De ce încărcarea rapidă este moartea bateriilor

Vor să schimbe uleiul, dar au totuși un defect fatal despre care producătorii nu tacă.

Epoca Cărbunelui a fost mult timp amintită. Era petrolului se apropie și ea de sfârșit. În al treilea deceniu al secolului XNUMX, trăim în mod clar în era bateriilor.

Rolul lor a fost întotdeauna semnificativ de când electricitatea a intrat în viața umană. Dar acum trei tendințe au făcut dintr-o dată stocarea energiei cea mai importantă tehnologie de pe planetă.

Prima tendință este boom-ul dispozitivelor mobile - smartphone-uri, tablete, laptopuri.Obișnuiam să avem nevoie de baterii pentru lucruri precum lanterne, radiouri mobile și dispozitive portabile - toate cu utilizare relativ limitată. Astăzi, toată lumea are cel puțin un dispozitiv mobil personal, pe care îl folosește aproape constant și fără de care viața lui este de neconceput.

A DOUA TENDINȚĂ este utilizarea surselor de energie regenerabilă și discrepanța bruscă între vârfurile producției și consumului de energie electrică. Odinioară era ușor: când proprietarii pornesc sobele și televizoare seara, iar consumul crește brusc, operatorii termocentralelor și centralelor nucleare trebuie pur și simplu să mărească puterea. Dar cu generarea solară și eoliană, acest lucru este imposibil: vârful producției are loc cel mai adesea într-un moment în care consumul este la cel mai scăzut nivel. Prin urmare, energia trebuie stocată cumva. O opțiune este așa-numita „societate a hidrogenului”, în care electricitatea este convertită în hidrogen și apoi alimentează cu combustibil rețeaua și vehiculele electrice. Dar costul extraordinar de mare al infrastructurii necesare și amintirile proaste ale omenirii cu privire la hidrogen (Hindenburg și alții) lasă acest concept pe plan secundar pentru moment.

Așa-numitele „rețele inteligente” arată în mintea departamentelor de marketing: vehiculele electrice primesc exces de energie la producția de vârf și apoi, dacă este necesar, o pot returna în rețea. Cu toate acestea, bateriile moderne nu sunt încă pregătite pentru o astfel de provocare.

ALTE RĂSPUNSURI POSIBILE la această problemă promit o a treia tendință: înlocuirea motoarelor cu ardere internă cu vehicule electrice cu baterie (BEV). Unul dintre principalele argumente în favoarea acestor vehicule electrice este că pot fi participanți activi la rețea și pot lua surplusul pentru a le returna atunci când este necesar.

Fiecare producător de vehicule electrice, de la Tesla la Volkswagen, folosește această idee în materialele lor PR. Cu toate acestea, niciunul dintre ei nu recunoaște ceea ce este dureros de clar pentru ingineri: bateriile moderne nu sunt potrivite pentru astfel de lucrări.

TEHNOLOGIA LITIU-ION care domină piața astăzi și oferă de la brățara dvs. de fitness până la cea mai rapidă Tesla Model S are multe avantaje față de conceptele mai vechi, cum ar fi bateriile cu acid de plumb sau baterii de nichel metalic. Dar are și unele limitări și, mai presus de toate, o tendință spre îmbătrânire ..

Majoritatea oamenilor se gândesc la baterii ca la un fel de tub în care electricitatea „curge” cumva. Cu toate acestea, în practică, bateriile nu stochează electricitatea singure. Îl folosesc pentru a declanșa anumite reacții chimice. Apoi, ei pot începe reacția opusă și își pot recâștiga sarcina.

Pentru bateriile litiu-ion, reacția cu eliberarea de energie electrică arată astfel: ioni de litiu se formează la anodul din baterie. Aceștia sunt atomi de litiu, fiecare dintre aceștia a pierdut un electron. Ionii se deplasează prin electrolitul lichid către catod. Iar electronii eliberați sunt canalizați printr-un circuit electric, furnizând energia de care avem nevoie. Când bateria este pornită pentru încărcare, procesul este inversat și ionii sunt colectați cu electronii pierduți.

„Creșterea excesivă” cu compuși cu litiu poate provoca un scurtcircuit și poate aprinde bateria.

Din păcate, CU toate acestea, REACTIVITATEA MARE care face litiul atât de potrivit pentru fabricarea bateriilor are un dezavantaj - tinde să participe la alte reacții chimice nedorite. Prin urmare, pe anod se formează treptat un strat subțire de compuși de litiu, care interferează cu reacțiile. Și astfel capacitatea bateriei scade. Cu cât este încărcat și descărcat mai intens, cu atât acest strat devine mai gros. Uneori poate chiar elibera așa-numitele „dendrite” – gândiți-vă la stalactitele compușilor de litiu – care se extind de la anod la catod și, dacă ajung la el, pot provoca un scurtcircuit și pot aprinde bateria.

Fiecare ciclu de încărcare și descărcare scurtează durata de viață a bateriei litiu-ion. Dar încărcarea rapidă recent la modă cu un curent trifazat accelerează semnificativ procesul. Pentru smartphone-uri, aceasta nu este o barieră mare pentru producători, în orice caz, aceștia vor să oblige utilizatorii să-și schimbe dispozitivele la fiecare doi-trei ani.Dar mașinile sunt o problemă.

Pentru a convinge consumatorii să cumpere vehicule electrice, producătorii trebuie să-i ademenească și cu opțiuni de încărcare rapidă. Dar stațiile rapide precum Ionity nu sunt potrivite pentru utilizarea de zi cu zi.

COSTUL BATERIEI ESTE O AL TREIEME și chiar mai mult decât întregul preț al mașinii electrice de astăzi. Pentru a-și convinge clienții că nu cumpără o bombă, toți producătorii oferă o garanție separată, mai lungă, pentru baterie. În același timp, se bazează pe încărcare mai rapidă pentru a-și face mașinile atractive pentru călătoriile pe distanțe lungi. Până de curând, cele mai rapide stații de încărcare funcționau la 50 de kilowați. Dar noul Mercedes EQC poate fi încărcat până la 110kW, Audi e-tron până la 150kW, așa cum este oferit de stațiile de încărcare europene Ionity, iar Tesla se pregătește să ridice ștacheta și mai sus.

Acești producători recunosc rapid că încărcarea rapidă va distruge bateriile. Stații precum Ionity sunt mai potrivite pentru situații de urgență atunci când o persoană a parcurs un drum lung și are puțin timp. În caz contrar, încărcarea lentă a bateriei acasă este o abordare inteligentă.

Cât de încărcat și descărcat este, de asemenea, important pentru durata sa de viață. Prin urmare, majoritatea producătorilor nu recomandă încărcarea peste 80% și sub 20%. Cu această abordare, o baterie litiu-ion pierde în medie aproximativ 2% din capacitatea sa pe an. Astfel, poate dura 10 ani, sau până la aproximativ 200 km, înainte ca puterea să scadă atât de mult încât să devină inutilizabilă într-o mașină.

În sfârșit, desigur, VIAȚA BATERIEI depinde de compoziția sa chimică unică. Este diferit pentru fiecare producător și, în multe cazuri, este atât de nou încât nici nu se știe cum va îmbătrâni în timp. Mai mulți producători promit deja o nouă generație de baterii cu o durată de viață de „un milion de mile” (1.6 milioane de kilometri). Potrivit lui Elon Musk, Tesla lucrează la unul dintre ei. Compania chineză CATL, care furnizează produse BMW și alte jumătate de duzină de companii, a promis că următoarea sa baterie va dura 16 ani, adică 2 milioane de kilometri. General Motors și compania coreeană LG Chem dezvoltă, de asemenea, un proiect similar. Fiecare dintre aceste companii are propriile soluții tehnologice pe care doresc să le încerce în viața reală. GM, de exemplu, va folosi materiale inovatoare pentru a preveni pătrunderea umidității în celulele bateriei, o cauză majoră a scalării litiului pe catod. Tehnologia CATL adaugă aluminiu anodului nichel-cobalt-mangan. Acest lucru nu numai că reduce nevoia de cobalt, care este în prezent cea mai scumpă dintre aceste materii prime, dar crește și durata de viață a bateriei. Cel puțin asta speră inginerii chinezi. Clienții potențiali sunt încântați să știe dacă o idee funcționează în practică.