Исследователи из Массачусетского технологического института и компании 24M разработали усовершенствованный процесс производства литий-ионных аккумуляторов нового дизайна. По расчётам инженеров, он как минимум вдвое уменьшает стоимость аккумуляторов за счёт упрощения самого процесса и снижения количества необходимых материалов, одновременно улучшая технические характеристики аккумуляторов.
Li-Ion аккумуляторы — это самая дорогая деталь электромобиля. Только за счёт этого «хака» розничная цена автомобиля значительно снизится.
«Мы пересмотрели весь техпроцесс», — рассказывает профессор Йет-Мин Чан (Yet-Ming Chiang), сооснователь компании 24M (ранее он также стал сооснователем производителя батарей A123). Нынешний процесс производства аккумуляторов, говорит он, практически не менялся в течение двух десятилетий с момента изобретения технологии. Он неэффективен и использует больше этапов, чем требуется.
К 2020 году, по оценке Чана, компания 24M сможет производить аккумуляторы по цене менее $100 за киловатт?час. По мнению экспертов, именно такая стоимость представляет собой ценовой порог для массового распространения электромобилей. Строящийся сейчас мегазавод Tesla Gigafactory 1 тоже надееся выйти на такую стоимость к 2017 году за счёт массового производства.
В данный момент, по оценкам, стоимость Li-Ion аккумуляторов составляет от $300 до $500 за киловатт?час.
«Полутвёрдые» аккумуляторы
Новый техпроцесс представляет собой гибридную модель между обычной твёрдой батареей и так называемой «текучей» батареей (flow battery), в которой роль электродов выполняют суспензии из крохотных частиц в жидкости, закачанной в различные отсеки батареи. Собственно, такой дизайн аккумулятора пять лет назад изобрёл сам профессор Чан с коллегами.
В варианте 24M, хотя материал электродов не текуч, он всё равно состоит из похожей «полутвёрдой» коллоидной суспензии. Собственно, что и назали «полутвёрдой» батареей.
Такой подход сильно упрощает производство аккумуляторов, а также добавляет им гибкости и прочности. В научной работе, которую профессор опубликовал в журнале "Journal of Power Sources" (doi:10.1016/j.jpowsour.2015.06.023), сказано, что новый дизайн подходит для батарей и с низкой плотностью энергии, и с высокой плотностью энергии, как в Li-Ion аккумуляторах.
Стандартный техпроцесс предусматривает послойное нанесение жидкости на рулоны подложки. Каждый слой должен просохнуть, прежде чем наносить следующий. Новый метод вообще не требует никакой просушки. Используя меньшее количество электродов с меньшей толщиной, он на 80% уменьшает количество необходимых слоёв в батарее, а также количество нерабочего материала внутри аккулятора.
Если электродами служат частицы в суспензии, то заряженным частицам нужно преодолевать меньшее расстояние — свойство, известное как «извилистость», что уменьшает количество необходимого материала для электродов.
На иллюстрации показано, что новые аккумуляторы можно гнуть и сворачивать, это никак не влияет на их свойства.
Компания 24M уже изготовила на экспериментальном заводе около 10 000 аккумуляторов для тестирования. Фирма получила восемь патентов, на рассмотрении находится ещё 75 патентных заявок. Учитывая $50 млн полученных инвестиций от венчурных фирм плюс грант от министерства энергетики США, становится понятно, что бизнес тут серьёзный.
Изначально предполагалось использовать аккумуляторы как резервные источники питания в альтернативной энергетике, но сейчас профессор Чан с коллегами решили, что новые батареи вполне подходят для электромобилей.
Что важно, новый техпроцесс позволяет на маленьком заводе добиться такой же себестоимости производства, как и на громадной фабрике. Увеличение масштабов производства не даёт заметного экономического эффекта. Так что экономические перспективы Гигафабрики Tesla Motors становятся чуть более туманными. Впрочем, Илон Маск не обидится, если и без его помощи Li-Ion аккумуляторы подешевеют в несколько раз.
Комментарии (12)
gonzazoid
25.06.2015 15:43Ну в отличие от предыдущих прорывов вот это:
> уже изготовила на экспериментальном заводе около 10 000 аккумуляторов для тестирования.
внушает оптимизм. Если только это не вброс под гигафабрику Маска.
SpiritOfDarkDragon
25.06.2015 15:56Если серьёзно всё так хорошо — то вскоре Маск реализует свою мечту про дешёвый электромобиль. Жду его реакции на эту новость.
Grox
26.06.2015 04:55А вы думаете, что он про них ещё не знал? Я полагаю, что у Тесла Моторс налажены контакты с большим числом экспериментаторов в области батарей.
SHVV
25.06.2015 16:08+4Странно, что ничего не сказано об удельной мощности. Теоретически, при уменьшении площади электродов в 5 раз сравнимо должны упасть удельная мощность и скорость зарядки.
Mad__Max
26.06.2015 03:49В оригинальной статье пишут, что им удалось значительно увеличить подвижность ионов в электродах (видимо за счет того, что они теперь «полужидкие») и это как раз позволило пропорционально увеличить толщину слоев этих электродов без существенных потерь мощности.
А за счет меньшего кол-ва более толстых слоев снизить себестоимость — как за счет упрощения технологии производства, так и за счет резкого снижения расхода вспомогательных материалов (сепараторов и токосъемных пластин).
Т.е. новинка не в идее просто сделать электроды толще. А в новом материале электродов, который позволяет делать их толще без ущерба для параметров.
По-идее еще и на ресурсе (количестве циклов) должно положительно сказаться, т.к. одна из основных причин деградации батарей это постепенно разрушение структуры электродов в циклах заряд/разряд. А тут электроды это аморфная суспензия, у которой нет никакой упорядоченной структуры — разрушаться нечему.
Другие причины конечно никуда не денутся, но это обычно главный фактор сильнее всего влияющий на ресурс.
idiv
25.06.2015 21:35Как-то первый рисунок ни о чем. Такая же конструкция используется для высокоэнергетических ячеек. Главное, судя по всему, как раз материал электродов, но вот станет ли он заменой существующим батареям большой мощности — большой вопрос.
dunmaksim
26.06.2015 09:03+4Извините, но сразу цитата с баша (своими словами):
Читаю новости: «Учёные разработали аккумуляторы удвоенной ёмкости. Ну, всё, думаю, теперь все телефоны будут держать неделю, а не 2 дня. Да хрен там, „Теперь наши телефоны в 2 раза тоньше“».
evorios
26.06.2015 10:47Почему не сравнивают с липольками?
Самые долгоживущие аккумуляторы — это A123 (LiFePO4).
Почему бы не рассказать о них, как добились таких характеристик и в чем загвоздка дальнейшего увеличения емкости.DjOnline
26.06.2015 11:33Производителям невыгодны долгоживущие товары. Им лучше подстадить людей на абонентскую плату, заставляя людей каждый год-два менять вышедшие из строя вещи.
idiv
26.06.2015 19:12-1Так у LiFePO4 ограничение емкости в целях безопасности habrastorage.org/getpro/habr/post_images/152/34f/b45/15234fb45632b3762bc068d67b6b138f.gif
maksfff
Очередной прорыв… Когда же будет новость «в продажу поступили аккумуляторы со сравнимыми характеристиками и в два раза дешевле».
Кстати, напряжение на аккумуляторе говорит лишь о немногом. Куда интереснее насколько хорошо в новой батарее с емкостью, саморазрядом и количеством циклов зарядки, и зависят ли эти параметры от сгибания?
А еще было бы лучше знать, какие характеристики будут у аккумулятора, если впихнуть эту технологию в стандартный 18650 корпус.
Mad__Max
Вот вам новость. В продаже уже ЕСТЬ аккумуляторы со сравнимыми (или лучшими) характеристиками и в два раза дешевле!
Вы этого просто не заметили, что за последние несколько лет(около 5) они УЖЕ подешевели где-то в 2 раза. Причем несмотря на значительный рост цен собственно на сам литий. Но соответствующие новости были не сейчас, а несколько лет назад.
И поэтому продолжаете ждать, то что уже случилось.
Еще через лет 5 кто-нибудь тоже будет писать «Очередной прорыв…, когда же будет новость что они поступили в продажу?». Не обращая внимания на то, что в магазинах уже будут лежат аккумуляторы в 2 раза дешевле (на 1ед емкости), чем 5 лет назад(для нас — сейчас) и в 4 раза дешевле чем 10 лет назад.
P.S.
Начало экспоненциального роста объемов производства и продаж электромобилей большей частью связано как раз с этим. Никаких принципиально новых технологий вроде не появилось, но аккумуляторы стали значительно дешевле. Они все-равно еще дорогие, но уже не запредельно дорогие как раньше, а просто дорогие.