Теги → литийметаллический
Быстрый переход

Стартап Soelect по разработке анодов для литий-металлических аккумуляторов получил инвестиции от корейской Lotte Chemical

Разработкой литий-металлических аккумуляторов интересуются сразу несколько компаний. Одной из самых известных является SES, но аналогичные изыскания проводит и американский стартап Soelect, которому в феврале удалось привлечь инвестиции General Motors. Ещё более крупное вложение на сумму $200 млн готова сделать корейская химическая компания Lotte Chemical, чтобы построить в США предприятие по производству анодов.

 Источник изображения: Soelect

Источник изображения: Soelect

Данные компоненты в исполнении Soelect получили обозначение LiX, они позволяют производить литий-металлические аккумуляторы, способные при температурах не ниже 4 градусов Цельсия полностью восстанавливать заряд за 15 минут. Состав анодов LiX также удобен для вторичной переработки, как поясняют разработчики. Представители GM ранее отмечали, что разработки Soelect смогут найти применение не только в составе аккумуляторов Ultium следующего поколения, но и перспективных батарей с твердотельным электролитом.

Южнокорейский химический концерн Lotte Chemical, как сообщает Reuters, выделил $200 млн на нужды масштабирования производства анодов Soelect для литий-металлических аккумуляторов на территории США. Ожидается, что профильное предприятие будет построено к 2025 году, и сможет выдавать аноды LiX в массовых количествах. Литий-металлические аккумуляторы не только быстрее заряжаются, но и обладают более высокой плотностью хранения заряда. Lotte Chemical сама специализируется на производстве фольги для электродов, сепараторов и органических растворителей для электролита, поэтому для неё инвестиции в Soelect являются стратегическими.

Японские специалисты помогут QuantumScape разрабатывать аккумуляторы с твердотельным электролитом

Сейчас японские производители литиевых аккумуляторов не могут похвастать лидирующими позициями на рынке, но принято считать, что именно в этой стране сохранился достаточный для их совершенствования научный потенциал. Именно по этой причине молодая американская компания QuantumScape открыла в Японии новый исследовательский центр.

 Источник изображения: QuantumScape

Источник изображения: QuantumScape

Напомним, что QuantumScape сосредоточена на разработке литий-металлических аккумуляторов с твердотельным электролитом, которые должны ускорить процесс зарядки электромобилей. Имеющиеся прототипы батарей нового типа уже продемонстрировали способность сохранить 80 % начальной ёмкости после 400 циклов экспресс-зарядки с 10 до 80 % ёмкости в течение 15 минут. Имеющиеся аналоги после такой нагрузки значительно быстрее теряют способность принимать заряд.

Крупнейшим инвестором QuantumScape остаётся концерн Volkswagen, но первая из компаний утверждает, что плотно сотрудничает ещё с двумя крупными автопроизводителями. Представительство компании в Киото будет не только заниматься научными исследованиями и разработкой, но и способствовать взаимодействию с японскими компаниями, среди которых немало автопроизводителей. Сейчас QuantumScape активно нанимает персонал для японского представительства, обещая начать работу местной лаборатории до конца текущего года.

Твердотельные аккумуляторы QuantumScape успешно выдержали 400 последовательных циклов быстрой зарядки

В следующем году американская компания QuantumScape надеется начать опытное производство многослойных литийметаллических аккумуляторов с твердотельным электролитом, которые сократят время зарядки и увеличат дальность хода электромобилей. На данном этапе разработчикам удалось доказать способность существующих прототипов выдерживать последовательно несколько сотен циклов быстрой зарядки.

 Источник изображения: QuantumScape

Источник изображения: QuantumScape

Под экспресс-зарядкой в данном случае подразумевалось пополнение заряда с 10 до 80 % за 15 минут на прототипе аккумулятора, приближённого по своим характеристикам к тяговой батарее среднего электромобиля. Использовались однослойные ячейки, которые испытывались в диапазоне температур от 25 до 45 градусов Цельсия, давление поднималось до 3,4 атмосфер, предусматривалась глубина разряда до 100 %. В этих условиях батарея после 400 последовательных циклов зарядки высокими токами по 15 минут, которые восстанавливали заряд до 80 %, смогла сохранить 80 % остаточной ёмкости.

Присутствующие на рынке типы литийионных батарей при такой интенсивной зарядке на протяжении многих циклов подряд способны гораздо быстрее растерять первоначальную ёмкость, уже после нескольких десятков циклов. В QuantumScape считают возможность быстро восполнить заряд тяговой батареи одним из факторов, способствующих популяризации электромобилей, поскольку сейчас они вынуждены простаивать на зарядных станциях минимум по полчаса. Обладатели машин с ДВС в среднем заправляются за пять минут, и предлагаемые компанией литийметаллические аккумуляторы с твердотельным электролитом позволяют сократить отставание электромобилей до нескольких минут.

По данным QuantumScape, электромобилю с запасом хода 640 км четырёх сотен циклов экспресс-зарядки хватит для преодоления почти четверти миллиона километров. Напомним, что одним из крупных инвесторов этой компании является концерн Volkswagen, который по итогам прошлого года уже стал вторым по величине производителем электромобилей в мире. Если такие батареи найдут применение на машинах родственных марок, то в борьбе с набирающими силу конкурентами это будет сильным аргументом. К слову, ранее представители QuantumScape давали понять, что разрабатываемые ими аккумуляторы не только безопаснее традиционных литийионных с точки зрения угрозы возгорания, но и лучше переносят низкие температуры.

Honda Motor станет акционером производителя перспективных литий-металлических аккумуляторов SES

Американский стартап SES намеревается сосредоточиться на выпуске литий-металлических аккумуляторов, которые увеличивают плотность хранения заряда на 30 % и скорость его восполнения в полтора раза по сравнению с литийионными. Инвесторами компании до сих пор выступали General Motors и Hyundai Motor, но в обозримой перспективе к ним присоединится японская Honda Motor.

 Источник изображения: SES

Источник изображения: SES

До сих пор Honda не могла считаться крупным игроком на рынке электромобилей, хотя гибридные транспортные средства и модель Clarity на водородной силовой установке она предлагает очень давно. Европейским потребителям она несколько лет назад предложила компактный электромобиль Honda e, но американский рынок предпочла покорять при поддержке General Motors и с использованием её платформы Ultium, опирающейся на тяговые аккумуляторы корейской LG Energy Solution.

Теперь Reuters сообщает, что представителями Honda Motor подписано соглашение о совместной разработке литий-металлических аккумуляторов с американской компанией SES. Попутно стало известно, что SES намеревается выйти на Нью-йоркскую фондовую биржу через так называемую сделку SPAC, приобретя активы специально созданной публичной компании SES AI Corporation. Японский автопроизводитель намеревается приобрести 2 % акций этой компании.

В Германии создали литийметаллический аккумулятор с рекордной плотностью хранения энергии — вдвое лучше литийионного

Исследователи из Института Гельмгольца в Ульме (HIU) опубликовали в журнале Joule статью, в которой рассказали о перспективной комбинации катода и электролита литийметаллического аккумулятора. Новое решение позволит выпускать аккумуляторы с рекордной плотностью 560 Вт·ч/кг, что вдвое превосходит современные литиевые аккумуляторы. Но это ещё не всё. Новые батареи сохраняют 88 % ёмкости даже после 1000 циклов заряда и разряда.

 Источник изображения: Amadeus Bramsiepe, KIT

Источник изображения: Amadeus Bramsiepe, KIT

Давно не секрет, что литий-металлические аккумуляторы превосходят литийионные по плотности хранения энергии, но стабильность первых оставляет желать лучшего. В процессе заряда и разряда традиционные электроды с высоким содержанием кобальта покрываются микротрещинами, в которые проникает электролит и усугубляет разрушения. Необходимо было найти такое сочетание материалов электродов с электролитом, которое не вызывало бы разрушений батареи и потерю ёмкости

В ходе экспериментов выход был найден в особой слоистой структуре катода литийметаллического аккумулятора с низким содержанием кобальта. Фактически в материале нового катода было необычно высокое содержание никеля (NCM88). Также вместо традиционного электролита LP30 на основе органических соединений был взят нелетучий и негорючий жидкий электролит с двумя анионами (ILE). Сочетание NCM88-катода и электролита ILE показало себя крайне перспективным, позволив как добиться рекордной плотности хранения энергии, так и низкого износа аккумулятора в процессе работы.

 Источник изображения: Fanglin Wu und Dr. Matthias Künzel, KIT/HIU

Сравнение старого и нового катодов при 1000 циклов заряда и разряда. Источник изображения: Fanglin Wu und Dr. Matthias Künzel, KIT/HIU

Кулоновский КПД, который показывает соотношение между извлеченной и запасаемой мощностью, в среднем составил 99,94 %. «Поскольку представленная батарея также отличается высоким уровнем безопасности, — говорится в пресс-релизе учреждения, — исследователи из Карлсруэ и Ульма сделали важный шаг на пути к углеродно-нейтральной мобильности».

Американские учёные решили проблему деградации аккумуляторов будущего

Одними из перспективных для электромобилей считаются литийметаллические аккумуляторы. Максимальная теоретическая ёмкость литийметаллических батарей более чем в два раза превышает ёмкость литийионных аккумуляторов. Аккумуляторы будущего смогут запасать до 500 Вт·ч/кг, что в два раза увеличит пробег электрокаров на одном заряде аккумулятора. Оставалась проблема быстрой деградации батарей с чистым литием в аноде, но американцы с ней справились.

 Источник изображения: Jie Xiao/Pacific Northwest National Laboratory

Источник изображения: Jie Xiao/Pacific Northwest National Laboratory

Исследователи из Тихоокеанской национальной лаборатории Министерства энергетики США (PNNL) нашли возможность продлить работу литийметаллических аккумуляторов без существенной деградации анода. Раньше для этого предлагалось наносить на анод более толстый слой лития. Но химические процессы в ходе множества циклов заряда и разряда всё равно разрушали литий и, как следствие, анод, что вело к быстрому снижению ёмкости.

Секрет новой разработки PNNL кроется в использовании тонких полосок лития на аноде вместо сплошного толстого слоя. Как выяснилось, полоски толщиной 20 мкм создают такие условия для химических реакций на аноде, при которых деградация материала существенно снижается (статья в Nature Energy).

Построенный на таком принципе анод литийметаллической батареи выдержал 600 циклов перезаряда и сохранил при этом 76 % ёмкости. Плотность запаса энергии у опытной батареи тоже внушительная — 350 Вт·ч/кг, что определённо выше, чем у лучших на сегодня образцов коммерческих литийионных батарей (250–300 Вт·ч/кг). Впрочем, в производство эта батарея пока не пойдёт. Учёные стремятся сначала довести плотность хранения энергии до 500 Вт·ч/кг, что оправдает переход на новые накопители энергии.

Следует сказать, что это не единственное исследование, которое обещает приблизить выход литийметаллических аккумуляторов. Очень далеко по пути к коммерциализации этого типа батарей прошли выходцы из Стэндфордского университета. Изобретатели создали стартап QuantumScape и заручились деньгами Билла Гейтса и компании Volkswagen. Завод по выпуску литийметаллических аккумуляторов QuantumScape должен начать выпуск продукции в конце следующего года. Ждать осталось недолго.

Создан электролит, который способен в два раза увеличить ёмкость литиевых аккумуляторов

Учёные из Массачусетского технологического института (MIT) разработали электролит, который обещает до двух раз увеличить ёмкость литиевых аккумуляторов. Важность подобного изобретения трудно переоценить. Для транспорта на электрической тяге двукратное повышение ёмкости батарей без увеличения объёма и веса аккумуляторов стало бы настоящей революцией.

 Слева литиевый анод в трещинах при работе в обычном электролите, справа целый — в перспективном. Источник изображения: MIT

Слева литиевый анод в трещинах при работе в обычном электролите, справа целый — в перспективном. Источник изображения: MIT

Интересно, что новый электролит первоначально был разработан для перспективных литиево-воздушных аккумуляторов. Но они появятся ещё не скоро, зато разработка показала себя необычайно хорошо в составе литиево-металлических аккумуляторов.

Известная проблема литийметаллических аккумуляторов — это разрушение электродов (анода и катода). В частности, анод из металлического лития, который существенно повышает ёмкость и эффективность работы литийметаллических аккумуляторов, в процессе работы теряет литий путём его безвозвратного растворения в электролите.

Испытания нового электролита в составе литиево-металлического аккумулятора с металлическим анодом и катодом из оксидов лития, никеля, марганца и кобальта показало, что поверхности электродов не теряют металлы (не растрескиваются) и самоочищаются во время циклов заряда и разряда.

«Электролит химически устойчив к окислению высокоэнергетических материалов, богатых никелем, предотвращая разрушение частиц и стабилизируя положительный электрод во время цикла, — сказал Ян Шао-Хорн (Yang Shao-Horn) из Массачусетского технологического института. — Электролит также обеспечивает стабильную и обратимую очистку и покрытие металлического лития, что является важным шагом на пути создания перезаряжаемых литийметаллических батарей с энергией, вдвое превышающей энергию современных литийионных батарей.

В перспективе с новым электролитом ёмкость литийметаллических аккумуляторов может достичь 420 Вт·ч/кг, тогда как современные литийионные аккумуляторы с среднем демонстрируют 260 Вт·ч/кг. К сожалению, вещество, на котором основан перспективный электролит, современная промышленность не производит. Учёные обещают разработать техпроцессы, чтобы исправить это положение.

В США построят опытный завод по выпуску аккумуляторов для электромобилей будущего и не только

Изначально финансируемый фондом Билла Гейтса и компанией Volkswagen стартап QuantumScape по разработке аккумуляторов для электромобилей второго поколения сообщил о намерении построить в США опытный завод для производства революционных литийметаллических аккумуляторов. По словам разработчиков, новые аккумуляторы станут тем, что похоронит автомобили с ДВС.

 Аккумуляторная ячейка QuantumScape. Источник изображения: QuantumScape

Аккумуляторная ячейка QuantumScape. Источник изображения: QuantumScape

Аккумуляторы QuantumScape заряжаются до 80 % ёмкости за 15 минут, имеют вдвое большую ёмкость по сравнению с литиевыми ячейками и более устойчивы к износу. Подробнее о разработке мы рассказывали в этой заметке. Выйти на рынок с новыми аккумуляторами компания QuantumScape и её стратегический партнёр в лице автопроизводителя Volkswagen рассчитывают в 2024 году. Но сначала надо построить заводы по выпуску совершенно новых ячеек.

В ближайшие два года QuantumScape займётся подготовкой к массовому производству своих ячеек. Так, в Сан-Хосе, штат Калифорния, будет построен опытный завод QS-0 по выпуску инженерных образцов новых аккумуляторов. Предприятие заработает в конце 2022 года с плановым производством 100 тыс. ячеек в год. Подобного объёма, считают в QuantumScape, хватит для обеспечения потребностей Volkswagen и для поставки новых ячеек всем заинтересованным производителям автомобилей и не только. В QuantumScape рассчитывают, что новые аккумуляторы найдут широкое применение в областях за пределами электрического транспорта.

Кроме выпуска опытных образцов новых аккумуляторов на базе опытного производства компания QuantumScape рассчитывает изучить возможности по развёртыванию по-настоящему полномасштабного производства новых батарей. Опытные линии помогут спроектировать установки и оборудование для фабрик с намного большими объёмами выпуска аккумуляторов. Это поможет компании построить к 2024 году завод по серийному производству батарей на новых ячейках.

Представлены аккумуляторы для электромобилей будущего: быстрая зарядка, минимальная деградация и высокая ёмкость

В конце ноября американская компания QuantumScape, которую до этого десять лет деньгами поддерживали только фонд Билла Гейтса и Volkswagen, стала публичной и вышла из тени. Сразу было заявлено, что разрабатываемые компанией твердотельные литийметаллические аккумуляторы станут батареями для электромобилей второго поколения, которые по дальности хода сравнятся с автомобилями на ДВС. Сегодня она с цифрами в руках доказывает свою правоту.

 Аккумуляторная ячейка QuantumScape. Источник изображения: QuantumScape

Аккумуляторная ячейка QuantumScape. Источник изображения: QuantumScape

До разработки QuantumScape, которая десять лет назад вышла из стен Стэндфордского университета, твердотельные литийметаллические аккумуляторы считались перспективными, но страдающими массой отрицательных побочных явлений. В частности, они были безопаснее и более ёмкими, чем литийионные, но обладали узким рабочим температурным диапазоном. Аккумуляторы QuantumScape, как утверждают разработчики, свободны от детских болезней твердотельных литийметаллических аккумуляторов и могут стать коммерчески осуществимыми уже через четыре года.

Главной особенностью твердотельных литийметаллических аккумуляторов QuantumScape можно считать то, что аккумуляторы не имеют анода. Точнее, при производстве аккумуляторов QuantumScape анод не изготавливается. Этот электрод формируется в уже собранной аккумуляторной ячейке путём осаждения металлического лития в процессе заряда ячейки. Заявленная скорость осаждения лития в процессе формирования анода превосходит все предыдущие показатели и достигает одного микрона в минуту, что обещает высокую плотность зарядного тока и быструю зарядку: до 80 % ёмкости за 15 минут.

В компании гордятся, что анод аккумулятора спроектирован с «нулевым превышением лития». Иначе говоря, в процессе производства ячейки нет необходимости даже в минимальном количестве лития в виде фольги или осаждения в месте формирования анода. Это заметно удешевляет и упрощает производство ячеек.

Ещё одним важным изобретением QuantumScape стало создание керамического сепаратора, который разделяет электроды. Сепаратор QuantumScape тоньше человеческого волоса и невоспламеняемый. В обычной литийионной ячейке сепаратор изготавливается из органических материалов и служит одной из причин пожароопасности элементов. Следует отметить, что аккумуляторные ячейки QuantumScape будут изготавливаться в виде «мешочков», а не в цилиндрическом формфакторе. Возможно это одна из особенностей использования керамических сепараторов.

 Источник изображения: QuantumScape

Источник изображения: QuantumScape

Аккумуляторы QuantumScape также могут похвастаться толстыми катодами с возможностью пропускать токи высокой плотности свыше 3 мА·ч/см2 в течение часа заряда и разряда с токами 1C. После прохождения 800 циклов заряда и разряда ячейки QuantumScape сохранили свыше 80 % ёмкости, что потенциально обещает возможность проехать на одном аккумуляторе сотни тысяч км. Что также важно, аккумуляторы сохраняют рабочие характеристики до температур -30 °C, чего невозможно было добиться с помощью альтернативных разработок. Также, за счёт того, что из анода убран графит или графит-кремний, вещество электролита не деградирует в ходе побочных реакций в процессах зарядки и разрядки ячейки. Как нетрудно понять, это сохраняет рабочие параметры ячейки максимально долго.

Наконец, QuantumScape обещает довести ёмкость коммерческих твердотельных литийметаллических аккумуляторов до проверенного в лабораториях максимума: 1000 Вт·ч/л. Тем самым ёмкость аккумуляторов может вырасти на 80 % по сравнению с лучшими современными литийионными ячейками и довести запас хода электромобилей до величин, сопоставимых с возможностями автомобилей на двигателях внутреннего сгорания.

Скотч и графен утроят срок службы литий-металлических батарей

Поиски оптимальных конструкций содержащих литий аккумуляторов не прекращаются ни на мгновение. Учёные из американского Университета Райса (Rice University) сделали открытие, которое обещает в три раза продлить срок эксплуатации перспективных литий-металлических батарей.

 ra2studio/Depositphotos

ra2studio/Depositphotos

Литий-металлический аккумулятор предполагает вместо анода из графита использовать электрод из чистого лития. Потенциально это обещает привести к появлению намного быстрее заряжающихся батарей с ёмкостью, в десять раз превосходящей современные литийионные аккумуляторы. Препятствием на этом пути являются негативные побочные эффекты использования чистого лития в электродах.

Например, в ходе заряда и разряда литий-металлических аккумуляторов на электродах начинают активно расти отложения в виде игл ― дендриты. Эти образования способны проткнуть мембрану между электродами и привести к короткому замыканию с последующим возгоранием и даже взрывом аккумулятора. Исследование учёных из Университета Райса как раз направлено на подавление роста дендритов на литиевых анодах.

Учёные разработали несложную и недорогую для массового производства технологию нанесения защитного покрытия на литиевые электроды. На часть литиевого электрода в виде медного токосъёмника наносится липкая лента, после чего происходит нагрев электрода со стороны ленты лазером до температуры поверхности 2026 °C. В процессе нагрева на поверхности меди образуется пористое покрытие из оксида кремния с вкраплениями графена. Эксперименты с электродами с таким покрытием показали, что в процессе работы батареи рост дендритов подавляется без ухудшения свойств аккумуляторов.

 Слева увеличенное под электронным микроскопом изображение оксидной плёнки на медном токосъёмнике (Tour Group/Rice University)

Справа — увеличенное под электронным микроскопом изображение оксидной плёнки на медном токосъёмнике (Tour Group/Rice University)

Отметим, речь идёт о литий-металлических аккумуляторах без избытка лития в составе анодов. Традиционно для увеличения ёмкости литий-металлических батарей предлагалось создавать запас по литию в составе анодов, что, в свою очередь, вело к увеличению веса и стоимости таких аккумуляторов. Открытие учёных из Университета Райса позволяет создавать аккумуляторы без избытка лития в анодах, делая литий-металлические аккумуляторы легче и ёмче одновременно. По оценкам учёных, предложенная технология в три раза увеличит время эксплуатации литий-металлических батарей без избытка лития.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥