Защо вече всички не карат електрически автомобили? Тъй като батериите им са скъпи, първоначалната цена на електрическа кола е много по-висока от тази на подобен бензинов модел. И ако не шофирате много, спестяванията от бензин не компенсират високата покупна цена.

По същия начин настоящите батерии не осигуряват достатъчна енергийна плътност, която да се използва за търговски самолети. За да се случи това, се нуждаем от голям пробив в технологията на батериите. Въпреки че първата батерия е изобретена през 1799 г., дори след повече от два века задълбочени проучвания, учените все още не разбират много от това, което точно се случва в тези устройства. Но знаем, че основно три въпроса трябва да бъдат решени, за да могат батериите наистина да променят живота ни: производителност, енергия и безопасност.

Литиево-йонната батерия не е подходяща за устройства с всички размери
Всяка батерия има два електрода: катод и анод. Повечето аноди на литиево-йонните батерии са направени от графит, но катодите са направени от различни материали в зависимост от това за какво се използва батерията. На снимката можете да видите как различните катодни материали променят работата на различните видове батерии в шест размера.

направим

Проблемът с енергията
Що се отнася до батериите, е важно да се прави разлика между мощност и енергия. Мощността всъщност е скоростта, с която може да се освободи енергия. Батерията, която е достатъчно силна, за да позволи на самолет да излети и да го задържи във въздуха на разстояние 1000 км, трябва да има много енергия и да може да го освободи за много кратко време, особено по време на излитане. Решаването на проблема с енергията изисква да разгледаме по-отблизо търговските батерии. Новите технологии на батериите често предизвикват преувеличена суматоха, защото повечето хора не знаят за подробностите.

Най-модерната химическа батерия днес е литиево-йонна. Повечето експерти са съгласни, че никоя друга химическа батерия няма да я измести за още десет години. Литиево-йонната батерия има два електрода (катод и анод) със сепаратор (материал, който провежда йони, но не и електрони, който е предназначен за предотвратяване на късо съединение), между тях е електролит (обикновено течен), който позволява на литиевите йони да текат обратно между електродите. Докато батерията се зарежда, йоните се преместват от катод към анод; когато нещо се захранва от батерия, йоните се движат в обратна посока.

Представете си два нарязани хляба, всеки с електрод: левият е катод, а десният е анод. Да предположим, че катодът се състои от никел, манган и кобалт (NMC), а анодът е направен от графит, които по същество са слоеве от въглеродни атоми. В разредено състояние (след изчерпване на енергията), NMC хлябът има литиеви йони, вмъкнати между всеки резен. Когато батерията се зареди, всички литиеви йони се изтеглят от лопатките и се принуждават да преминат през течния електролит. Сепараторът действа като контролна точка, която гарантира, че само литиеви йони преминават в графитната питка.

Когато батерията е напълно заредена, върху катодния хляб на батерията няма литиеви йони; всичко ще бъде елегантно поставено между резените графитен хляб. Когато се изразходва батерията, литиевите йони се връщат към катода. Капацитетът на батерията се определя основно от това колко бързо протича този процес. Е, не е толкова лесно да се увеличи скоростта му. Бързото изчерпване на литиевите йони от катодния хляб може да доведе до дефектиране на вафли и в крайна сметка да се разпадне. Това е една от причините, поради които батерията се разгражда след продължителна употреба на смартфон, лаптоп или електрическа кола. Всяко зареждане и разреждане ще накара питката да отслабне малко.

Различни компании работят за решаването на проблема. Едната идея е да замените слоестите електроди с нещо структурно по-силно. Например, швейцарската компания Leclanché работи по технология, която използва литиев железен фосфат, който има "оливинова" структура, като катод и титанов литиев оксид, който има "шпинелна" структура като свой анод. Тези структури са по-добри в манипулирането на потока на литиеви йони. Понастоящем Leclanché използва своите акумулаторни клетки в автономни мотокари, които могат да бъдат заредени на 100% за девет минути. За сравнение, най-добрият компресор може да зарежда електрическа кола на Tesla за 50 минути до 50%.

Както показва примерът на Leclanché, химикалите на батериите могат да се възпроизвеждат, за да се увеличи тяхната производителност. Въпреки това все още никой не е създал батерия, която да е достатъчно мощна, за да доставя бързо енергията, необходима за търговски самолет. Стартъпите се опитват да построят по-малки самолети (с капацитет до 12 души), които биха могли да летят на батерии с относително по-ниска мощност, или да работят на електрически хибридни самолети, където горивото ще върши тежката работа по време на излитане и батериите ще служат по време на Полетът. Нито една компания обаче не е близо да комерсиализира технологията си.

Електрическият автомобил Tesla Model 3, най-достъпният автомобил на компанията, започва от 35 000 долара. Съдържа 50 кВтч батерия, която струва приблизително $ 8 750, което е 25% от цената на автомобила. В същото време вече може да се счита за ниска цена. Според Bloomberg средната глобална цена на литиево-йонните батерии през 2018 г. е била около 175 долара за kWh, но през 2010 г. е била почти 1200 долара за kWh. Според американското министерство на енергетиката, когато цената на батериите падне под 125 долара за кВтч, притежаването и експлоатацията на електрическо превозно средство ще бъде по-евтино от бензиновата кола.

Един от начините да се постигне това е да се увеличи енергийната плътност на батериите - така че повече кВтч да се опаковат в батерията, без да се намалява цената. В случай на химическа батерия, това теоретично може да бъде постигнато чрез увеличаване на енергийната плътност или на катода, или на анода, или и на двете. Най-енергийният катод, водещ до търговска наличност, е NMC 811 (цифрите показват съотношението на никел, манган и кобалт в сместа). Най-големият му проблем е, че може да издържи само относително малък брой цикли на зареждане и разреждане, преди да спре да работи.

Експертите обаче прогнозират, че проблемите на NMC 811 трябва да бъдат решени през следващите пет години. Когато това се случи, батериите, използващи NMC 811, ще имат по-висока енергийна плътност с 10% или повече. Увеличението с 10% обаче не е толкова голям успех. Въпреки че иновациите повишиха енергийната плътност на катодите през последните няколко десетилетия, най-големият потенциал за увеличаване на енергийната плътност е от страна на анода. Графитът остава доминиращ аноден материал. Той е евтин, надежден и относително енергийно плътен в сравнение с настоящите катодни материали. Но той е доста слаб в сравнение с други потенциални анодни материали като силиций и литий. Например, теоретично силицият много по-добре абсорбира литиеви йони от графита. Ето защо някои компании се опитват да добавят силиций към дизайна на анода за графит.

По-голям напредък би бил разработването на търговски жизнеспособен анод, направен изцяло от силиций. Но някои характеристики на този елемент го правят трудно. Когато графитът абсорбира литиеви йони, неговият обем не се променя много. Но когато силициевият анод го направи, той нараства до четири пъти първоначалния си обем. За съжаление не е възможно да се увеличи корпусът, за да се побере такова увеличение на обема, тъй като разширяването нарушава т.нар. твърда електролитна интерфаза (SEI). SEI може да си представим като един вид защитен слой, който анодът създава, точно както желязото образува ръжда (железен оксид), за да се предпази от елементите. Когато оставите парче ново ковано желязо навън, то бавно реагира с кислород във въздуха, за да ръждяса. Под слоя ръжда останалата част от желязото не страда и по този начин запазва своята структурна цялост.

В края на първото зареждане на батерията електродът образува собствен слой от „ръжда“ - SEI - отделящ неерозиралата част на електрода от електролита. SEI ще спре по-нататъшните химични реакции и ще гарантира, че литиевите йони могат да текат възможно най-гладко. Но със силициев анод, SEI се разпада всеки път, когато батерията се използва за захранване на нещо. По време на всеки цикъл на зареждане се изразходва малко силиций, докато накрая батерията спре да работи. През последните години няколко стартиращи компании от Силициевата долина работят по решаването на този проблем. Например Force Nano иска да капсулира силициевите атоми в наномащаб с празно пространство вътре. По този начин SEI се формира от външната страна на обвивката и разширяването на силициевите атоми става вътре, без да се нарушава SEI след всеки цикъл на зареждане и разреждане. Компанията казва, че нейната технология ще бъде готова да захранва оборудването още през 2020 г.

Enovix от своя страна прилага специална производствена техника, която упражнява огромен физически натиск върху силициевия анод, принуждавайки го да абсорбира по-малко литиеви йони, ограничавайки разширяването му и предотвратявайки разрушаването на SEI. Компанията, в която инвестираха както Intel, така и Qualcomm, очаква батериите й да се появят в устройствата до 2020 г. Подобни компромиси обаче означават, че силициевият анод не може да достигне теоретичната си висока енергийна плътност. И двете компании твърдят, че техните аноди работят по-добре от графитния анод.

Поставянето на все повече енергия в батериите обаче може да бъде в ущърб на тяхната безопасност. От своето изобретение е известно, че литиево-йонната батерия често се запалва. От близкото минало знаем експлозиите на литиево-йонни батерии на смартфоните Samsung Galaxy Note 7 в джобовете на хората. Това доведе до изтеглянето на смартфона от пазара, което струва на южнокорейската компания 5,3 милиарда долара.

Днешните литиево-йонни батерии са все още рискови, защото почти винаги използват запалими течности като електролит. Решението може да бъде използването на твърди електролити. Това обаче означава други компромиси. Това е така, защото течният електролит е в контакт с всяка част от електродите, което го прави в състояние ефективно да прехвърля йони. При твърдите вещества това е много по-трудно да се постигне. Досега търговската употреба на литиево-йонни батерии с твърди електролити беше ограничена до приложения, изискващи ниска производителност, като например сензори, свързани към интернет.

Усилията за създаване на батерия без течен електролит могат да бъдат разделени на две групи - едната използва твърди полимери при високи температури, а другата керамика при стайна температура. Полимерите са дълги вериги от свързани молекули. При нагряване някои видове полимери се държат като течности (имат висока йонна проводимост), но без запалимостта на течните електролити, използвани в повечето батерии. Но те също имат ограничения. Те могат да работят само при температури над 105 ° C, което означава, че практически не могат да се използват за смартфони. Те обаче могат да се използват, например, за съхраняване на мрежова енергия в битови батерии.

През последното десетилетие е доказано, че два класа керамика - LLZO (литий, лантан и цирконий) и LGPS (литий, германий, фосфорен сулфид) - изпълняват йоните почти толкова добре, колкото течността при стайна температура. Toyota и стартиращият QuantumScape работят за внедряване на керамика в литиево-йонни батерии. Участието на големи играчи може да означава, че пробивът може да е по-близо, отколкото мнозина мислят. Батериите вече са голям бизнес и пазарът им непрекъснато расте. Включени са много пари, което привлича много предприемачи с повече идеи.

Стартирането на батерии обаче е още по-труден залог от софтуерните компании, за които е известно, че имат висок процент на откази. Всъщност беше установено, че ако химиците се стремят да подобрят едно свойство (например енергийна плътност), те трябва да направят компромис в друга област (например безопасност). Това балансиране води до бавен напредък и пълен с проблеми. Е, като се има предвид, че напр. Днес в САЩ има три пъти повече учени за батериите, отколкото преди 10 години, шансовете за успех се увеличават. Потенциалът на батериите е огромен, но предвид предизвикателствата, пред които сме изправени, всяко твърдение за нови пробивни батерии с правилната доза скептицизъм трябва да бъде взето.