Аккумуляторы для электромобилей: какими они будут в будущем?

Перевели для вас интересную публикацию о тенденциях в развитии батарей для электромобилей, которую сотрудники Бирмингемского университета старший преподаватель химии Симон Коттон и профессор химии материалов Питер Райманд Слэтер подготовили для издания The Conversation. Они в очень краткой и доступной форме объяснили, где мы находимся сейчас и над какими вариантами развития технологии работают ученые всего мира.

В большинстве электромобилей сегодня используются литий-ионные батареи, но у них есть ряд ограничений. Ученые и инженеры ищут решения, которые могли бы помочь ускорить переход автомобилей на электричество.

Литий-ионные батареи впервые были выведены на рынок компанией Sony в 1991 году и стали наиболее распространенными перезаряжаемыми батареями в транспортных средствах, а также в мобильных телефонах и ноутбуках. Они эффективны и имеют длительный срок службы — от 15 до 20 лет, что примерно в три раза больше, чем у традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов. Литий-ионные батареи накапливают больше энергии, а также намного легче, а это означает, что автомобиль, оснащенный такой батареей, потребляет меньше энергии для движения.

Батареи генерируют энергию, перемещая заряженные частицы, называемые ионами, вперед и назад между двумя электродами. Когда аккумулятор заряжен, ионы лития переходят от электрода из оксида металла к графитовому электроду. При разрадке для питания автомобиля, ионы лития уходят в другую сторону, заставляя электроны течь в подключенной электрической цепи.

Будущее аккумуляторов электромобилей

Чтобы удешевить литий-ионные батареи, ученые из Университета штата Пенсильвания в США изучают литий-железо-фосфатные батареи, в которых используются различные электродные элементы. Эта модель батареи намного дешевле и безопаснее, чем широко используемые литий-никель-марганцево-оксидно-оксидные батареи. Потенциально они смогут всего за 10 минут набирать достаточный заряд для обеспечения запаса хода автомобиля в 400 км.

Проблема увеличения запаса хода авто побуждает автопроизводителей разрабатывать батареи, в которых используется твердый компонент, разделяющий электроды, а не жидкий. Они более безопасны и могут обеспевичать запас хода более 500 км от одной зарядки.

Но у литиевых батарей есть проблема. Литий — относительно редкий элемент на Земле по сравнению с большинством обычных минералов. По мере роста спроса на аккумуляторы цена на литий резко вырастет. Это побудило геологов искать новые источники лития по всему миру. Но часто добыча на них оказывается довольно затратной. Например, добыча лития на солончаках в Чили требует большого количества воды, которой там не хватает. Кобальта также мало по сравнению с аналогичными металлами, такими как железо, а руды, из которых получают кобальт, сосредоточены в политически нестабильном регионе Конго в Африке.

Одним из решений может быть более эффективное использование того, что у нас уже есть. В 2017 году по всему миру было продано более миллиона электромобилей, и их число быстро растет. Ученые ищут решение по эффективной переработке лития в массовых масштабах. Есть мнение, что для этого могут использоваться бактерии.

В будущем будет важно разработать батареи, которые можно было бы легко разобрать, чтобы повторно использовать содержащиеся в них металлы. При этом не стоит забывать, что литий является очень реактивным металлом, что создает проблемы для работы с ним.

Потенциальные альтернативы литию существуют. Например, натрий — ионные аккумуляторы вызывают интерес у производителей электромобилей из-за их более низкой стоимости. Они работают так же, как литий-ионные батареи, но натрий тяжелее и хранит меньше энергии.

В более отдаленном будущем должны появиться мультивалентные батареи, в которых ион, который движется между электродами, имеет больший заряд, чем литий, и поэтому доставляет в цепь более одного электрона каждый. При разработке таких батарей ученые столкнулись с рядом серьезных проблем, но потенциально они могут обеспечить еще больший запас энергии.

Создание достаточного количества электромобилей по цене, дешевле, чем альтернативы, работающие на ископаемом топливе, является серьезной проблемой. Ученые, работающие в авангарде исследований аккумуляторов могут произвести революцию в развитии транспорта.

Оригинальный текст статьи на английском языке: Electric vehicle batteries: what will they look like in the future?