Литий-ионное будущее: аккумуляторы нового поколения
- Экологический тюнинг
Компания A123 Systems сравнительно не так давно заявила о запуске проекта по конверсии гибридного автомобиля Toyota Prius в полноценный электрогибрид с зарядкой от бытовой электросети. Модуль Hymotion L5 представляет собой 60-килограммовый блок, устанавливаемый в нишу для запасного колеса и имеющий вход для соединения с электрической сетью на заднем бампере.
- Главная часть блока — пакет литий-ионных батарей суммарной емкостью 5000 Вт•ч энергии. Стандартная никель-металлгидридная батарея Prius весит 50 кг при емкости 300 Вт•ч. A123 Systems разворачивает в Америке сеть сервис-центров, на которых клиентам создают монтаж модуля, его ремонт и обслуживание.
- Цена модуля с учетом трехлетней гарантии образовывает $10 000.
Li-ion батареи в два раза превосходят NiMH аналоги по емкости и практически втрое — по удельной мощности. Плотность энергии Li-ion в три раза выше, чем у NiMH. Li-ion выдерживает высокие токи разряда, каковые NiMH батареи не могут держать кроме того теоретически. Кроме этого NiMH непригодны для замечательных переносных инструментов, для которых свойственны высокие импульсные нагрузки, продолжительно заряжаются и «живут» в большинстве случаев не более 500 циклов.
Хранение NiMH — еще одна значительная неприятность. Эти аккумуляторная батареи страдают от высокого саморазряда — до 20% в месяц, а у Li-ion данный показатель равен всего 2−5%. NiMH аккумуляторная батареи подвержены так именуемому эффекту памяти, характерному кроме этого NiCd батареям.
Но и у Li-ion батарей имеется собственные недочёты. Они весьма дороги, требуют сложной многоуровневой электронной совокупности управления из-за склонности к необратимой деградации при через чур глубоком разряде либо самовозгоранию при высоких нагрузках. Этим они обязаны главному электродному материалу — кобальтату лития (LiCoO2).
Ученые уже пара лет бьются над поисками замены для кобальта. В качестве кандидатов на пост главного электродного материала будущего выступают разные соединения лития — манганаты, титанаты, станнаты, силикаты и другие. Но абсолютным фаворитом на сегодня считается феррофосфат лития LiFePO4, полученный в первый раз еще во второй половине 90-ых годов XX века доктором наук Джоном Гуденафом из Техасского университета.
Продолжительное время эта тема пылилась на полке, поскольку LiFePO4 ничем выдающимся, не считая дешевизны, не отличался и его потенциал оставался неизученным. Все изменилось в 2003 году с возникновением компании A123 Systems.
Неожиданное открытие
A123 Systems — необыкновенная компания. В беседах ее сотрудники, от рядового инженера до президента, частенько повторяют одну фразу, которую не довольно часто услышишь Сейчас: «Мы находимся лишь в начале дороги. Пройдя по ней до конца, мы перевернем мир!» История A123 Systems началась в конце 2000 года в лаборатории доктора наук Йет Мин Чанга из Массачусетского технологического университета (MIT).
Чанг, продолжительное время трудившийся над Li-ion разработками, практически случайно нашёл потрясающий феномен. При определенном действии на коллоидный раствор электродных материалов структура батареи начинала самовоспроизводиться! Силы притяжения и отталкивания зависели от множества факторов — размеров, количества и формы самих частиц, особенностей электролита, температуры и электромагнитного поля.
Чанг совершил детальные изучения физико-химических особенностей электродных наноматериалов и выяснил базисные параметры запуска процесса спонтанной самоорганизации. Полученные батареи владели удельной емкостью, на треть превышающей емкость простых батарей на базе кобальтата лития, и выдерживали много циклов заряда-разряда. Микроструктура электродов, созданная естественным методом, разрешала на порядок расширить неспециализированную площадь активной поверхности и ускорить ионообмен, что со своей стороны повышало производительность и ёмкость батареи.
Самоорганизация по способу Чанга выглядит следующим образом: смесь наночастиц графита и оксида кобальта помещается в корпус будущей батареи, добавляется электролит и создаются нужные внешние условия — температура, давление и электромагнитное поле. Частицы оксида кобальта притягиваются друг к другу, но отталкивают частицы графита. Процесс продолжается , пока отталкивания и силы притяжения не достигнут равновесия.
В следствии образуется пара анод-катод, всецело поделённая интерфазой — электролитом. За счет однообразного размера наночастиц Чангу в лабораторных условиях удалось создать образцы батарей с заданными параметрами производительности и ёмкости. Предстоящее изучение этого феномена и разработка разработки производства на его базе сулили фантастические возможности.
Согласно расчетам Чанга, емкость аккумуляторная батарей возможно было бы удвоить в сравнении с существующими аналогами, а себестоимость — снизить наполовину. Способ самоорганизации разрешал создавать батареи любой формы размером меньше спичечной головки, а также конкретно в самих потребителей тока.
Ход в громадный бизнес
В то время инженер-электрохимик Барт Райли трудился в компании American Semiconductor, производившей широкую номенклатуру полупроводников. С Чангом его связывали давешнее знакомство и неспециализированные научные интересы. В то время, когда Чанг поведал Райли о собственной неожиданной находке, мысль создания бизнеса на базе феномена самоорганизации появилась фактически сходу. Но ни тот, ни второй не имели понятия, как создаются компании.
Третьим основателем А123 Systems стал Рик Фулап, предприниматель, могущий превращать хорошие идеи в солидные деньги. К своим 26 годам Фулап успел создать с нуля и запустить на просторы громадного бизнеса уже пять компаний. в один раз в научном издании MIT Фулап наткнулся на статью доктора наук Чанга, посвященную литий-ионным разработкам.
Не осознав ничего из прочтённого, Рик собрал телефонный номер доктора наук. В ответ на предложение заняться бизнесом по производству углеродных нановолокон Чанг ответил, что у него имеется мысль получше, и Фулап не смог уснуть до утра.
В первую очередь компаньоны сумели взять лицензию от MIT на промышленное применение методики самоорганизации батарей и выкупить права на полученный в лаборатории Чанга катодный материал — литийфосфат железа. Он не имел никакого отношения к феномену самоорганизации, но Фулап сделал вывод, что права на LiFePO4 не помешают. Не пропадать же добру! К тому же Чанг взял особый грант для продолжения изучений по LiFePO4.
В сентябре 2001 года Рик Фулап уже мотался по венчурным фондам в отыскивании подъемных средств. Ему удалось создать борьбу среди инвесторов, подогревая ее все новыми и новыми сообщениями в прессе о фантастических рыночных возможностях Li-ion батарей.
Уже в декабре 2001 года на квитанции компании поступили первые $8 млн. Через четыре месяца по окончании начала работы над проектом, в апреле 2002 года, в дело вошли фавориты рынка мобильной электроники Motorola и Qualcomm, заметившие в новой разработке огромный потенциал. Барт Райли с ухмылкой вспоминает, как на какой-то конференции Фулап подскочил к Полу Джекобсу, вице-президенту Qualcomm.
В течение 60 секунд, чуть ли не держа Джекобса за лацкан пиджака, Рик сумел доходчиво растолковать тому преимущества разработки A123 перед соперниками, и вдобавок через пара секунд поставил вопрос ребром — инвестируйте сейчас, на следующий день будет поздно! И через несколько дней Джекобс принял верное ответ. Скоро в числе инвесторов A123 были: известная компания Sequoia Capital, на деньги которой в свое время были созданы Гугл и Яху, General Electric, Procter & Gamble и многие другие большие компании.
Запасной парашют
К началу 2003 года работа зашла в тупик. Оказалось, что многообещающая разработка трудится лишь частично — процесс самоорганизации был неустойчивым. Появились важные сложности с разработкой получения однородных по свойствам и размеру частиц электродных наноматериалов. Как следствие, рабочие чёрта продукта «плавали» в диапазоне от выдающихся до никуда не годных.
Срок работы взятых батарей существенно уступал имеющимся аналогам по прочине слабости кристаллической решетки электродов. Она попросту разрушалась за пара циклов разряда. Чанг осознал, что до создания промышленной разработке совершенных аккумуляторная батарей еще весьма на большом растоянии. Проект затрещал по швам
К тому времени работа над феррофосфатом лития дала неожиданные результаты. Сначала электрические особенности фосфата железа смотрелись очень робко. Преимуществами LiFePO4 над LiCoO2 были его нетоксичность, меньшая чувствительность и дешевизна к нагреву.
В остальном же феррофосфат существенно уступал кобальтату — на 20% по энергоемкости, на 30% по производительности и по количеству рабочих циклов. Соответственно, батарея с катодом из первичного LiFePO4 не годилась для мобильной электроники, где емкость имеет первостепенное значение. Феррофосфат потребовал глубокой модификации. Чанг начал экспериментировать с добавлением других металлов и ниобия в структуру электрода и уменьшением размеров отдельных частиц LiFePO4 до ста нанометров.
И материал практически преобразился! Благодаря возросшей в тысячи раз площади активной поверхности и улучшению электропроводности за счет введенных меди и золота батареи с катодом из наноструктурированного LiFePO4 превосходили простые кобальтовые по токам разряда вдесятеро. Кристаллическая структура электродов со временем фактически не изнашивалась.
Добавки металлов усиливали ее, как арматура усиливает бетон, исходя из этого количество рабочих циклов батареи возросло более чем вдесятеро — до 7000! Практически такая батарея способна пережить пара поколений устройств, каковые она питает. Помимо этого, ничего нового в технологии производства создавать под LiFePO4 не было нужно.
Это означало, что продукт, что сделали Райли, Чанг и Фулап, готов к немедленному массовому производству.
«В случае если у вас ограниченное финансирование и небольшая компания, в большинстве случаев вы фокусируетесь на чем-нибудь одном, — говорит Райли. — Но оказалось, что у нас в кармане целых две идеи! Инвесторы потребовали продолжать работу над начальной темой проекта, а нанофосфат покинуть до лучших времен. Но мы поступили по-своему. На новое направление мы кинули маленькую команду инженеров.
Перед ними была поставлена конкретная цель — разработка разработки производства катодного наноматериала». Как выяснилось потом, это упрямое ответ спасло целый проект от провала. По окончании первых очевидных удач по нанофосфату предстоящие работы по самоорганизации были отложены в продолжительный коробку, но не забыты.
Так как история когда-нибудь может повториться с точностью до напротив.
Индустриальный гигант
Практически через месяц затем A123 заключила важный договор со известной компанией Black & Decker. Оказалось, что Black & Decker уже пара лет вела разработку нового поколения строительного электроинструмента — мобильных и замечательных переносных устройств. Но внедрение новинки задерживалось из-за отсутствия подходящего источника тока. NiMH и NiCd батареи не доходили компании по весу, рабочим и размеру чертям.
Простые Li-ion аккумуляторная батареи были достаточно емкими, но не снабжали большой ток нагрузки и при стремительном разряде так нагревались, что имели возможность загореться. Помимо этого, время, необходимое для их заряда, было через чур громадно, а переносной инструмент должен быть неизменно наготове. аккумуляторная батареи А123 идеально доходили для этих целей. Они были весьма компактны, замечательны и полностью надёжны.
Время заряда до 80% емкости составляло всего 12 мин., а при пиковых нагрузках LiFePO4 батареи развивали мощность, превышающую мощность сетевых инструментов! Одним словом, Black & Decker отыскал как раз то, что искал.
К тому времени у А123 был лишь опытный образец батареи размером с десятицентовую монету, а Black & Decker нуждался в миллионах настоящих аккумуляторная батарей. Фулап и Райли совершили огромную работу по созданию собственных производственных мощностей и уже на следующий год по окончании подписания договора начали серийный выпуск товарной продукции в Китае. напор и Энергия Фулапа в сделке с Black & Decker разрешили A123 в малейшие сроки войти в громадную индустриальную обойму.
За неполные шесть лет компания из Массачусетса выросла из чистой идеи до большого научно-производственного комплекса с шестью штатом и заводами из 900 сотрудников. Сейчас A123 Systems есть обладателем 120 патентных заявок и патентов в области электрохимии, а ее исследовательский центр по литий-ионным разработкам считается самым лучшим в Северной Америке.
Но компания не останавливается на достигнутом. За последние полтора года были радикально улучшены свойства исходного нанофосфата и созданы новые виды электролитов. Созданы более идеальные и качественные электронные совокупности управления зарядом.
Созданы пара видов дизайна достаточно батарей для применения в разных областях техники. Но основной ход вперед — это, конечно же, разработка аккумулятора для будущего гибридного автомобиля Шевроле Volt.
Принцип работы Li-ion батарей
Li-ion батареи в два раза превосходят NiMH аналоги по емкости и практически втрое — по удельной мощности. Литий-ионные разработки основаны на выдающихся электрохимических особенностях лития. Литий владеет самым громадным отрицательным электрохимическим потенциалом, а благодаря собственной низкой плотности — самой высокой удельной электрической энергией. Вторичные источники энергии на базе лития имеют самые высокие ёмкость и разрядное напряжение.
Но в чистом виде элемент очень активен и не может быть использован в качестве электродного материала, исходя из этого в электротехнике используются надёжные соединения лития. Принцип работы Li-ion батареи основан на перемещении ионов лития между электродами. На протяжении заряда ионы перемещаются от катода к аноду через слой электролита, а на протяжении разряда — в обратную сторону.
Анод, подобно губке, сперва впитывает ионы лития, а при подключении внешнего потребителя выжимает их из себя обратно на катод.
Взрывоопасные батарейки
Команда химика Питера Рота выступила в роли ожесточённых инквизиторов и пропустила тестовые образцы батарей через воду и огонь. Изучения проводились в рамках программы минэнергетики США, посвященной изучению неприятностей гибридных машин, в частности плагин-гибридов, машин с подзарядкой от простой электророзетки. «Литий-ионные разработки так продвинулись, что уже в текущем году будут использоваться на гибридных машинах, — говорит Рот. — А в возможности двух лет, я уверен, их характеристики станут приемлемыми и для гибридов, подзаряжаемых от сети». В последнии месяцы быстро возросли безопасность батарей, их компактность и долговечность.
Лаборатория Sandia доказала, что, не обращая внимания на некий скепсис производителей машин довольно Li-ion, разработка не имеет себе равных для применения в машинах. В тестах были испытаны пара типов батарей всех наибольших мировых производителей. Команда Рота подвергала их механическим деформациям, перегреву, перезарядке и переохлаждению с целью узнать порог сопротивления внешним факторам.
На протяжении опробований шепетильно фиксировалось изменение рабочих черт образцов.
В частности, стало известно, что нанофосфатные литий-ионные аккумуляторная батареи надежны, надёжны и долговечны. Они самый устойчивы ко всем видам внешнего действия. По своим качествам они идеально подходят для установки на гибриды. Первые серийные гибриды с литий-ионными аккумуляторная батареями, подзаряжаемыми от электросети, покажутся уже в текущем году.
Компания Mercedes-Benz заявила о скором запуске на конвейер представительского S400 Blue-Hybrid, за ним покажется S300 Bluetec Hybrid с комбинированной силовой установкой дизель-электрического типа. А через два года компания Дженерал моторс собирается вывести на рынок первую массовую модель гибрида с подзарядкой от сети Шевроле Volt с нанофосфатной батареей компании А123 Systems.
Практически электромобиль
Уже в 2010 году в продажу обязан поступить революционный электрический гибрид Шевроле Volt. Главным компонентом данной автомобили будет замечательный электромотор, питающийся энергией от литий-ионного аккумулятора. Компактный и экономичный двигатель внутреннего сгорания делает функции генератора.
Он не связан с трансмиссией и включается лишь при понижении уровня заряда до 20% от номинала, другими словами действует как удлинитель электрической розетки. Обладатели Volt смогут забыть о заправке на месяцы и недели, поскольку аккумулятора достаточно для обычного дневного пробега. На ночь автомобиль подключается к домашней электросети для восполнения заряда.
Динамика Volt будет очень важной — 8,5 секунды ускорения от 0 до 100 км/ч при потребляемой энергии 200 Вт•ч на милю пробега. Емкость батареи A123 Systems, созданной специально для Volt, равна 16 кВт•ч, а вес — 170 кг. Срок ее работы образовывает не меньше 15 лет.
Кузов автомобиля уже отправится на переработку, а батарея все еще останется в полной мере рабочей! Не считая A123, собственную разработку американцам предлагает компания Continental, применяющая электроды на базе манганата лития.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№69, июль 2008).
<
h4>