Как современные аккумуляторы превратят электромобиль в коммерческий проект

Аккумулятор — это устройство, преобразующее энергию химической реакции в энергию электрическую, необходимую для  совершения какой-либо полезной работы.

Сейчас, когда остро стоит вопрос о конечной исчерпаемости ископаемых источников энергии, развиваются солнечная, ветровая и многие другие виды альтернативной энергетики. В то же время существует проблема запасания и хранения сгенерированной энергии, чтобы иметь возможность в необходимый момент ее рационально использовать.

С другой стороны, перед обществом стоят вопросы, связанные с экологией. И существенное продвижение в решении экологических вопросов — это возможность перевода всего транспорта на движение с помощью электрической энергии.

В этом случае аккумуляторы и топливные элементы будут играть очень значимую роль.

Приблизительно в 2010 году была сделана оценка динамики роста инвестиций в эти направления, согласно которой ежегодный прирост инвестиций в область литий-ионных аккумуляторов должен составлять около 22% до 2019 года. Это говорит о том, что, с одной стороны, к стремительно развивающейся отрасли крайне внимательно относится бизнес, а с другой — не меньшее внимание ей уделяет наука. Существует огромное количество научных вопросов, которые требуют своего разрешения для того, чтобы создавать новые, более эффективные устройства для накопления энергии.

Основная научная идея для создания современных литий-ионных аккумуляторов вошла в оборот в 1980 году, когда Джон Гуденаф со своей командой опубликовал статью в журнале Materials Research Bulletin. В ней он показал, что в качестве катодного материала, одного из важных компонентов для литий-ионных аккумуляторов, может использоваться сложный оксид лития/кобальта LiCoO2. Использование такого материала для создания литий-ионных аккумуляторов позволило запасать намного больше энергии на единицу массы, чем в других известных к тому времени аккумуляторах (например, запас энергии на единицу массы широко известных свинец-кислотных аккумуляторов в 4-5 раз меньше, чем для литий-ионных систем).

В 1991 году компания Sony выпустила первый аккумулятор на основе материала, предложенного Джоном Гуденафом, и за последние двадцать лет произошел стремительный рост в тех отраслях, где используются литий-ионные аккумуляторы. В основном это касалось устройств портативной электроники — лэптопов, разнообразных смартфонов и телефонов. Этот сегмент рынка показывал устойчивый рост, но производство не могло двинуться в области, где требуются аккумуляторы для питания электромобилей, кораблей, подводных лодок, потому что материалы, на основе которых делались первые типы аккумуляторов, обладали невысокой устойчивостью.

Позднее, в 1997 году, команда Джона Гуденафа открыла новое соединение, которое могло бы применяться в литий-ионных аккумуляторах в качестве катодного материала. Это материал на основе литий-железо-фосфата, LiFePO4, который, в отличие от LiCoO2, не содержит ядовитых элементов и является безопасным. Однако он обладает очень низкой электронной проводимостью, что неприемлемо для электродного материала, да и ионы лития двигаются в нем не слишком быстро. Поэтому многие считали, что данный материал не представляет никакого коммерческого интереса.

Следующим шагом стало появление в 2005-2006 годах работ ученых из Массачусетского технологического института. Йет-Минг Чианг и его коллеги показали, что если немного видоизменить состав этого материала, перевести его в наноразмерное состояние и покрыть частички тонким слоем углеродсодержащего материала, то материал демонстрирует великолепные характеристики для работы в литий-ионных аккумуляторах и становится пригодным для широкого коммерческого использования.

Внедрение электромобилей, помимо решения экологических проблем, позволит принципиально повысить эффективность использования энергии.

Для сравнения: эффективность современных турбодизелей составляет около 40%, а общая эффективность передачи энергии от топливного бака к колесам — всего около 20%. Эффективность мотора электромобиля превышает 90%, а отсутствие необходимости в сложной трансмиссии делает и общую эффективность передачи энергии от аккумуляторных батарей к колесу близкой к 90%. Энергоэффективность электромобилей связана и с их экономической привлекательностью при эксплуатации.

Один из коммерчески доступных сейчас электромобилей на литиевых аккумуляторах Nissan Leaf по цене на милю пробега обходится в три раза дешевле современных автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (учитывая только стоимость бензина или электрической энергии). Nissan Leaf с 2010 года продается в США и с 2011 года — в Европе. Его аккумулятор весит 300 кг, энергозапас 24 киловатт-часа, мощность — 120 л. с., средний пробег на полной зарядке аккумулятора — 150 км, скорость — до 150 км/ч. От обычной розетки он заряжается 7 часов, от специальной станции — 30 минут. Он оснащен аккумуляторной батареей массой 300 кг, где в качестве катода используется LiMn2O4 (удельная энергия составляет 80 ватт-часов на килограмм). Если сейчас на смену этим аккумуляторам придут новые, с 200 ватт-часами на килограмм, то пробег для подобного электромобиля увеличится со 150 км до 400 км.

В настоящее время лидером среди электромобилей является Tesla, в котором используются катодные материалы другого типа на основе сложного оксида лития, никеля, кобальта и алюминия. Этот материал обладает большей удельной энергией в сравнении с LiMn2O4, что позволяет при увеличенной массе аккумуляторной батареи с энергозапасом 85 киловатт-часов обеспечить пробег электромобиля более 400 км. Интересно отметить, что этот электромобиль, по данным Consumer Reports, получил наивысший рейтинг среди авто/электромобилей в 2013 году.

Сейчас планы большей части автомобильных компаний таковы, что за гибридами первого и второго поколений они планируют в ближайшее время вывести на рынок полноценные электромобили. Кроме того, сейчас ученые активно работают над созданием материалов, которые обеспечат лучшие удельные энергетические характеристики аккумуляторов нового поколения. Они смогут использоваться не только в электротранспорте, но и в крупных стационарных накопителях, например резервных источниках питания.