В прошлом году, компания A123 Systems объявила о создании дешевой батареи, которая удвоит дальность хода электромобилей. В свежем выпуске Advanced Energy Materials специалисты компании раскрывают подробности новой технологии и рапортуют о том, что все недостатки, мешавшие выходу батареи на рынок, скоро будут устранены.

Самая большая проблема современных литий-ионных батарей – это низкая эффективность, связанная в первую очередь с тем, что материалы, хранящие энергию, занимают только 25% объема аккумулятора. Остальные 75% приходятся на инертные материалы: корпус, проводящие пленки, клей и т.д. Из-за этого современные батареи слишком громоздкие и дорогостоящие.

Новая технология предполагает значительное сокращение «бесполезных» материалов в конструкции аккумулятора. По расчетам экспертов, новые батареи будут иметь плотность энергии, в два раза превышающую самые лучшие показатели современных литий-ионных аккумуляторов.

Таким образом при неизменной дальности хода электромобиля его аккумулятор будет легче, а при той же массе – значительно увеличится запас хода. Если удастся запустить новую батарею в серию, то пробег компактных электромобилей (которые не могут оснащаться большой тяжелой батареей) в среднем возрастет с 150 км до 300 км на одной зарядке.

При этом новые батареи будут наполовину дешевле нынешних – всего 250 долл. за кВт/ч. Надо отметить, что емкость батареи одного из самых популярных электромобилей Nissan Leaf составляет 24 кВт/ч, ее вес вместе с контроллером равен 300 кг, а цена достигает 18 тыс. долл. Если представить, что этот автомобиль оснащен серийной батареей от A123 Systems, то мы получаем пробег 340 км и снижение цены авто на 12 тыс. долл. Подобные характеристики существенно потеснили бы бензиновые автомобили, которые сегодня проигрывают электрическим по стоимости топлива и обслуживания, но выигрывают у электромобилей благодаря большей дальности хода и более низкой покупной цене.

Для создания новой батареи исследователи из A123 Systems провели серию испытаний различных материалов для электродов, в том числе литий оксид кобальта, который применяется в батареях для портативных компьютеров. Созданная на базе этого материала батарея, обеспечивает все необходимые качества для использования в электротранспорте.

Ученым также удалось решить одну из самых сложных проблем конструирования батарей – извлечение заряда из электролита. В обычных литий-ионных аккумуляторах электроны прыгают по связанным заряженным частицам и двигаются по твердым проводникам электродов, проводящим электроны в коллектор. В новом аккумуляторе, электроны не «толкаются» в электролите, а быстро и беспрепятственно двигаются во взвеси наноразмерных частиц углерода, создающих в жидкости взаимосвязанные токопроводящие сети.

Конструкция новой батареи позволяет увеличить емкость без дополнительных слоев металлической фольги и пластиковой пленки. Это преимущество связано с тем, что в новой батарее отсутствуют пленочные электроды, уложенные в ячейки. Вместо этого для каждого из двух электродов в отдельных резервуарах, хранятся жидкие взвеси (эмульсии) разных материалов. Эти материалы перекачиваются из резервуаров в небольшое устройство, где они движутся по каналам, прорезанным в металлических блоках. Во время движения происходит перемещение ионов от одного электрода к другому. В конструкции используется обычная ионообменная мембрана, которая применяется во множестве устройств, в том числе и литий-инонных батареях.

В конструкции аккумулятора от A123 Systems наращивание емкости батареи происходит простым увеличением размеров емкостей с эмульсией, в то время как металлический блок с мембраной остается неизменным. Также исчезает необходимость сложной системы проводников, соединяющих сотни ячеек батареи.

В настоящее время электропроводность взвеси наночастиц примерно в 100 раз меньше, чем должно быть в коммерческой системе, кроме того, площадь мембраны, разделяющей токопроводящий материал, должна быть не менее трех квадратных метров (для выдачи мощности достаточной для электромобиля). Для решения этих проблем специалисты планируют увеличить концентрацию активных веществ в жидкой взвеси и найти способ многократного складывания мембраны.