Движимая автомобильной промышленностью и более строгими требованиями к углекислым газам (CO2) и выбросам твердых частиц, в последние годы в Германии быстро растет активность в области электрической мобильности. Интерес к ней привел к тому, что уже сейчас появились немецкие электромобили, подходящие для повседневного использования, которые приносят много удовольствия от вождения и чистую (экологическую) совесть для все еще обозримого круга пользователей.
Для современных электромобилей необходимы эффективное, надежные и дешевые системы хранения электроэнергии с высокой плотностью энергии. Пока что здесь как в краткосрочной, так и в среднесрочной перспективе явным фаворитом являются литий-ионные аккумуляторные батареи.
В классической литий-ионной батарее смешанные оксиды используются в качестве материала катода и графит в качестве материала анода. В качестве электролита использует органический растворитель с проводящей солью. Между катодом и анодом в конструкции аккумуляторной батареи помещается так называемый сепаратор, который пропитывается электролитом и в то же время электрически разделяет два электрода. Внутренний механизм литий-ионной ячейки также обозначают как механизм качающегося кресла. Это связано с тем, что ионы лития в геометрических структурах катодных материалов и графитовый анод во время зарядки и разрядки и хранения сопровождаются движущей силой внешней электрической цепи. Это приводит к высокой стабильности в течение нескольких сотен циклов зарядки и разрядки. В ближайшие годы на рынке появятся улучшенные литий-ионные батареи. Теоретические оценки, однако, предполагают, что литий-ионная технология скоро достигнет своих пределов с точки зрения плотности энергии.
Энергия батареи зависит от напряжения и емкости используемых материалов. Чем выше напряжение между анодом и катодным материалом, тем выше энергия, которой можно достичь. При использовании стандартного графита был достигнут определенный предел емкости, так как нельзя сохранить неограниченное количество ионов лития. Чистый литий-металл был бы слишком громоздким с точки зрения веса и емкости в качестве бесконечного источника лития, так как есть известные проблемы образования дендритов, то есть образование металлической проволоки при повторном осаждении лития, который не залегает так, как это происходит в слоистой графитовой структуре. Поэтому идет поиск более надежных альтернатив, помимо графита.
Интерес к кремнию
Интересным кандидатом в качестве будущего анодного материала является кремний, который может включать в себя больше ионов лития, чем графит, и, таким образом, обеспечивать более высокую емкость. Проблема заключается в том, что кремний во время зарядки многократно расширяется, так что при использовании чистых кремниевых анодов невозможно создать стабильные толстопленочные электроды. Они просто лопнут. Поэтому с графитовым анодом смешивается лишь несколько процентов кремния; за счет этого емкость и энергия увеличиваются.
Другая проблема заключается в быстрой зарядке батарей для электромобилей. Графит не является подходящим материалом для быстрой зарядки. Скорость отложения ионов лития ограничена определенными структурами и процессами транспортировки их внутри ячейки или на границе раздела между электродом и электролитом. Быстрая зарядка создает более высокий уровень старения внутри ячейки и повышает риск безопасности за счет внутренних коротких замыканий. Для быстрой зарядки представляют интерес материалы на основе оксида титана. С одной стороны, они позволяют быстро откладывать ионы лития, с другой стороны, их плотность энергии меньше по сравнению с анодами из графита. Вопрос заключается в том, может ли способность к быстрой зарядке стать альтернативой увеличению дистанции пробега. Строительство сплошной инфраструктуры зарядных станций, на которых можно было бы быстро зарядить электромобиль, могло бы стать альтернативой длительному времени зарядки.
Потребность в электротранспортных средствах с дальним пробегом ориентируется на оценку, высказываемую большинством пользователей. Может быть новое поведение в рамках электромобильности может способствовать тому, что эта серьезная проблема станет технологически и экологически устаревшей — или же для ее решения понадобятся другие технологии. При этом популярны литий-серная и литий-кислородная технологии, которые обещают высокую дальность пробега за счет своей высокой гравиметрической плотности энергии. Технические проблемы в конструкции ячеек, а также в проектировании всей системы соотносятся с первоначальными ожиданиями в отношении плотности энергии на уровне системы. Многие ответы на вопросы можно найти при этом в фундаментальных исследованиях, касающихся природы продуктов разряда и влияния побочных реакций.
Уменьшение размеров ячейки
Еще одним аспектом является уменьшение размеров ячеек и связанное с этим увеличение объемной и гравиметрической плотности энергии. Пространство в автомобиле всегда играет большую роль. Уменьшить размеры можно, например, решить за счет использования твердотельных электролитов. Это литий-ионная технология, в которой не используется легковоспламеняющийся жидкий электролит. В твердотельных аккумуляторах ионно-проводящие твердые вещества заменяют жидкий, гелеобразный и горючий электролит и тем самым повышают эксплуатационную надежность при одновременном увеличении количества циклов. Кроме того, за счет отказа от необходимых сепараторов, а также за счет высокой электрохимической стабильности электролитов, плотность энергии повышается, и тем самым достигаются более компактные размеры ячеек. Кроме того, возможно использование литий-металлических анодов. Таким образом, критический для образования коротких замыканий внутри ячейки рост дендритов механически подавляется твердым электролитом.
Автомобильная промышленность заявляет, что в течение следующих пяти-десяти лет появятся электромобили, оснащенные так называемыми твердотельными батареями. Поставщики автомобилей смотрят в сторону производства ячеек, при чем основное внимание сосредотачивается на твердотельных технологиях. Для этого требуется разработка совершенно новых технологий производства и нового оборудования, которые должны сначала устояться.
Кроме того, новые технологии также способствовать резкому снижению цен на литий-ионные ячейки. Вопреки ожиданиям, здесь остановились на том участке пути, где речь уже не идет о чисто технологических преимуществах, а больше о затратах и прибыльности. Еще один аспект, который все более и более выходит вперед — это зависимость от сырья и его нехватка для литий-ионных технологий. Экологический аспект и возможность повторного использования дорогостоящих, редких и критических для здоровья материалах также становится все более и более актуальным. Все более важным становится оценка жизненного цикла. Кроме того, важны экономические соображения, касающиеся повторного или дальнейшего использования батарей (вторая жизнь / повторное использование). У дорогостоящих материалов, из которых состоит аккумуляторная батарея, даже после окончания жизни в автомобиле все еще остается около 80% остаточной емкости. Эти системы хранения электроэнергии все же пригодны для использования, но их необходимо перезаряжать чаще, чем вначале, при таком же применении. Утилизация этой остаточной емкости и отказ от дальнейшего использования не имеет ни экономического, ни экологического смысла.
Поэтому ближайшее будущее систем хранения электроэнергии для электромобильности будет опираться, безусловно, на литий-ионную технологию с оптимизированными материалами. Будущие концепции электромобильности и энергетики, учитывая инфраструктуру зарядки и возобновляемые источники энергии, еще раз значительно изменят требования, предъявляемые к будущим системам хранения электроэнергии. Поэтому другие технологии, безусловно, будут играть также определенную роль.
Источник: https://www.erneuerbareenergien.de/neue-materialien/150/3882/106515/