De ce nu mai conduce toată lumea mașini electrice? Deoarece bateriile lor sunt scumpe, costul inițial al unei mașini electrice este mult mai mare decât cel al unui model similar pe benzină. Și dacă nu conduceți mult, economiile pe benzină nu compensează prețul ridicat de achiziție.

În mod similar, bateriile actuale nu furnizează suficientă densitate de energie pentru a fi utilizate pentru aeronavele comerciale. Pentru ca acest lucru să se întâmple, avem nevoie de o descoperire majoră în tehnologia bateriilor. Deși prima baterie a fost inventată în 1799, chiar și după mai bine de două secole de studiu aprofundat, oamenii de știință încă nu înțeleg prea multe din ceea ce se întâmplă exact în aceste dispozitive. Dar știm că practic trebuie rezolvate trei probleme pentru ca bateriile să ne schimbe cu adevărat viața: performanța, energia și siguranța.

Bateria litiu-ion nu este potrivită pentru dispozitive de toate dimensiunile
Fiecare baterie are doi electrozi: un catod și un anod. Majoritatea anodilor bateriilor litiu-ion sunt fabricate din grafit, dar catodii sunt confecționați din materiale diferite, în funcție de utilizarea bateriei. În imagine puteți vedea cum diferite materiale cu catod schimbă performanța diferitelor tipuri de baterii în șase dimensiuni.

nouă

Problema energiei
Când vine vorba de baterii, este important să se facă distincția între putere și energie. Puterea este de fapt viteza cu care energia poate fi eliberată. O baterie suficient de puternică pentru a permite unei aeronave să decoleze și să o mențină în aer la o distanță de 1000 km trebuie să aibă multă energie și trebuie să o poată elibera într-un timp foarte scurt, în special în timpul decolării. Rezolvarea problemei energiei necesită o analiză mai atentă a bateriilor comerciale. Noile tehnologii ale bateriilor provoacă adesea o agitație exagerată, deoarece majoritatea oamenilor nu știu detaliile.

Cea mai avansată baterie chimică de astăzi este litiu-ion. Majoritatea experților sunt de acord că nicio altă baterie chimică nu o va înlocui timp de încă zece ani. Bateria litiu-ion are doi electrozi (catod și anod) cu separator (un material care conduce ioni, dar nu electroni, care este conceput pentru a preveni scurtcircuitele), între aceștia se află un electrolit (de obicei lichid) pentru a permite curgerea ionilor de litiu înapoi între electrozi. Pe măsură ce bateria se încarcă, ionii se deplasează de la catod la anod; când ceva este alimentat de o baterie, ionii se mișcă în direcția opusă.

Imaginați-vă două felii de pâine feliate, fiecare cu un electrod: stânga este un catod și dreapta este un anod. Să presupunem că catodul este format din napolitane de nichel, mangan și cobalt (NMC), iar anodul este format din grafit, care sunt în esență straturi de atomi de carbon. În starea descărcată (după epuizarea energiei), pâinea NMC are ioni de litiu introduși între fiecare felie. Când bateria este încărcată, toți ionii de litiu sunt scoși din lame și forțați să treacă prin electrolitul lichid. Separatorul acționează ca un punct de control care asigură că numai ionii de litiu trec în pâinea de grafit.

Când bateria este complet încărcată, nu există ioni de litiu pe pâinea catodică a bateriei; toate vor fi așezate elegant între feliile de pâine din grafit. Când se consumă energia bateriei, ionii de litiu revin la catod. Capacitatea bateriei este determinată în esență de cât de repede are loc acest proces. Ei bine, nu este atât de ușor să-i mărești viteza. Epuizarea rapidă a ionilor de litiu din pâinea catodică poate provoca defectarea napolitelor și, în cele din urmă, dezintegrarea. Acesta este unul dintre motivele pentru care bateria se degradează după utilizarea prelungită a unui smartphone, laptop sau mașină electrică. Fiecare încărcare și descărcare va determina slăbirea puțin a pâinii.

Diferite companii lucrează pentru a rezolva problema. O idee este de a înlocui electrozii stratificați cu ceva mai puternic din punct de vedere structural. De exemplu, compania elvețiană Leclanché lucrează la o tehnologie care folosește fosfat de litiu-fier, care are o structură „olivină”, ca catod și oxid de litiu de titan, care are o structură „spinel”, ca anod. Aceste structuri sunt mai bune la manipularea fluxului de ioni de litiu. Leclanché își folosește în prezent celulele bateriei în camioane cu stivuitor autonome, care pot fi încărcate 100% în nouă minute. Prin comparație, cel mai bun supraîncărcător poate încărca o mașină electrică Tesla în 50 de minute până la 50%.

Așa cum arată exemplul Leclanché, produsele chimice ale bateriei pot fi jucate pentru a le crește performanța. Cu toate acestea, nimeni nu a creat încă o baterie suficient de puternică pentru a furniza rapid energia necesară unui avion comercial. Startup-urile încearcă să construiască aeronave mai mici (cu o capacitate de până la 12 persoane) care ar putea zbura pe baterii cu putere relativ mai mică sau să funcționeze pe aeronave electrice hibride, unde combustibilul va face munca grea în timpul decolării și bateriile vor servi în timpul zborul. Cu toate acestea, nicio companie nu este aproape de comercializarea tehnologiei sale.

Mașina electrică Tesla Model 3, cel mai accesibil vehicul al companiei, pleacă de la 35.000 de dolari. Acesta conține o baterie de 50 kWh, care costă aproximativ 8.750 USD, ceea ce reprezintă 25% din prețul vehiculului. În același timp, poate fi deja considerat un preț scăzut. Potrivit Bloomberg, costul mediu global al bateriilor litiu-ion în 2018 a fost de aproximativ 175 USD pe kWh, dar în 2010 a fost de aproape 1.200 USD pe kWh. Potrivit Departamentului Energiei din SUA, atunci când costurile bateriei scad sub 125 USD pe kWh, deținerea și utilizarea unui vehicul electric vor fi mai ieftine decât o mașină pe benzină.

O modalitate de a realiza acest lucru este de a crește densitatea de energie a bateriilor - astfel încât să fie ambalate mai mulți kWh în acumulator fără a reduce prețul. În cazul unei baterii chimice, acest lucru poate fi realizat teoretic prin creșterea densității energetice a catodului sau a anodului sau a ambelor. Cel mai dens catod energetic care duce la disponibilitatea comercială este NMC 811 (numerele indică raportul dintre nichel, mangan și cobalt din amestec). Cea mai mare problemă a sa este că poate rezista doar la un număr relativ mic de cicluri de încărcare și descărcare înainte de a înceta să funcționeze.

Cu toate acestea, experții prezic că problemele NMC 811 ar trebui rezolvate în următorii cinci ani. Când se întâmplă acest lucru, bateriile care utilizează NMC 811 vor avea o densitate de energie mai mare cu 10% sau mai mult. Cu toate acestea, o creștere de 10% nu este un succes atât de mare. Deși inovațiile au sporit densitatea de energie a catodilor în ultimele decenii, cel mai mare potențial pentru creșterea densității de energie este pe partea anodică. Grafitul rămâne materialul anodic dominant. Este ieftin, fiabil și relativ dens din punct de vedere energetic în comparație cu materialele catodice actuale. Dar este destul de slab în comparație cu alte materiale potențiale anodice, cum ar fi siliciu și litiu. De exemplu, siliciul este teoretic mult mai bun la absorbția ionilor de litiu decât grafitul. Prin urmare, unele companii încearcă să adauge siliciu la designul anodului pentru grafit.

Un avans mai mare ar fi dezvoltarea unui anod viabil din punct de vedere comercial, realizat în întregime din siliciu. Dar unele caracteristici ale acestui element îl îngreunează. Când grafitul absoarbe ionii de litiu, volumul său nu se schimbă prea mult. Dar când un anod de siliciu crește, acesta crește de patru ori volumul său inițial. Din păcate, nu este posibil să măriți carcasa pentru a permite o astfel de creștere a volumului, deoarece extinderea perturbă așa-numita interfază electrolitică solidă (SEI). SEI poate fi imaginat ca un fel de strat protector pe care îl creează anodul, la fel cum fierul formează rugină (oxid de fier) ​​pentru a se proteja de elemente. Când lăsați o bucată de fier forjat nou afară, acesta reacționează încet cu oxigenul din aer la rugină. Sub stratul de rugină, restul fierului nu suferă și astfel își păstrează integritatea structurală.

La sfârșitul primei încărcări a bateriei, electrodul își formează propriul strat de "rugină" - SEI - separând partea neeroasă a electrodului de electrolit. SEI va opri reacțiile chimice suplimentare și se va asigura că ionii de litiu pot curge cât mai lin posibil. Dar, cu un anod de siliciu, SEI se descompune de fiecare dată când bateria este utilizată pentru a alimenta ceva. În timpul fiecărui ciclu de încărcare, se consumă puțin siliciu, până când bateria încetează să mai funcționeze. În ultimii ani, mai multe start-up-uri din Silicon Valley au lucrat pentru a aborda această problemă. De exemplu, Silo Nano vrea să încapsuleze atomii de siliciu într-o nanoscală cu spațiu gol în interior. Astfel, SEI se formează în exteriorul învelișului și expansiunea atomilor de siliciu are loc în interior fără a perturba SEI după fiecare ciclu de încărcare și descărcare. Compania spune că tehnologia sa va fi pregătită pentru alimentarea echipamentelor încă din 2020.

La rândul său, Enovix aplică o tehnică specială de fabricație care exercită o presiune fizică enormă asupra anodului de siliciu, forțându-l să absoarbă mai puțini ioni de litiu, limitând expansiunea acestuia și prevenind perturbarea SEI. Compania, în care au investit atât Intel, cât și Qualcomm, se așteaptă ca bateriile sale să apară pe dispozitive până în 2020. Cu toate acestea, astfel de compromisuri înseamnă că anodul de siliciu nu poate atinge densitatea sa teoretică ridicată de energie. Dar ambele companii susțin că anodii lor funcționează mai bine decât un anod de grafit.

Cu toate acestea, a pune din ce în ce mai multă energie în baterii poate fi în detrimentul siguranței acestora. De la invenția sa, se știe că bateria litiu-ion se aprinde frecvent. Din trecutul recent, cunoaștem exploziile bateriilor Li-ion ale smartphone-urilor Samsung Galaxy Note 7 în buzunarele oamenilor. Acest lucru a dus la retragerea smartphone-ului de pe piață, care a costat compania sud-coreeană 5,3 miliarde de dolari.

Bateriile litiu-ion de astăzi sunt încă riscante, deoarece folosesc aproape întotdeauna lichide inflamabile ca electrolit. Soluția ar putea fi utilizarea de electroliți solizi. Cu toate acestea, aceasta înseamnă alte compromisuri. Acest lucru se datorează faptului că electrolitul lichid este în contact cu fiecare bucată de electrozi, făcându-l capabil să transfere eficient ioni. Cu solidele, acest lucru este mult mai dificil de realizat. Până în prezent, utilizarea comercială a bateriilor litiu-ion cu electroliți solizi a fost limitată la aplicații care necesită performanțe scăzute, cum ar fi senzorii conectați la Internet.

Eforturile de a crea o baterie fără un electrolit lichid pot fi împărțite în două grupuri - unul folosește polimeri solizi la temperaturi ridicate, celălalt ceramică la temperatura camerei. Polimerii sunt lanțuri lungi de molecule legate. Când sunt încălzite, unele tipuri de polimeri se comportă ca lichide (au o conductivitate ionică ridicată), dar fără inflamabilitatea electroliților lichizi utilizați în majoritatea bateriilor. Dar au și limitări. Acestea pot funcționa doar la temperaturi peste 105 ° C, ceea ce înseamnă că practic nu pot fi utilizate pentru smartphone-uri. Cu toate acestea, ele pot fi utilizate, de exemplu, pentru a stoca energia rețelei în bateriile casnice.

În ultimul deceniu, două clase de ceramică - LLZO (litiu, lantan și zirconiu) și LGPS (litiu, germaniu, sulfură de fosfor) - s-au dovedit a produce ioni aproape la fel de bine ca lichidul la temperatura camerei. Toyota și startup-ul QuantumScape lucrează la implementarea ceramicii în baterii litiu-ion. Implicarea marilor jucători poate indica faptul că descoperirea poate fi mai aproape decât cred mulți. Bateriile sunt deja o afacere mare, iar piața lor este în continuă creștere. Sunt mulți bani implicați, ceea ce atrage mulți antreprenori cu mai multe idei.

Cu toate acestea, pornirea bateriei este un pariu și mai dificil decât companiile de software, despre care se știe că au o rată mare de eșec. Într-adevăr, s-a constatat că, dacă chimiștii încearcă să îmbunătățească o proprietate (de exemplu, densitatea energiei), aceștia trebuie să facă compromisuri în alt domeniu (de exemplu, siguranța). Acest echilibru face ca progresul să fie lent și plin de probleme. Ei bine, având în vedere că de ex. Există de trei ori mai mulți oameni de știință în domeniul bateriilor în SUA astăzi decât acum 10 ani, șansele de succes cresc. Potențialul bateriilor este imens, dar având în vedere provocările cu care ne confruntăm, trebuie luate toate afirmațiile cu privire la bateriile noi descoperite cu doza corectă de scepticism.