Самонагревающиеся литий-ионные аккумуляторы быстро заряжаются даже при температуре –42°C, обеспечивая 4500 циклов и 12-летний срок службы.

• Новые самонагревающиеся батареи можно заряжать за 15 минут при температуре до -42 °C. 
• Он может выдержать 4500 циклов зарядки с потерей емкости всего 20 %. 
• Это эквивалентно 12 годам жизненного цикла аккумулятора или 280 000 миль срока службы электромобиля.

Среди крупных автопроизводителей идет захватывающая гонка за увеличение мощности и количества станций быстрой зарядки. В 2017 году Daimler, Volkswagen, Ford и BMW создали совместное предприятие для строительства 400 «сверхбыстрых» зарядных станций по всей Европе к концу 2020 года. Между тем, Honda планирует выпустить к 2022 году электромобили с возможностью быстрой 15-минутной зарядки.

В мае 2018 года Министерство энергетики США объявило о выделении 19 миллионов долларов на поддержку передовых исследований в области аккумуляторов и электрификации с целью увеличения мощности зарядки до 400 кВт.

Существующие электромобили не могут выдержать быструю зарядку в экстремально холодных условиях, поскольку это увеличивает риск литиевого покрытия – образования металлического лития вокруг анода во время зарядки, что со временем приводит к выходу аккумуляторов из строя.

Традиционные литиевые батареи нельзя заряжать быстро при температуре ниже 10°C. Зарядка этих батарей при температуре ниже точки замерзания приведет к необратимой потере емкости и увеличению внутреннего сопротивления.

Теперь исследователи из Университета штата Пенсильвания разработали аккумулятор, который может самонагреваться, что позволяет осуществлять быструю зарядку без литиевого покрытия независимо от температуры наружного воздуха.

Эти аккумуляторы позволяют перезарядить электромобиль за 15 минут, что практически эквивалентно заправке бензином. Это может стать огромным облегчением для людей, живущих в холодных штатах. Учитывая, что зарядные станции установлены широко, владельцы могут перестать беспокоиться о запасе хода автомобиля и без опасений преодолевать большие расстояния.

Ранее ученые создали аккумуляторную систему, в которой не происходит утечка энергии при температуре ниже нуля из-за самонагрева. Теперь та же технология была применена для быстрой зарядки аккумуляторов (за 15 минут) при любых погодных условиях, включая температуру до -42°C.

Как это работает?

Недавно разработанная батарея имеет тонкую никелевую фольгу, один конец которой идет к отрицательной клемме элемента, а другой выходит наружу, образуя третью клемму. Чтобы завершить схему, к датчику температуры прикреплен переключатель, который позволяет электронам проходить через никелевую фольгу, когда температура ниже 20°C.

Поток электронов вызывает резистивный нагрев никелевой фольги, что в конечном итоге повышает внутреннюю температуру батареи. Как только температура повышается (выше 20 °C), переключатель размыкается, позволяя электрическому току поступать в аккумулятор для быстрой зарядки.

Самонагревающаяся батарея | Фото:Чао-Ян Ван / Пенсильвания

Ссылка:ПНАС | дои:10.1073/pnas.1807115115 | Пенсильвания

Аккумулятор выполняет всю эту работу сам; вмешательство человека не требуется. При этом существующие зарядные станции не придется переделывать. Переключение между нагревом и зарядкой осуществляется внутри элемента, а не в зарядных устройствах.

Тестирование

Результаты испытаний прототипа оказались более чем впечатляющими. Исследователи обнаружили, что аккумулятор имеет замечательный срок службы, эквивалентный более чем 12 годам или 280 000 миль срока службы электромобиля. В частности, аккумулятор выдержал 4500 циклов быстрой зарядки (15 минут) с потерей емкости всего 20 % при температуре 0°C.

С другой стороны, традиционная батарея может потерять 20% емкости всего за 50 циклов зарядки при отрицательных температурах. Это происходит потому, что металлический литий (в избытке) осаждается на поверхности анода вместо того, чтобы ионы лития эффективно слились с углеродными анодами. В настоящее время медленная зарядка является единственным возможным способом избежать этого при температуре ниже 10°C.

Читайте:Новую алюминиево-графеновую батарею можно заряжать за 5 секунд

По словам исследователей, их новый метод дает возможность отделить кинетику заряда от разряда в аккумуляторной науке и улучшить зарядку без необходимости использования новых материалов или химии. Более того, он предлагает платформу для создания более совершенных материалов для аккумуляторов без проблем с температурой.

С точки зрения применения, эта технология поможет автопроизводителям использовать аккумуляторы меньшего размера и легче. Он также позволяет использовать широкий спектр электроники и устройств, таких как уличные роботы, всепогодные смартфоны, дроны и микроспутники, работающие на больших высотах.