Чому швидка зарядка – смерть для акумуляторів
Вони хочуть замінити масло, але у них все ще є фатальний недолік, про який виробники замовчують.
Вугільний століття давно залишився в пам'яті. Епоха нафти також добігає кінця. У третьому десятилітті XNUMX століття ми явно живемо в епоху батарей.
ЇХ РОЛЬ ЗАВЖДИ була значною з тих пір, як електрика увійшла в життя людини. Але тепер три тенденції раптово зробили зберігання електроенергії найважливішою технологією на планеті.
Перша тенденція – бум мобільних пристроїв – смартфонів, планшетів, ноутбуків. Раніше нам були потрібні батарейки для таких речей, як ліхтарики, мобільні радіо та портативні пристрої – все з відносно обмеженим використанням. Сьогодні у кожного є хоча б один особистий мобільний пристрій, яким він користується практично постійно і без якого немислиме його життя.
ДРУГА ТЕНДЕНЦІЯ – це використання відновлюваних джерел енергії та раптова невідповідність між піками виробництва та споживання електроенергії. Раніше було легко: коли ввечері господарі включають плити та телевізори, а споживання різко зростає, операторам ТЕС та АЕС просто доводиться збільшувати потужність. Але з генерацією сонця та вітру зробити це неможливо: пік виробництва найчастіше припадає на той час, коли споживання знаходиться на найнижчому рівні. Отже, енергію треба якось зберігати. Варіантом є так зване водневе суспільство, в якому електрика перетворюється на водень, а потім подає паливо в мережу та електромобілі. Але надзвичайно висока вартість необхідної інфраструктури та погані спогади людства про водень («Гінденбург» та ін.) поки що залишають цю концепцію на другому плані.
Так звані «розумні мережі» виглядають в свідомості відділів маркетингу: електромобілі отримують надлишкову енергію на піку виробництва, а потім, при необхідності, можуть повернути її в електромережу. Однак сучасні акумулятори ще не готові до такого виклику.
ЩЕ ОДИН МОЖЛИВИЙ ВІДПОВІДЬ на цю проблему обіцяє третю тенденцію: заміну двигунів внутрішнього згоряння електромобілями з батареями (BEV). Одним з основних аргументів на користь цих електромобілів є те, що вони можуть бути активними учасниками електромережі і брати надлишки, щоб повернути їх, коли це необхідно.
Кожен виробник електромобілів, від Tesla до Volkswagen, використовує цю ідею в своїх PR-матеріалах. Однак ніхто з них не визнає того, що до болю зрозуміло інженерам .: сучасні акумулятори для такої роботи не підходять.
Літієво-іонна ТЕХНОЛОГІЯ, яка сьогодні домінує на ринку і забезпечує від вашого фітнес-браслета до найшвидшої Tesla Model S, має багато переваг у порівнянні з більш старими концепціями, такими як свинцево-кислотні або нікель-металогідридні батареї. Але у нього також є деякі обмеження і, перш за все, схильність до старіння ..
Більшість людей думає про батареях як про якусь трубці, в яку якимось чином «вливається» електрику. Однак на практиці батареї самі по собі не накопичують електрику. Вони використовують його для запуску певних хімічних реакцій. Тоді вони можуть почати протилежну реакцію і повернути свій заряд.
Для літій-іонних акумуляторів реакція з виділенням електрики виглядає так: іони літію утворюються на аноді в батареї. Це атоми літію, кожен з яких втратив по одному електрону. Іони рухаються через рідкий електроліт до катода. А випущені електрони направляються по електричному ланцюзі, забезпечуючи необхідну нам енергію. Коли акумулятор включається для зарядки, процес змінюється на протилежний, і іони збираються разом з втраченими електронами.
«Розростання» сполуками літію може викликати коротке замикання і запалити акумулятор.
На жаль, ОДНА, ВИСОКА РЕАКЦІЙНА ЗДІБНІСТЬ, яка робить літій настільки придатним для виготовлення акумуляторів, має і зворотний бік – він має тенденцію брати участь в інших небажаних хімічних реакціях. Тому на аноді поступово утворюється тонкий шар сполук літію, який заважає перебігу реакцій. І так ємність акумулятора зменшується. Чим інтенсивніше він заряджається і розряджається, тим товстішим стає це покриття. Іноді він може навіть виділяти так звані «дендрити» – уявіть собі сталактити зі сполук літію – які простягаються від анода до катода і, якщо вони досягають його, можуть спричинити коротке замикання та спалахнути акумулятор.
Кожен цикл заряджання та розряджання скорочує термін служби літій-іонної батареї. А ось модна останнім часом швидка зарядка трифазним струмом значно прискорює процес. Для смартфонів це не велика перешкода для виробників, в будь-якому випадку, вони хочуть змусити користувачів змінювати свої пристрої кожні два-три роки. Але автомобілі – це проблема.
Щоб переконати споживачів купувати електромобілі, виробники також повинні спокусити їх опціями швидкої зарядки. Але швидкі станції на зразок Ionity не підходять для повсякденного використання.
ВАРТІСТЬ АКУМУЛЯТОРА ЧЕРГОВОЇ ТРЕТІЙ і навіть більше, ніж вся ціна сьогоднішнього електромобіля. Щоб переконати своїх клієнтів, що вони не купують бомбу, що цокає, всі виробники надають окрему більш тривалу гарантію на акумулятори. У той же час, щоб зробити свої автомобілі привабливими для далеких поїздок, вони покладаються на швидше зарядку. Донедавна найшвидші зарядні станції працювали на 50 кіловат. Але новий Mercedes EQC можна заряджати до 110 кВт, Audi e-tron і до 150 кВт, як пропонують європейські зарядні станції Ionity, і Tesla готується підняти планку ще вище.
Ці виробники з півслова визнають, що звичайна швидка зарядка руйнує акумулятори. Такі станції, як Ionity, більше підходять для екстрених випадків, коли людина пройшов довгий шлях і у нього мало часу. В іншому випадку розумним підходом буде повільна зарядка акумулятора будинку.
Наскільки він заряджений і розряджений, також важливий для його тривалості життя. Тому більшість виробників не рекомендують заряджати вище 80% і нижче 20%. При такому підході літій-іонний акумулятор втрачає в середньому близько 2 відсотків своєї ємності в рік. Таким чином, він може прослужити 10 років або приблизно до 200 000 км, перш ніж його потужність впаде настільки, що він стане непридатним для використання в автомобілі.
Нарешті, звичайно, ТЕРМІН СЛУЖБИ АКУМУЛЯТОРА залежить від його унікального хімічного складу. У кожного виробника він різний, і в багатьох випадках він настільки новий, що навіть невідомо, як він буде старіти з часом. Деякі виробники вже обіцяють нове покоління акумуляторів яка відслужила вже «один мільйон миль» (1.6 мільйона кілометрів). Якщо вірити Ілону Маску, Tesla працює над одним з них. Китайська компанія CATL, що поставляє продукцію BMW і півдюжини інших компаній, пообіцяла, що її наступна батарея прослужить 16 років або 2 мільйони кілометрів. General Motors і корейська LG Chem також розробляють аналогічний проект. У кожної з цих компаній є свої технологічні рішення, які вона хоче випробувати в реальному житті. GM, наприклад, буде використовувати інноваційні матеріали для запобігання проникнення вологи в акумуляторні елементи, що є основною причиною утворення накипу літію на катоді. Технологія CATL додає алюміній до нікель-кобальт-марганцевих анода. Ця не тільки знижує потребу в кобальті, який в даний час є найдорожчим з цієї сировини, але також збільшує термін служби батареї. По крайней мере, так сподіваються китайські інженери. Потенційним клієнтам приємно дізнатися, чи працює ідея на практиці.
