Cietvielu akumulatoru tehnoloģijas

Vai QuantumScape atrisināja bateriju lielāko problēmu? Kā bateriju nākamo izrāvienu uzskata cietvielu akumulatorus. Tās potenciāli ir vairākkārtīgi labākas par mūsdienu litija baterijām, bet līdz tirgum vēl nav nonākušas.

Amerikāņu kompānija QuantumScape, kuru atbalsta Volkswagen un Bils Geitss, paziņoja, ka ir atklājusi elektrolītu, kas tiks iestatīts tā, lai nodrošinātu ārkārtas akumulatora darbību. QuantumScape apgalvo, ka tā cietvielu akumulators (ar litija metāla anodiem) var sasniegt 800 ciklus, nezaudējot veiktspēju,  tas ir paredzēts, lai nodrošinātu līdz pat 80% lielāku darbības diapazonu salīdzinājumā ar mūsdienu litija jonu akumulatoriem.

Litija jonu akumulatora līdzizgudrotājs, 2019. gada Nobela prēmijas ķīmijā ieguvējs Stens Vitingems sacīja: “Ja QuantumScape var panākt šīs tehnoloģijas masveida ražošanu, tai ir potenciāls pārveidot nozari.”

2020. gada sākumā Volkswagen palielināja savu daļu ASV bāzētajā uzņēmumā, veicot papildu ieguldījumus 200 miljonu USD apmērā, pēc sākotnējā 100 miljonu ieguldījuma. QuantumScape zinātnieku komanda pēdējās desmitgades laikā ir strādājusi, lai izveidotu nākamās paaudzes akumulatoru tehnoloģiju – cietvielu akumulatorus ar litija metāla anodiem.

Cietvielu akumulatoru tehnoloģija ir Mercedes Trucks & Buses plānu uzmanības centrā: eCitaro G ir paredzēts pēc izvēles aprīkot ar šādu tehnoloģiju.

Uzlāde QuantumScape cietvielu akumulatoru tehnoloģijai

Iepriekšējie mēģinājumi izveidot cietvielu separatoru, kas darbotos ar litija metālu ar lielu jaudas atdevi, parasti apdraud citus elementa aspektus (cikla dzīvi, darba temperatūru, drošību, katoda ielādi vai litija pārpalikums anodā). QuantumScape nesen publiskotie rezultāti, kas balstīti uz viena slāņa akumulatoru elementu testēšanu, parāda, ka tā cietvielu separatori spēj darboties ar ļoti lielu jaudu, ļaujot 15 minūtēs uzlādēt akumulatoru līdz 80% ietilpībai. Tas ir ātrāk nekā pašlaik lietojamiem cietvielu akumulatoriem.

Dati arī rāda, ka QuantumScape akumulatoru tehnoloģija spēj izturēt simtiem tūkstošu kilometru elektroauto dzīves ciklā un ir paredzēta darbam plašā temperatūru diapazonā, ieskaitot darbību pie -30°C.

Kādas šūnas ir QuantumScape rīcībā?

Pārbaudītās šūnas bija liela laukuma viena slāņa spilvena šūnas komerciālajā mērķfaktorā ar nulles litija pārpalikumu uz anoda un bieziem katodiem (>3mAh/cm2), darbojoties ar vienas stundas uzlādes un izlādes ciklu (1C uzlāde un 1C izlāde) pie 30 grādiem pēc Celsija. Šie testi parādīja šo viena slāņa maisiņu šūnu stabilu veiktspēju, kā rezultātā saglabājās enerģiskā ietilpība pēc 800 cikliem vairāk nekā 80% (parādot augstu uzlādes efektivitāti, kas pārsniedz 99.97 %).

Sarežģītākajos apstākļos strādājošam akumulatoram ir vajadzība vienlaicīgi izpildīt augsta enerģijas blīvuma (1000 Wh/L), ātras uzlādes (liela strāvas blīvuma), liela darbības mūža cikla (vairāk nekā 800 uzlāžu ciklu) prasības plašā temperatūras diapazonā. Laboratorijas dati rāda, ka QuantumScape šūnas atbilst visām šīm prasībām. Līdz šim neviena cietviela baterija nebija spējīga uzrādīt tādus parametrus.

QuantumScape akumulatoru elementi pārveidos nozari

Šie rezultāti parāda to, kas iepriekš tika uzskatīts par neiespējamu cietvielu akumulatoriem. Atbalsts pietiekami lielam strāvas blīvumam, lai nodrošinātu ātru uzlādi, neveidojot dendrītus, jau sen ir bijis nozares svētais grāls. Šie dati parāda arī spēju uzlādēt līdz 80% 15 minūtēs nekrītoties jaudas parametriem.

Venkats Visvanatans, akumulatoru eksperts, Karnegija-Melona universitātes materiālu zinātnes profesors

QuantumScape patentētais cietvielu separators aizstāj organisko separatoru, kuru izmanto parastajās šūnās, ļaujot nelietot oglekļa vai oglekļa/silīcija anodu un realizēt bez anoda uzbūvi ar litija nulles pārpalikumu. Šādā akumulatora uzbūvē tīra metāla litija anods veidojas situācijā, kad tiek uzlādēta gatavā šūna, nevis tad, kad šūna tiek ražota. Atšķirībā no parastajām litija jonu baterijām vai dažām citām cietvielu konstrukcijām šī arhitektūra nodrošina lielu enerģijas blīvumu, vienlaikus ļaujot samazināt materiālu izmaksas kā arī vienkāršot ražošanu.

Mēs uzskatām, ka mūsu atklātie veiktspējas dati rāda, ka cietvielu akumulatoriem ir potenciāls samazināt atšķirību starp elektriskajiem transportlīdzekļiem un iekšdedzes transportlīdzekļiem un palīdzēt EV kļūt par pasaulē dominējošo transporta veidu. Litija jons bija svarīgs atspēriena punkts, lai darbinātu esošās paaudzes EV. Mēs uzskatām, ka QuantumScape litija metāla cietvielu akumulatoru tehnoloģija nodrošina automobiļu nozari ar nākamās paaudzes akumulatoriem un rada pamatu pārejai uz pilnībā elektrificētu automobiļu parku.

QuantumScape dibinātājs un izpilddirektors Džagdeeps Singhs

Autora viedoklis

Nākamie soļi ir Zn-air (Cinka-gaisa), Li-S (Litija sēra) un Li-air (Litija-gaisa) tehnoloģijas, kuras piedāvā daudz lielāku potenciālo enerģijas blīvumu.

Aplūkojot 12 gadus vecu informāciju, kuru sameklēju, kad tikko sāku nodarboties ar elektrisko automašīnu jautājumiem, var redzēt, ka 2008. gadā zinātnieki jau bija izstrādājuši Li-S un LiCO2 tehnoloģijas, kuru masveida ražošanai tika uzlikts pagaidu ierobežojums.

Domājams, ka tas tika darīts sociālpolitisku apsvērumu dēļ. Bet tajās valstīs, kurām nav savu fosilo dabas resursu, šīs tehnoloģijas ir jāattīsta un jāražo jaunā tipa enerģijas uzkrājēji mazos apjomos, kaut vai tikai lai nodrošinātu savas lokālās vajadzības.