Одной из проблем, стоящих перед отраслью электромобилей, является питание от батареи. В мае этого года глобальный менеджер по поставкам Tesla заявил, что компания планирует нехватка ключевых материалов для аккумуляторов. Автопроизводители работают над вертикально интегрировать производство аккумуляторов в свой бизнес, чтобы гарантировать, что они будут иметь доступ к батареям, когда это необходимо.
Содержание
- Старая технология получает новую цель
- Преимущество кремниевых пластин
- Улучшенная плотность энергии и емкость
- Меньший рост дендритов для увеличения срока службы батареи
- Уменьшено время перезарядки и увеличена дальность действия.
- Когда мы это увидим?
Во многом это происходит потому, что литий-ионные батареи являются стандартом для перезаряжаемых элементов. Они используются во всем: от камер и телефонов до электромобилей. Помимо того, что литий-ионные аккумуляторы дороги и зависят от ограниченных ресурсов, они несут в себе опасность перегрева, возгорания или даже взрывающийся
. Вот почему авиакомпании не хотят, чтобы эти батареи находились в их грузовых отсеках. Кроме того, строительство новых заводов по производству литий-ионных батарей обходится дорого и требует много времени. Tesla вложила $5 млрд в свою Неваду Гигафабрика производить аккумуляторы для Model 3 собственными силами. Мощность Tesla находится на около 24 ГВтч сегодня и до 35 ГВтч после завершения строительства в следующем году.Рекомендуемые видео
Что необходимо, так это новая архитектура батареи, которую будет проще изготовить. В идеале новая конструкция батареи должна иметь более высокую плотность энергии и более быстрое время перезарядки, что сделает ее идеальной для использования в транспортных средствах.
Что будет дальше, вы уже знаете: компания под названием XNRGI Базируясь недалеко от Портленда, штат Орегон, они говорят, что у них есть ответ. Это не редкость само по себе. Многие люди заявляли, что у них есть чудо-батарея, но всегда говорили, что пока не могут вам о ней рассказать.
Отличие XNRGI заключается в том, что у них есть портфель опубликованных патентов, напрямую связанных с технологией аккумуляторов Powerchip, и они подали заявки еще на несколько. Компания также получила финансирование от Министерства энергетики США на свои исследования. Имея патентную защиту и финансирование, XNRGI стремится рассказать миру о том, что у них есть.
«Мы считаем, что теперь мы можем одновременно решить все проблемы, связанные с литий-ионными батареями», — сказал генеральный директор XNRGI Крис Д'Коуто.
Старая технология получает новую цель
Ключевое различие между обычным литий-ионным аккумулятором и аккумулятором XNRGI Powerchip заключается в его составе. В то время как в обычных литий-ионных батареях в качестве строительного материала используется графитовая суспензия на двумерном проводнике, в батарее XNRGI используется металлический литий в трехмерной пористой кремниевой пластине. В вафлях нет ничего нового или необычного; это те же самые диски, которые десятилетиями производились полупроводниковой промышленностью.
«Мы предпринимаем проверенные шаги по производству чипов и применяем их к этой батарее», — сказал Д'Коуто. «Мы берем что-то из одной отрасли и применяем это в другой отрасли. Мы ничего не изобретаем в этом плане. Мы можем купить пластины, поэтому у нас нет больших капиталовложений в фабрику».
Самое приятное то, что батареи XNRGI производятся из более старых и толстых пластин, которые больше не пользуются спросом. Во всем мире уже существует инфраструктура для дешевого производства этих пластин в больших количествах.
Преимущество кремниевых пластин
Преимущество использования кремниевых пластин для создания батареи зависит от другого хорошо зарекомендовавшего себя полупроводникового процесса. В конструкции XNRGI используются перфорированные пластины для создания вафельной поверхности. Каждый 12-дюймовый кремниевый диск может содержать до 160 миллионов микроскопических пор. Затем пластины покрывают с одной стороны непроводящей поверхностью. Другая сторона пластины покрыта проводящим металлом для проведения электрического тока.
«Металлические покрытия, которые мы используем, взяты из производства микросхем, — сказал Д’Коуто, — а изолирующие покрытия взяты из производства микросхем и используются здесь. Мы ничего не изобретаем с точки зрения процесса».
XNRGI — аккумулятор PowerChip
Пористая природа пластины увеличивает общую площадь поверхности батареи до 70 раз по сравнению с двумерной поверхностью. Каждая пора физически отделена от соседних, что помогает устранить внутренние короткие замыкания и помогает батарее противостоять деградации с течением времени и при использовании.
«Каждая из этих маленьких дырок по сути представляет собой очень крошечную батарею», — заметил Д’Коуто. «Когда какой-либо из них по отдельности выходит из строя, сбой не распространяется. Такая архитектура делает батарею абсолютно безопасной, предотвращая перегрев и взрывы».
Улучшенная плотность энергии и емкость
Технология пластин XNRGI предназначена для использования на анодной стороне батареи. Когда аккумулятор полностью заряжен, анод похож на ведро с электронами. Когда батарея разряжается, электроны проходят через цепь к катодной стороне батареи. Когда аккумулятор перезаряжается, анодное ведро наполняется.
«Сегодня, когда вы говорите о литий-ионной батарее, она сделана из лития. вставочный с графитом», — пояснил Д’Коуто. «С момента появления литий-ионных батарей графит использовался на анодной стороне, чтобы обеспечить место для стоянки ионов лития при приземлении и взлете».
Одним из огромных преимуществ конструкции пористой кремниевой пластины является то, что анод XNRGI имеет в 70 раз большую площадь поверхности, чем графитовый анод. и использует чистый металлический литий, что дает аноду Powerchip примерно в 10 раз большую плотность энергии, чем у существующих анодов литий-ионных батарей.
«Мы получаем большую плотность энергии из-за трехмерного увеличения площади поверхности», — заявил Д’Коуто.
Меньший рост дендритов для увеличения срока службы батареи
Одна из причин того, что перезаряжаемые батареи со временем изнашиваются, заключается в том, что, когда анод проходит повторяющиеся циклы разрядки и зарядки, на его поверхности накапливаются химические вещества. Это нарост называется «дендрит» и выглядит как известняковый сталактит. Дендриты могут в конечном итоге пробить физический разделитель между анодом и катодом и замкнуть батарею.
«Когда дендрит пробивает сепаратор, происходит быстрый выход батареи из строя», — объяснил Д’Коуто.
Ионы лития также содержат другие материалы, которые накапливаются в виде налета на сепараторе между анодной и катодной сторонами батареи, по существу засоряя батарею и снижая ее производительность. Анод XNRGI противостоит образованию дендритов и продлевает срок службы батареи благодаря непроводящему покрытию кремниевой пластины. Элементы, переносимые вместе с ионами лития, не прилипают к этой поверхности и поэтому не могут легко образовывать дендриты или образовывать зубной налет.
По оценкам Д'Коуто, срок службы батареи XNRGI Powerchip будет в три-пять раз дольше, чем у литий-ионной батареи сегодня.
Уменьшено время перезарядки и увеличена дальность действия.
Увеличенная площадь поверхности внутри Powerchip означает, что аккумулятор может разряжаться и заряжаться гораздо быстрее, чем обычные литий-ионные элементы. Это означает, что во время вождения доступно больше мощности. Что еще более важно, это означает более быструю перезарядку.
По словам Д'Коуто, анод Powerchip способен перезарядиться на 80% от пустого состояния за 15 минут. Более распространенная перезарядка от 10% до 90% также рассчитана на 15 минут. По оценкам XNRGI, помимо быстрой зарядки аккумуляторы Powerchip увеличат запас хода электромобиля до 280% по сравнению с обычным литий-ионным аккумулятором того же веса. Для справки: это означает, что нынешний электромобиль с запасом хода в 250 миль (как и многие другие) будет иметь запас хода в 700 миль.
Батарея XNRGI также намного легче современных элементов. Автопроизводители могли бы сделать более легкие и эффективные электромобили или установить в автомобиль больше аккумуляторов, чтобы обеспечить еще больший запас хода при существующем весе.
Когда мы это увидим?
В настоящее время XNRGI работает с компаниями, которые используют все виды аккумуляторов: от небольшой бытовой электроники до автопроизводителей и даже коммунальных предприятий. Компания ожидает, что выпуск потребительских товаров и лицензионные соглашения будут завершены в течение следующих двух-пяти лет в зависимости от области применения аккумуляторов.
«Мы ожидаем, что в 2020 году наши батареи будут использоваться в мобильных продуктах, таких как мотоциклы, скутеры, дроны, роботы и т. д.», — прогнозирует Д’Коуто. «Что касается электромобилей, это, скорее всего, будет 2022 или 2023 год в ограниченном объеме, а затем массовое внедрение электромобилей в 2024 году. Это норма для автомобильной промышленности после обширных испытаний».
Появление безопасной, быстрой зарядки, долговечной и дальнобойной аккумуляторной технологии, вероятно, изменит правила игры в индустрии электромобилей. Оглядываясь назад, учитывая, что ученые всего мира исследуют более совершенную технологию производства аккумуляторов, возможно, нам не следует удивляться тому, что кто-то ее нашел.
Обновите свой образ жизниDigital Trends помогает читателям быть в курсе быстро меняющегося мира технологий благодаря всем последним новостям, забавным обзорам продуктов, содержательным редакционным статьям и уникальным кратким обзорам.
