде го слагате", твърди Чен.

Изстискване на повече енергия от литиево-йонните батерии

На обратната страна на по-голямата сигурност е по-високата енергийна плътност, което означава по-голям пробег за електромобилите. За 10 години след масовото комерсиализиране на литиево-йонните батерии в началото на 90-те, тяхната енергийна плътност се удвои. Сринивасан вярва, че тя може да се удвои отново в рамките на още едно десетилетие.

Има три начина за получаване на по-висока енергийна плътност: увеличаване на капацитета, увеличаване на напрежението или намаляване на размера на неактивните материали в батерията.

Екипът на Бъркли се занимава с всичките три аспекта. Правят се изследвания на материали за откриване на следващо поколение материали за катоди и аноди с висок капацитет, както и нови електролити, които позволяват на батериите да работят при по-високо напрежение, без да има никакви нежелани и вредни странични реакции. Например, екипът на Бъркли е започнал изследвания с техните партньори в BATT за използване на високо напрежение, стабилен катод, който обещава да увеличи енергийната плътност.

Освен това, екипът търси начини за намаляване на размера на неактивния материал в батерията при запазване на мощността и способността на жизнения й цикъл. Дори с успешни иновативни материали и процеси, времето от лабораторните изследвания до излизане на пазара обаче е дълго за батериите. "Хората ще ви кажат, че отнема 10 години и 100 млн. долара за разработване на система за батерията", казва Доеф. "Дори да влезем в лабораторията утре и да открием следващото голямо нещо, което има всички нужни качества, все така ще са нужни 10 години за развитие. Това са привидно прости устройства, но ние искаме твърде много от тях."

За повече информация вижте BATT програмате на Бъркли лаб

Информацията е от Националната лаборатория Лорънс Бъркли

[Източник: Physorg]