Защо бързото зареждане е смъртта на батериите

Те искат да сменят маслото, но все пак имат фатален недостатък, за който производителите мълчат.

Епохата на въглищата отдавна се помни. Ерата на петрола също приключва. През третото десетилетие на XNUMX век явно живеем в ерата на батериите.

ТЕХНАТА РОЛЯ ВИНАГИ е била значима, откакто електричеството влезе в човешкия живот. Но сега три тенденции внезапно превърнаха съхранението на енергия в най-важната технология на планетата.

Първата тенденция е бумът на мобилните устройства - смартфони, таблети, лаптопи.Преди имахме нужда от батерии за неща като фенерчета, мобилни радиостанции и преносими устройства - всички с относително ограничена употреба. Днес всеки има поне едно лично мобилно устройство, което използва почти постоянно и без което животът му е немислим.

ВТОРАТА ТЕНДЕНЦИЯ е използването на възобновяеми енергийни източници и внезапното несъответствие между върховете на производство и потребление на електроенергия. Преди беше лесно: когато собствениците включват печки и телевизори вечер и потреблението рязко се повиши, операторите на ТЕЦ и АЕЦ просто трябва да увеличат мощността. Но при генерирането на слънчева и вятърна енергия това е невъзможно: пикът на производството най-често се случва в момент, когато потреблението е на най-ниското си ниво. Следователно енергията трябва да се съхранява по някакъв начин. Вариант е така нареченото „водородно общество“, при което електричеството се преобразува във водород и след това захранва с гориво мрежата и електрическите превозни средства. Но изключително високата цена на необходимата инфраструктура и лошите спомени на човечеството за водорода (Хинденбург и други) оставят тази концепция на заден план засега.

Така наречените "интелигентни мрежи" изглеждат в съзнанието на маркетинговите отдели: електрическите автомобили получават излишна енергия при пиково производство и след това, ако е необходимо, могат да я върнат в мрежата. Съвременните батерии обаче все още не са готови за подобно предизвикателство.

ОЩЕ ВЪЗМОЖЕН ОТГОВОР на този проблем обещава трета тенденция: замяната на двигателите с вътрешно горене с акумулаторни електрически превозни средства (BEV). Един от основните аргументи в полза на тези електрически превозни средства е, че те могат да бъдат активни участници в мрежата и да вземат излишъка, за да ги върнат, когато е необходимо.

Всеки производител на EV, от Tesla до Volkswagen, използва тази идея в своите PR материали. Никой от тях обаче не признава това, което е до болка ясно за инженерите: съвременните батерии не са подходящи за такава работа.

ЛИТИЕВО-ЙОННАТА ТЕХНОЛОГИЯ, която доминира на пазара днес и доставя от вашия фитнес тракер до най-бързия Tesla Model S, има много предимства пред по-стари концепции като оловни киселини или никел-метални хидридни батерии. Но има и някои ограничения и най-вече тенденция към стареене ..

Повечето хора мислят за батериите като за вид тръба, в която електричеството по някакъв начин се „влива“. На практика обаче батериите не съхраняват електричество сами. Те го използват, за да предизвикат определени химични реакции. Тогава те могат да започнат обратната реакция и да си възвърнат заряда.

При литиево-йонните батерии реакцията с отделянето на електричество изглежда така: литиевите йони се образуват при анода в батерията. Това са литиеви атоми, всеки от които е загубил по един електрон. Йоните се движат през течния електролит до катода. И освободените електрони се насочват през електрическа верига, осигурявайки необходимата ни енергия. Когато батерията е включена за зареждане, процесът се обръща и йоните се събират със загубените електрони.

"Свръхрастежът" с литиеви съединения може да причини късо съединение и да запали батерията.

За съжаление, ОБАЧЕ, ВИСОКАТА РЕАКТИВНОСТ, която прави лития толкова подходящ за производство на батерии, има обратна страна - той е склонен да участва в други, нежелани химични реакции. Поради това върху анода постепенно се образува тънък слой от литиеви съединения, който пречи на реакциите. И така капацитетът на батерията намалява. Колкото по-интензивно се зарежда и разрежда, толкова по-дебело става това покритие. Понякога дори може да освободи така наречените „дендрити“ – помислете за сталактити от литиеви съединения – които се простират от анода до катода и, ако го достигнат, могат да причинят късо съединение и да запалят батерията.

Всеки цикъл на зареждане и разреждане скъсява живота на литиево-йонната батерия. Но напоследък модерното бързо зареждане с трифазен ток значително ускорява процеса. За смартфоните това не е голяма бариера за производителите, във всеки случай те искат да принудят потребителите да сменят устройствата си на всеки две до три години, но автомобилите са проблем.

За да убедят потребителите да купуват електрически превозни средства, производителите трябва да ги примамят и с опции за бързо зареждане. Но бързите станции като Ionity не са подходящи за ежедневна употреба.

ЦЕНАТА НА БАТЕРИЯТА Е ОЩЕ ТРЕТА и дори повече от цялата цена на днешната електрическа кола. За да убедят своите клиенти, че не купуват тиктакаща бомба, всички производители предоставят отделна, по-дълга гаранция за батерията. В същото време залагат на по-бързо зареждане, за да направят колите си привлекателни за пътуване на дълги разстояния. Доскоро най-бързите зарядни станции работеха на 50 киловата. Но новият Mercedes EQC може да се зарежда до 110kW, Audi e-tron до 150kW, както се предлага от европейските зарядни станции Ionity, а Tesla се готви да вдигне летвата още по-високо.

Тези производители бързо признават, че бързото зареждане ще унищожи батериите. Станции като Ionity са по-подходящи за спешни случаи, когато човекът е изминал дълъг път и има малко време. В противен случай бавното зареждане на батерията у дома е интелигентен подход.

Колко е заредена и разредена, също е важно за продължителността на живота. Ето защо повечето производители не препоръчват зареждане над 80% или под 20%. При този подход литиево-йонната батерия губи средно около 2 процента от капацитета си годишно. По този начин той може да продължи 10 години или до около 200 000 км, преди мощността му да падне толкова много, че да стане неизползваема в автомобил.

И накрая, разбира се, BATTERY LIFE зависи от уникалния му химичен състав. Той е различен за всеки производител и в много случаи е толкова нов, че дори не се знае как ще остарее с времето. Няколко производители вече обещават ново поколение батерии с експлоатационен живот от "1.6 милион мили" (16 милиона километра). Според Илон Мъск, Tesla работи върху един от тях. Китайската компания CATL, която доставя продукти на BMW и половин дузина други компании, обеща, че следващата й батерия ще издържи 2 години или XNUMX милиона километра. General Motors и корейската LG Chem също разработват подобен проект. Всяка от тези компании има свои собствени технологични решения, които искат да изпробват в реалния живот. GM, например, ще използва иновативни материали, за да предотврати навлизането на влага в клетките на батерията, основна причина за образуване на литиево лющене върху катода. Технологията CATL добавя алуминий към никел-кобалт-мангановия анод. Това не само намалява нуждата от кобалт, който в момента е най -скъпата от тези суровини, но също така увеличава живота на батерията. Поне на това се надяват китайските инженери. Потенциалните клиенти имат удоволствието да разберат дали една идея работи на практика.