Американский ученый профессор Майк Циммерман, руководящий проектом Ionic Materials, изобрел технологию, которая сможет разрешить кризис емкости батарей для электромобилей.
Изобретение американского ученого Майкла Циммермана, работающего на проект Ionic Materials, является настоящим прорывом в области твердотельных аккумуляторных батарей. Его открытие позволяет увеличить емкость батарей, сделать их безопасными, и убрать из них самый дорогой и спорный материал – кобальт.
Для справки:
Ionic Materials – это компания, организованная автопроизводителями Renault, Nissan, Mitsubishi, Hyundai и французской нефтегазовой компании Total. Целью проекта является разработка технологий безкобальтовых твердотельных батарей.
Литий-ионные батареи – тупик технологий
За последние 10 лет из просто идеи электромобили превратились в реальность. Если еще в 2010 году во всем мире продавали около 6000 электромобилей и плагин-гибридов, то в 2017 их продажи достигли 1 млн.
До 2030 года автопроизводители собираются выпустить десятки новых моделей электромобилей и гибридов, и каждому из сошедших с конвейера авто понадобится батарея.
В связи с этим по миру стало появляться все больше заводов по выпуску аккумуляторов – за последние 8 лет производство литий-ионных батарей увеличилось в 10 раз. При этом, их производство остается дорогостоящим процессом, а продуктивность таких источников питания достигла своих конечных возможностей.
Кобальтовая зависимость – враг электромобильности
Литий-ионный аккумулятор был изобретен в 1980 году 96-летним американским профессором Оксфордского университета Джоном Гуденафом.
Конструкция современной аккумуляторной батареи предполагает наличие четырех базовых элементов: положительного и отрицательного электрода, сепаратора между электродами, и жидкого электролита. Положительный электрод (катод) покрыт слоем оксидов лития, кобальта, никеля и марганца. Кобальт необходим для предотвращения перегрева батареи, а также обеспечивает ее возможностью к многократной перезарядке.
Но кобальт – это и самый дорогой компонент батареи.
По данным международных бирж, сейчас средняя стоимость кобальта составляет около $12 за 1 кг по сравнению с $8 за 1 кг лития и $5 за 1 кг никеля. На эти три металла приходится четверть стоимости современной аккумуляторной батареи.
При этом, более 60% мировой добычи кобальта, как известно, происходит в Конго, где используется ручной и детский труд.
И хотя сейчас в штате Айдахо и Аляска (США), а также в Австралии запущены проекты по созданию карьеров добычи кобальта, металл на них смогут добывать не ранее 2020 года. Так что единственный способ уйти от «кобальтовой зависимости» – это минимизировать или исключить его совсем из конструкции батареи.
Твердотельная батарея Ionic
Открытие Майка Циммермана лежит в плоскости замены жидкого электролита на твердый, то есть, этот ученый работает над созданием твердотельных аккумуляторных батарей.
Конечно, Циммерман не первый и не единственный, кто над ними работает. Многие компании и автопроизводители вкладывают в развитие этой технологии миллионы долларов, а первый твердый электролит был открыт еще в 1830 году Майклом Фарадеем.
Однако, до сей поры никому еще не удавалось, снабдив аккумуляторную батарею твердым электролитом, добиться от нее безопасности и эффективности. Да и отсутствие кобальта делало батарею невероятно взрывоопасной.
Но, Циммерману удалось сделать открытие, устраняющее эти проблемы.
Он создал полимерный огнестойкий материал на основе полифенилсульфида, который в отличие от иных пластмасс, может проводить электроны при комнатной температуре. Этот материал прочен, хорошо поддается механической обработке, способен противостоять воздействию многих химических веществ, вроде концентрированных кислот, метанола, щелочи, органических растворителей и кипящей воды.
Еще в этих аккумуляторах вместо кобальта используются дешевые и распространенные цинк и марганец. Благодаря этому твердотельная батарея Ionic получается дешевой, легкой и не габаритной.
Удивительно и то, что новая твердотельная батарея Ionic не боится повреждений, разрезов, ударов и проколов.
Это видео демонстрирует, как легко от нарушения целостности взрываются и загораются литий-ионные батареи, а твердотельная батарея Ionic изобретенная Майком Циммерманом, никак не реагирует даже в момент, когда ее режут ножницами.
Но, что самое важное: новый твердый электролит придает аккумуляторной батарее Ionic бОльшую, чем у литий-ионных емкость, и наделяет ее свойством выдерживать сотни перезарядок. При тестировании эта батарея выдержала больше 400 перезарядок, но ученые считают, что этот показатель можно еще увеличить.
Конечно, открытый материал еще предстоит доработать и окончательно протестировать. Но его производство является не сложным и не дорогим процессом. Сам изобретатель говорит, что на доработку технологии потребуется около 2 лет, после чего можно будет налаживать серийное производство.
Так что, похоже, предсказания экспертов о появлении коммерчески выгодной, эффективной и безопасной аккумуляторной батареи до 2025 года окажутся верными. На сегодняшний день компания Ionic уже подписала ряд лицензионных соглашений на производство коммерческих версий элементов питания.