Разработаны литий-серные аккумуляторные батареи с энергоемкостью 500 Вт∙ч/кг, выдерживающие до 1500 циклов заряд-разряд без существенной потери качества
Исследователи из Лоуренсовской национальной лаборатории ( Беркли,США) продемонстрировали образец литий-серного (Li / S) аккумулятора энергоемкость которого вдвое превышает показатель обычной литий-ионной батареи. Кроме того, обеспечивается сохранение приемлемой емкости при осуществлении 1 500 циклов зарядки-разрядки. Иными словами, срок жизни батареи превышает в несколько раз известные аналоги.
На сегодняшний день энергоемкость литий-ионных батарей составляет 200 Вт∙ч/кг, чего, в принципе, уже достаточно для дорогих решений, таких как, например, Tesla Model S. Этого хватит, чтобы проехать на одной заправке до 500 км, но масса и стоимость аккумулятора получаются такими, что цены на подобные машины начинаются от отметки $100 тыс. Естественно, рассуждать о массовости таких решений не приходится. В премиум-сегменте конкуренция имеет совершенно другие особенности, где на цену обращают внимание в последнюю очередь, поэтому продажи дорогих электромобилей, например в Калифорнии, уже превысили продажи отдельных престижных брендов, выпускающих классические бензиново-дизельные модели. Но замахнуться на массовость можно будет только тогда, когда энергоемкость аккумуляторов достигнет 350-400 Вт∙ч/кг. Но и это будет только первым шагом на пути ухода от элитарности. Уже сейчас этот рубеж преодолевают литий-воздушные батареи. Вторая, более важная проблема, - это живучесть. Стоимость аккумуляторной батареи примерно равна стоимости бюджетного автомобиля. Если просто умножить 500 циклов на 500 километров, получается ресурс на 250000 км. Но это в теории, на практике неполная зарядка-разрядка, зимняя эксплуатация и рекуперативное торможение снизят общий пробег еще на 20-30%. Соответственно вряд ли кто-то захочет покупать себе автомобиль, в котором аккумулятор, по такой цене, придется менять несколько раз за срок жизни автомобиля. Также не забываем про вес.
Даже у Tesla алюминиевый электромобиль большой дальности весит более двух тонн. Большой вес – большой расход энергии, 20 кВт∙ч на 100 км пробега считается рекордом экономичности для автомобилей с пробегом на 500 км на одной зарядке. Более компактные решения с пробегом на 160 км тратят меньше — около 12-15 кВт∙ч на 100 км. Если увеличить энергоемкость, то снизится вес, что повлечет повышение экономичности, что опять-таки позволит снизить требования к емкости аккумулятора и т.д… мечты мечтами, но очевидно, что эффективность эксплуатации очень сильно зависит от энергоемкости.
Группа ученых под руководством Элтона Кэйрнса (Elton Cairns) разработала аккумуляторную батарею с начальной емкостью выше 500 Вт∙ч/кг. Причем в качестве частичной замены лития использована сера. Сера безопаснее и дешевле лития, но имеются определенные технические проблемы: при сжатии и расширении материалов пластин при работе серные частицы с течением времени, изолируются от электродов, и нарушается процесс передачи запасенной энергии потребителю. Для решения этой проблемы использован связующий материал на основе бутадиен-стирольных каучуков (точнее — связующее на их основе), благодаря которому катод литий-серной батареи получил эластичность. Дополнительно применен новый состав поверхностно-активного вещества катода – серо-графеновый оксид (S-Go), а также в качестве электролита использована ионная жидкость, в которой не растворяются полисульфиды (из-за этого в литий-серных батареях происходило снижение качественных показателей). К тому же повышена безопасность аккумуляторов, так как ионная жидкость не горит и практически не испаряется, соответственно проблем с электролитом возникнуть не должно.
Деградация батареи составляет 0,039% на каждый цикл. Это лучший показатель живучести для литий-серных аккумуляторов! Через 1 500 циклов заряда-разряда емкость батареи снижается не менее чем до 300 Вт∙кг. Но даже в этом случае 200 килограммовая батарея позволит проехать не менее 500 километров. И по средним оценкам до этой отметки, в 1500 раз, надо проехать не мене 500 тыс. км. Выдержит ли это механика и сколько на это уйдет времени?
Коммерческие перспективы данной разработки навевают оптимизм на инвесторов. Нам же остается ждать того момента, когда электромобили станут доступными всем желающим, а не только богатым энтузиастам.
По материалам Лоуренсовской Национальной лаборатории (newscenter.lbl.gov).