Масовизиране на електрическите коли – как?

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…