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 литий-ионного аккумулятора
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.
Майкл Циммерман
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.
Твердотельная батарея Ionic
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.