Твердотельные батареи в конечном итоге станут аккумулятором вашего ноутбука или электромобиля

Твердотельные батареи в конечном итоге станут аккумулятором вашего ноутбука или электромобиля

09.07.2021

Почему твердотельные батареи в конечном итоге станут питанием вашего ноутбука или электромобиля.

Исследователи разрабатывают твердотельные литиевые батареи, которые являются более безопасными, более мощными и долговечными, чем сегодняшние батареи, с приминением для электромобилей - заветная цель, - сказала Келси Хатцелл из Принстонского университета в нашем родственном издании Energy Monitor.

Литий-ионные батареи являются неотъемлемой частью нашей жизни и перехода к чистой энергии. Мобильные телефоны и ноутбуки, электромобили и домашние накопители энергии - все работают на этих вездесущих аккумуляторах.

Исследователи и производители снизили цены на литий-ионные батареи на 90% за последнее десятилетие и считают, что они могут сделать их еще дешевле. Они также считают, что могут сделать литиевую батарею еще лучше .

В современных литий-ионных батареях используется жидкий электролит для перемещения ионов между катодом и анодом при разрядке или зарядке. Однако жидкий электролит легко воспламеняется и не позволяет использовать материалы, которые могут продлить срок службы батареи. Исследователи считают, что одним из решений является переход от жидких электролитов к твердым. Эти так называемые твердотельные литиевые батареи будут более безопасными, прослужат дольше и увеличат диапазон электромобилей.

Келси Хатцелл занимает важное место в разработке коммерческой твердотельной литиевой батареи. Лауреат престижной премии Национального научного фонда за раннюю карьеру и исследовательскую стипендию Слоуна, Хацелл является доцентом кафедры машиностроения в Университете Вандербильта. 1 июля она начинает работу в Центр энергетики и окружающей среды Андлингера Принстонского университета.

В беседе с Energy Monitor Хацелл описывает, почему промышленность переходит на твердотельные батареи.

Ваше исследование сосредоточено на твердотельных литиевых батареях. Чем они отличаются от батарей, с которыми люди знакомы?

Батареи, которые люди используют в своей электронике, - это литий-ионные батареи. Они накапливают заряд, перемещая ион лития, который является положительно заряженным ионом, между двумя разными электродами. Средой для перемещения ионов в батарее является материал, известный как электролит. Обычно этот электролит представляет собой жидкость.

Берем соль на основе лития, растворяем ее в растворителе и добавляем пипеткой или вводим в батарею. Это наш источник ионов лития в системе батарей. Это среда, через которую могут перемещаться ионы.

Ионы очень быстро перемещаются в жидкостях, и это отлично подходит для получения удельной мощности и быстрой зарядки аккумулятора, но проблема в том, что жидкость, в данном случае органический растворитель, легко воспламеняется. Вместо того, чтобы перемещать ионы в жидкости, мы стремимся получить твердые электролиты, в которых ионы перемещаются в твердом теле.

Помимо безопасности, есть множество причин, по которым мы хотим использовать твердые электролиты. Мы не можем сочетать материалы, которые могут продлить срок службы вашей батареи, с жидкими электролитами, потому что эти материалы будут разлагаться, разрушаться очень быстро и иметь очень короткий жизненный цикл.

Если мы хотим представить новые материалы, которые увеличивают срок службы аккумуляторов и которые не нужно заряжать много раз в день, твердые электролиты - это путь для внедрения новых энергоемких материалов.

Ожидаете ли вы, что твердотельные литиевые батареи будут иметь меньшее воздействие на окружающую среду, чем современные батареи? Будет ли их легче утилизировать по окончании срока службы?

Твердые электролиты основаны на литии, и есть некоторые прогнозы, согласно которым твердотельные батареи могут потребовать больше лития, чем обычные батареи. Это будет сильно зависеть от структуры. Если твердотельные батареи можно сделать безанодными, это может быть не так.

Одно из преимуществ твердотельных батарей состоит в том, что они теоретически могут использовать биполярную укладку, что значительно уменьшит количество токоприемников (например, металлов и неактивных материалов в батареях). Однако это еще предстоит продемонстрировать.

Несколько исследований показали, что твердотельные батареи легче утилизировать. Однако переработка твердотельных батарей - это «новая» область исследований, и многое еще неизвестно.

Смогут ли твердотельные батареи, когда они появятся на рынке, преобладать везде, где мы используем литий-ионные батареи сегодня, например, портативную электронику, электромобили и домашние аккумуляторы?

Вы определенно найдете людей, которые скажут, что твердотельные устройства вытеснят текущие. Думаю, они найдут разные приложения. Нынешний литий-ионный аккумулятор всегда будет существовать в первую очередь потому, что он очень дешевый и станет еще дешевле.

Когда я начала изучать аккумуляторы в 2010 году, стоимость киловатт-часа (кВтч) составляла 1000 долларов. Сейчас мы находимся на уровне 140 долларов за киловатт-час с прогнозируемым падением цены до 50 долларов за киловатт-час. Это в первую очередь потому, что вы видите, как гигафабрики увеличивают емкость аккумулятора. Я не предвижу исчезновения обычных литий-ионных аккумуляторов.

Твердотельные батареи сначала будут играть роль в портативной электронике и приложениях, где безопасность имеет первостепенное значение. Когда мы выясним, как создавать твердотельные батареи с гибкими посадочными местами и платформами, это расширит возможности. Заветная цель определенно относится к электромобилям, потому что истинная выгода заключается в получении энергоемких анодов.

Большинство людей, которые говорят об электромобилях, но не слышат ни одного, говорят, что это потому, что запас хода недостаточен - несмотря на то, что никто не проезжает 400 миль в день. Люди по-прежнему хотят такой гибкости. Твердотельные батареи - путь к достижению этого диапазона.

Что необходимо для вывода на рынок твердотельных батарей? Больше грантов для исследовательских групп, подобных вашей? Больше денег от федерального правительства через Агентство перспективных исследовательских проектов в области энергетики? Партнерство с автопроизводителями?

Последние два действительно важны. Мы работали с Toyota над некоторыми фундаментальными научными исследованиями, которые имели решающее значение с точки зрения фундаментального взаимодействия с конечным пользователем и понимания серьезных проблем. Часто мы сосредотачиваемся на вопросах фундаментальной науки, но нам нужно больше ориентироваться на миссию. Нам нужно решить множество научных проблем, но мы должны двигаться в правильном направлении. Всегда удивительно, каковы настоящие проблемы с точки зрения применения.

Четыре или пять лет назад речь шла как раз о том, чтобы заставить ионы двигаться в твердом электролите. Теперь вопрос заключается в том, чтобы заставить твердые электролиты работать в аккумуляторной системе, и будут ли другие условия эксплуатации твердотельной батареи.

Чтобы выяснить, как заставить работать твердотельную батарею, требуется большое финансирование от федерального правительства. Это очень молодая область. С экспериментальной точки зрения, это любимое дело, но определенно трудоемкое.

Какие трудности необходимо преодолеть в ближайшие несколько лет?

Первое - это воспроизводимость и межлабораторное подтверждение результатов. Нам нужна твердотельная батарея, которая отлично проработает тысячи циклов. Большой проблемой для людей, занимающихся исследованиями аккумуляторов и даже в стартапах, является потенциально искажение данных, что очень вредно для сообщества в целом. Часто, когда крупный стартап о чем-то объявляет, это вдохновляет множество людей следовать за ним. Если он отклоняется на один градус, мы оказываемся в 100 милях от того места, где должны быть.

Жизненно важны межлабораторные исследования, конвергенция методов в протоколах испытаний, расширение границ для испытания твердых электролитов в твердотельных батареях с использованием реальных условий эксплуатации. Чем более прозрачным и открытым будет доступ участников к этой области, тем быстрее она будет расти. Это всегда сложно с промышленной точки зрения, но часто необходимо для прогресса.

Что могут ожидать потребители с точки зрения дальности действия и времени зарядки электромобилей с твердотельными аккумуляторами?

Время зарядки - действительно сложный вопрос. Это зависит от химии. Люди хотят заряжаться за десятки минут, но это зависит от химического состава вашей батареи.

Людей волнует радиус действия, но они также говорят, что следующее поколение будет больше заботиться о сроке службы их батарей. Почему изменилось мышление? Что ж, если мы начнем интегрировать ваш электромобиль с вашим домом, где вы будете динамически заряжать аккумулятор или интегрировать автомобильный аккумулятор в сеть, жизненный цикл станет гораздо более важным. Это играет важную роль в нашей химии.

Мы стремимся к твердотельным по плотности энергии и дальности действия, но в следующем десятилетии потребители будут вести себя так, что они привыкнут останавливаться на 30-минутную прогулку или отдыхать в ванной для зарядки. Это не будет большой проблемой.

Теоретически твердотельные батареи могут проехать до 400 миль. Это не должно быть проблемой. Однако прямо сейчас вопрос заключается в жизненном цикле, который будет не менее важным в долгосрочной перспективе для твердотельных батарей, которые будут использоваться в электромобилях.

Эта статья впервые появилась в Energy Monitor , беспристрастном мнении, исследующем политику и экономику, стоящие за отказом от ископаемого топлива и переходом на возобновляемые источники энергии и нейтральность к изменению климата.

https://www.just-auto.com