600 Wh/кг — здесь, почти
Священный гоночный гимн Колина Чепмена — «Упрощай, добавляй лёгкость» — серьёзно пострадал в эру электрокаров. Каждый раз, когда я запускаю современный высоковольтный снаряд в плотную шпильку, чувствую, как шины кричат от тяжести всего этого веса. Мы создали впечатляющие машины с чудовищной тягой, но грязная правда заключается в том, что под каждой машиной с углеродным обвесом скрывается огромный полуторатонный груз химического балласта.
Виновником является традиционная химия литий-ионных батарей. Батарейные ячейки, использующие графитовые аноды, уже вплотную приблизились к теоретическому пределу плотности энергии около 350 Вт·ч/кг. Чтобы получить настоящий дальнобойный запас хода от такого уровня плотности энергии, автопроизводителям пришлось строить настоящие плавучие крепости.
Возьмём Porsche Taycan GTS — абсолютное совершенство шасси, однако пустая машина весит 2360 кг. Tesla Model S Plaid весит 2178 кг, а устрашающий Lotus Emeya приземляет 2650 кг на дорогу. Даже с умными пневмоподвесками и активным рулевым управлением невозможно обмануть законы физики навсегда.
К счастью, возможно, мы нашли решение этой проблемы. Совместная исследовательская группа из лаборатории Тяньмушань и Технологического университета Цзянгсу выпустила бомбу замедленного действия в журнале Nature Communications. Исследователи разработали стабильную литиевую ячейку типа «мешок», преодолевшую магический порог до достижения плотности энергии 602,5 Вт·ч/кг. Это не скромное улучшение, полученное лишь за счёт упаковки, а удвоенная плотность энергии по сравнению с большинством современных электромобилей.
Замена традиционного графитового анода чистым литием была святым Граалем электрохимии. В теории удаление тяжёлого углерода-хозяина даёт астрономический прирост энергии. Но на практике всё превращается в кошмар. Высокое напряжение, проходящее через литиевый элемент, вызывает распад жидкого электролита в нестабильный осадок, появляются микроскопические игольчатые кристаллы, называемые дендритами лития, растущие от анода. Эти кристаллические усики пробивают разделительный слой, короткое замыкание клетки и неконтролируемый нагрев следуют незамедлительно — превращая ваш дорогой электромобиль в костёр.
Прорыв учёных из Технологического университета Цзянгсу и лаборатории Тяньмушань решает эту проблему на молекулярном уровне. Вместо того чтобы позволить химии бесконтрольно развиваться, команда разработала электролитный добавочный компонент, создающий структуру «сильная координация растворителя». Без сложного научного жаргона этот добавочный компонент действует как пара микроскопических охранников.
На стороне катода защитный слой плотной ультратонкой плёнки предотвращает деградацию материала при высоком напряжении. На стороне литиевого анода сильный твёрдый электролитовый слой блокирует рост дендритов ещё до начала процесса, ускоряет перенос ионов лития и устраняет проблемы безопасности.
Испытательные данные выглядят весьма многообещающими. С использованием ячейки формата 10 Ah и никель-третичного катода высокой концентрации удалось достичь плотности энергии 550,7 Вт·ч/кг при сохранении 80% исходной ёмкости после 180 циклов зарядки. Когда исследователи объединили свою волшебную химию электролитов с литиево-марганцевым катодом, плотность энергии поднялась до рекордных 602,5 Вт·ч/кг — эффективность увеличилась более чем на 50% по сравнению с обычными батареями.
Стоит заметить, кто финансировал и продвигал эти исследования: лаборатория Тяньмушань, институт, сосредоточенный на аэрокосмической технике и экономике низкого полёта. Несмотря на наши жалобы относительно тяжёлых седанов на извилистых дорогах, настоящая потребность в плотности энергии принадлежит электрическим самолётам. Электрические самолёты вертикального взлёта и посадки (eVTOL), коммерческие дроны не могут обойти физические ограничения, увеличив жёсткость стабилизаторов. Когда заряд батареи исчерпан, аппарат не сможет подъехать к заправочной станции, он просто упадёт с неба. Транспортировка 600 кг батареи для перевозки двух пассажиров является тупиковым решением для воздушной мобильности.
Мы уже видели, как CATL включила своё участие в этом пространстве, предлагая конденсаторные батареи плотностью до 350 Вт·ч/кг для авиационных применений, хотя производственные затраты зашкаливают. CATL высказывала гипотезы относительно литий-воздушной химии, достигающей плотности энергии 12 000 Вт·ч/кг — цифры, сопоставимые с бензином, но пока это далёкая мечта. В реальной жизни 600 Вт·ч/кг является базовым уровнем, который делает электрические полёты полноценным видом транспорта.
Прежде чем начать мечтать о лёгких чисто-электрических спортивных автомобилях, выставленных на автосалоне следующим летом, стоит вернуться на землю. Выживание 180 циклов заряда-разряда с сохранением 80% первоначальной ёмкости в лабораторных условиях — выдающееся академическое достижение, но оно далеко от требований автомобильной промышленности.
Автопроизводители требуют аккумуляторных блоков, выдерживающих тысячи агрессивных циклов быстрой зарядки постоянного тока без малейших проблем. Химия должна выдерживать дорожные ямы, термический шок и годы пренебрежительного отношения. Масштабирование фторированных добавок электролита с лабораторного стола до миллионов автомобильных аккумуляторов остаётся нерешённой индустриальной проблемой.
Но если однажды эта литиевая архитектура найдёт путь из чистой комнаты в массовое производство, последствия для автомобилей будут захватывающими. Представьте себе сокращение массы аккумулятора 100 кВт·ч примерно с 650 кг до менее 200 кг. Мы снова вернёмся к легковесным спортивным автомобилям — суперкар Xiaomi SU7 Ultra мог бы стать легче на 400 кг!
Вдруг электрический спорткар снова станет компактным и живо откликающимся на управление, позволяя своим электрическим лошадкам буйствовать без перегрева тормозов всего за три горячих круга. Возможно, наконец-то мы увидим автомобили, которым больше не нужны четырёхзначные показатели мощности, чтобы скрыть собственное ожирение.