Новые перспективы аккумуляторов

От жидких электродов до интеграции батарей в конструкцию автомобиля: новые разработки сулят новый виток в развитии электротранспорта 30 Июль 2015, 06:29
В последнее десятилетие в связи с ростом цен на нефть и повышением требований к экологии транспорта начал наращивать популярность электротранспорт. В немалой степени этому способствовало создание мощных и компактных аккумуляторов.

Многие государства приняли специальные программы по развитию электрического транспорта. Так, Германия и Корея планируют к 2020 году вывести на дороги миллион автомобилей нового типа; столько же, но уже к 2015 году, планирует Китай. А Индия объявила даже о 6–7 млн электромобилей к 2020 году. Производством продукции на электрической тяге занялись почти все крупнейшие автопроизводители, включая Nissan, Ford, Renault, BMW, Toyota, Mitsubishi Motors, General Motors, Volvo и др.
Без преувеличения можно сказать, что аккумуляторная батарея — главная часть современных электромобилей. Именно она определяет его конкурентоспособность по сравнению с традиционными на ДВС. Существующие батареи, используемые в современных электрических и гибридных транспортных средствах (как правило, литий-ионные), обладают несколькими существенными недостатками. Первый из них заключается в том, что лишь четверть объема аккумулятора занимают собственно вещества, генерирующие энергию.
Ячейка литий-ионных аккумуляторов представляет собой стопку электродов, выполненных на фольге, разделенных пропитанными электролитом сепараторами. Электроды соединены с токосъемниками. Вся конструкция помещена в герметичный корпус. Все эти несущие материалы: фольга, пленка сепаратора, корпуса, различные соединительные материалы, устройства контроля, система охлаждения — делают аккумуляторы громоздкими, составляя существенную часть стоимости. Аккумулятор большой мощности становится во всех смыслах неподъемным. Привычные для владельцев бензиновых автомобилей свинцово-кислотные аккумуляторы не применяются в электромобилях из-за еще большего веса, емкость же существующих ограничивает пробег большинства электрокаров в типичных городских условиях дистанцией в 80–100 км.
 
Nissan LEAF — популярный компактный электромобиль. Его «батарейка» весит около 300 кг, но конструкторы сумели использовать во благо и такой массивный блок: за счет низкого расположения аккумулятора устойчивость Nissan LEAF выше, чем у одноклассников.
Популярный электромобиль Nissan LEAF, дальность пробега которого в 2013 году доведена почти до 200 км, имеет вес литий-ионного аккумулятора около 300 кг, а у рекорд­смена по дальности (приближается к 500 км) среди доступных на рынке машин Tesla Model S он составляет порядка полутонны.
Вторым недостатком является недолговечность этих батарей (500–1000 циклов зарядки-разряда). Ее можно значительно увеличить, снижая зарядное напряжение, но это приведет к значительному увеличению времени зарядки. В целом срок службы таких батарей не более 5 лет, что, учитывая их стоимость, довольно мало.
Tesla Model S
Третьим недостатком как раз и является достаточно длительное время зарядки, особенно если долговечность батарей стоит на первом месте. В лучшем случае он длится около 15–30 минут, но может доходить до нескольких часов. Так, при использовании устройства для ускоренной зарядки аккумуляторных батарей можно зарядить аккумулятор Nissan LEAF на 80% примерно за 30 минут (этого достаточно для пробега в 150–160 км). Стандартное бортовое зарядное устройство заряжает батарею от 0 до 100% за 4 часа. Правда, выход может быть найден в простой замене аккумулятора на полностью заряженный. Такую процедуру продемонстрировали создатели Tesla Model S. Проведенная в автоматическом режиме, она заняла всего полторы минуты. Однако такое решение требует создания сети специализированных «заправок»/сервисных центров.
В качестве еще одного существенного недостатка можно отметить высокую стоимость батарей — порядка $500 за киловатт-час, что для мощных аккумуляторов емкостью около 24 кВт•ч выливается в €10–15 тыс. и сейчас составляет не менее четверти стоимости электромобиля, а в некоторых случаях может доходить до 50–70% от нее. Соответственно, цена упомянутых выше электромобилей Nissan LEAF — порядка $30 тыс., а на Tesla Model S она начинается с $62 тыс.

Аккумуляторы на жидких электродах

Попыткой решить проблемы традиционных аккумуляторов является разработка так называемых «поточных», или «проточных», батарей (flow battery). Принцип их работы основан на взаимодействии двух жидких «заряженных» электролитов, прогоняемых насосами через особую ячейку, где производится выработка электрического тока. Каждый электролит находится в своем баке, а при прохождении через ячейку они разделены мембраной-сепаратором, через которую проходят ионы, как и в обычном аккумуляторе. Поскольку эти электролиты играют роль положительного и отрицательного электродов, их часто так и называют — «жидкие электроды».
Преимущество проточных аккумуляторов заключается в отделении веществ, отвечающих за хранение энергии (электролитов), от устройства, в котором вырабатывается ток. Сколько бы в аккумуляторе ни содержалось электролита, узел, связанный с генерированием тока, будет только один. Это существенно уменьшает и вес, и стоимость такой батареи. Теоретически такие проточные батареи могут запасать огромное количество энергии — для этого надо просто увеличить емкость баков, в которых хранятся электролиты, до нужной величины. Очень важно, что перезарядка такого аккумулятора может осуществляться не только привычным подключением к источнику тока, но и простой заменой отработанного электролита на свежий. В этом случая перезарядка будет занимать несколько минут — примерно столько же, сколько тратится на заправку автомобиля бензином.
Tesla Model S — электромобиль класса «люкс» с огромным, по меркам автомобилей с электрическим приводом, пробегом:  до 426 км
Проточные аккумуляторы надежны, живучи и долговечны (более 10000 циклов зарядки-разряда). Благодаря конструкции и применяемым материалам они значительно дешевле литий-ионных в расчете на киловатт-час запасаемой энергии. Кроме того, эти батареи безопаснее, чем обычные. Раздельное хранение активных веществ и единственный генерирующий модуль позволяют предотвратить короткие замыкания и перегрев, которые могут, в частности, приводить к возгоранию литий-ионных батарей.
До недавнего времени проточные аккумуляторы были малопригодны для использования на автомобилях. Даже самая успешная из подобных «батареек» — ванадиевый редокс-аккумулятор (англ. redox от reduction-oxidation — окисление-восстановление, т. е. отдача и получение электронов) — имела при нужной емкости слишком большие размеры из-за использования разбавленных растворов электролитов. Дальше их ограниченного стационарного применения дело так и не шло. Да и стоимость ванадиевых батарей все же достаточно велика — даже для самых дешевых свыше $300 на кВт•ч емкости накопителя, в то время как, по оценкам Мин­энер­го США, для широкого распространения аккумуляторов цена должна упасть примерно до $100 за кВт•ч. Однако стоимость только ванадия, используемого в системе, составляет порядка $80 на кВт•ч, так что ожидать подобного удешевления не стоит.
В прошлом году группа Майкла Азиза (Michael J. Aziz) из Гарвардского университета (США) сумела заменить ванадий на хиноны — органические соединения, используемые в животном и растительном мире для переноса электронов и протонов в процессе дыхания. Их экспериментальный образец проточного аккумулятора содержит баки с водным раствором хинона и жидкого брома. При прохождении через генераторную ячейку каждая молекула хинона отдает по паре протонов и электронов, а из одной молекулы брома образуются две молекулы бромистого водорода. Для зарядки достаточно подвести к бромистому водороду электроны, и протоны от него переходят обратно к хинону. Сейчас Азиз работает над заменой вредного для человека брома на другую разновидность хинона (к тому же в случае утечки из аккумулятора бром может инициировать коррозионные процессы).
Хиноновая батарея получилась в десять раз меньше ванадиевой. Стоимость хинона всего $27 на 1 кВт•ч емкости накопителя (он почти идентичен хинону ревеня и распространен как в живой природе, так и в сырой нефти), поэтому можно ожидать, что при массовом производстве удастся уложиться в упомянутые $100 за 1 кВт•ч. Очень важно, что реакции в новом аккумуляторе протекают примерно в тысячу раз быстрее, чем в ванадиевом, что позволяет получать больший ток и заряжать такую батарею существенно быстрее.
Агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DAPRA) уже заказало прототип аккумулятора, дав ученым три года на доработку проекта.
В том же 2013 году исследователи Института окружающей среды, безопасности и энергетики (UMSICHT, Оберхаузен, Германия), входящего в Общество им. Фраунгофера, представили на Ганноверской выставке новый большой и эффективный проточный редокс-аккумулятор. Пакет размером в 0,5 м² давал мощность 25 кВт и ток до 500 А.
Робот Atlas, разработанный по заданию DARPA, нуждается в переходе от внешнего источника питания (сейчас к нему тянется силовой кабель) к автономному внутреннему. Возможно, вскоре такой источник появится: Агентство вкладывает средства в разработку инновационных аккумуляторов.
Однако эти две разработки больше ориентированы на применение в стационарных накопителях, поскольку для использования в автомобилях желательно добиться большей энергоемкости, чем это возможно на жидких электролитах.
Одно из решений проблемы было предложено в 2011 году учеными из Массачусетского технологического института (MIT, США), представляющими молодую фирму 24M Technologies (в 2010 году та выделилась из известной компании по производству литие­вых аккумуляторов A123 Systems). В своих экспериментах они использовали суспензию — смесь жидкого электролита с твердыми наночастицами LiCoO2 и углерода. Из-за последнего компонента активная жидкость выглядит черной. Свое изобретение они назвали «полутвердая проточная ячейка» (semi-solid flow cell, SSFC). Батарея SSFC, по мнению авторов, взяла лучшее от проточных батарей и от традиционных твердых аккумуляторов.
+

Комментарий...
Схема аккумулятора SSFC и вид использованной суспензии (фото: статья Mihai Duduta, Yet-Ming Chiang et al, „Advanced Energy Materials”)
Эксперименты показали, что генераторная ячейка SSFC работоспособна, а новая активная жидкость обладает достаточной текучестью. Частицы углерода, помимо транспорта электронов в растворе, стабилизируют в нем микрочастицы соединений лития, не давая им выпасть в осадок. И самое главное, оценки показывают, что после отработки технологии такой аккумулятор сможет вмещать на порядок больше энергии, чем прежние проточные. Стоимость опытных образцов на первом этапе составит $250 за кВт•ч, т. е. примерно в два раза дешевле существующих автомобильных аккумуляторов.
В феврале 2014 года появилась информация о разработке в Аргоннской национальной лаборатории и Иллинойском технологическом институте проточного аккумулятора, названного «перезаряжаемым топливом» (rechargeable fuel). Работа финансируется Агентством по перспективным исследовательским проектам в энергетике (ARPA-E) . Авторы держат детали изобретения в тайне до оформления всех патентов, но известно, что они также использовали суспензию с наночастицами. Причем, по их словам, им удалось достигнуть значительной концентрации этих частиц, обеспечивающей высокую энергоемкость. Несмотря на это, суспензия по-прежнему легко течет по трубкам благодаря особым свойствам частиц столь малых масштабов. Авторы также разработали новый способ получения электрического тока от частиц и надеются, что это позволит им увеличить проводимость. Оценки разработчиков показывают, что электромобиль с таким аккумулятором сможет проехать более 900 км.

Курсы постдипломного обучения ВМС США (Naval Postgraduate School): работы по исследованию SSFC проводит капитан Эндрю Джоханс (Andrew „Drew” Johannes)

Аккумуляторы как часть конструкции автомобиля

Еще одним перспективным способом уменьшить вес системы «автомобиль–аккумулятор» является использование корпуса последнего как составной части конструкции автомобиля. По этому пути пошли создатели самых популярных в настоящее время электромобилей Nissan LEAF и Tesla Model S. Помимо уменьшенного общего веса подобная конструкция обладает и другими положительными свойствами, в частности, по словам представителей фирмы Nissan, увеличенной структурной жесткостью конструкции кузова — на 40% по сравнению с обычным пятидверным хэтчбеком. Кроме того, такая компоновка позволяет увеличить полезное пространство салона. Несмотря на большой размер батареи, в Nissan LEAF достаточно места для пяти взрослых пассажиров, имеется и вместительный грузовой отсек.
Аккумуляторная батарея в Tesla Model S сделана плоской и является частью рамы, что обеспечивает дополнительную прочность конструкции (фото: gm-volt.com)
Другой подход предложила команда из 9 европейских компаний и институтов, возглавляемая Имперским колледжем Лондона. В конце 2013 года, после трех с половиной лет разработки, они объявили о разработке новой технологии — изготовлении аккумуляторных батарей, встроенных в корпусные панели автомобиля.
Новация заключается в замене стальных корпусных панелей (крыши, дверей, пола, капота) аналогичными, но из композитного материала, являющегося комбинацией углеродных волокон, стекловолокна и полимерной смолы. Этот «сэндвич» образует суперконденсатор, способный хранить достаточное количество энергии. Композитные панели легче исходных стальных деталей на 50%, но в то же время и более прочные. Полная замена всех указанных компонентов электромобиля на аналоги из нового материала уменьшит общий вес более чем на 15%.
Volvo S80
Единственный производитель автомобилей в этом проекте — Volvo Car Group — оценил технологию путем создания двух компонентов и их тестирования на гибридном варианте Volvo S80: это крышка багажника и водоотводящая крышка под капотом над двигательным отсеком. Испытания прошли успешно, причем, по данным Volvo, новые аккумуляторы заряжаются гораздо быстрее, чем обычные.
Правда, следует заметить, что встраивание аккумуляторов в кузовные панели — довольно дорогое удовольствие, так что прежде чем технология пойдет в массовое производство, необходимо найти пути ее удешевления. Да и в случае аварии ремонт такого автомобиля влетит хозяину в копеечку. Остаются вопросы и с обеспечением безопасности. Поврежденные при аварии аккумуляторные панели могут быть опасны как для пострадавших, так и для спасателей.
Кузовные панели автомобиля могут служить аккумуляторами электрической энергии
В целом возможность использования аккумуляторов в качестве части конструкции ограничивается применением легковоспламеняющихся электролитов и деталей. Но исследователи работают над созданием безопасных материалов. Важным вопросом остается и сохранение работоспособности аккумуляторов после небольших повреждений при аварии. Среди организаций, работающих над решением этих проблем, — уже упоминавшееся Агентство перспективных исследований в области энергетики (ARPA-E) Департамента энергетики США. Среди инвестиций Агентства — вложение $37 млн в проекты использования батарей в качестве конструкционных материалов и создания надежных, доступных систем аккумулирования энергии следующего поколения (программа RANGE).
Работы над проточными аккумуляторами с суспензией пока в начале своего пути. Еще не исследован вопрос об их долговечности, в первую очередь долговечности самих наночастиц. Не разработаны и технологии производства и перезарядки. Использование аккумуляторов в качестве элементов конструкции автомобилей также пока находится на начальном этапе исследований. Но если все эти вопросы удастся решить, то новые технологии приведут к настоящей революции в электротранспорте.