Австралийская компания Graphene Manufacturing Group (GMG) протестировала производительность нового типа алюминий-ионных аккумуляторов, которые могут заряжаться в десять раз быстрее, чем современные литий-ионные батареи. При этом они живут дольше и не нуждаются в охлаждении.
Плюсы и минусы алюминий-ионных батарей
В экспериментах, проведенных на базе Австралийского института биоинженерии и нанотехнологий при Университете Квинсленда, прототипы миниатюрных батареек-таблеток выдали следующие показатели производительности.
Плотность мощности в них составила около 7000 Вт/кг. Это показатель, который определяет нагрузочную способность батареи - то, как быстро она может отдавать накопленный заряд и заряжаться. Для сравнения, современные литий-ионные батареи имеют плотность мощности от 250 до 700 Вт/кг. Увеличение в десять раз - огромный скачок, который ставит алюминий-ионные аккумуляторы на одну ступень с ультраконденсаторами, плотность мощности которых составляет 12 000-14 000 Вт/кг.
К сожалению, по второму ключевому показателю, плотности энергии, алюминий-ионные аккумуляторы проигрывают литий-ионным. Плотность энергии в прототипах составила 150-160 Вт·ч/кг. Проще говоря, при равном весе полностью заряженный алюминий-ионный аккумулятор будет хранить лишь 60% заряда литий-ионного аккумулятора.
Плотность энергии крайне важна для электротранспорта. Чем она выше, тем больше машина может проехать на одной зарядке. Так что, на первый взгляд, алюминий-ионные аккумуляторы не подходят для разработчиков электромобилей.
С другой стороны, они заряжаются так быстро, что смартфон, работающий на такой батарее, мог бы заряжаться с нуля до 100% за пять минут. Перенесите это в мир электромобилей, и вы получите машину, которая может проехать на полном заряде 300 километров вместо 500, но зато заряжается за считанные минуты. Учитывая это, алюминий-ионные аккумуляторы все же могут оказаться полезными для машин, предназначенных для коротких путешествий в условиях хорошо развитой зарядной инфраструктуры.
Наконец, алюминий-ионные батареи способны пережить 2000 циклов заряда/разряда без заметного ухудшения производительности. Они чрезвычайно безопасны и имеют низкий пожарный потенциал. Их проще утилизировать и перерабатывать. И, наконец, им не нужен литий, добыча которого зачастую превращается в настоящую экологическую катастрофу.
Еще один важный плюс алюминий-ионных батарей - превосходная тепловая производительность. Даже когда они заряжаются и разряжаются с огромной скоростью, они не перегреваются. “Пока проблем с температурой нет. Двадцать процентов аккумуляторного блока литий-ионных батарей в электромобиле занимает система его охлаждения. Есть очень высокая вероятность, что нам вообще не понадобится охлаждение или обогрев. Алюминий-ионные батареи не перегревается и хорошо работают при температуре ниже нуля. Им не нужны контуры охлаждения или отопления, на которые в настоящее время приходится около 80 кг в 100 кВт/ч аккумуляторе”, - говорит управляющий директор GMG Крейг Никол.
Этот факт меняет расчеты дальности хода электромобилей. Например, если взять литий-ионный аккумулятор емкостью 100 кВт·ч, то алюминий-ионный аккумулятор такого же веса и конструкции будет иметь емкость лишь 60 кВт·ч. Но раз он не греется, вы можете выбросить из него систему охлаждения и загрузить дополнительные 80 кг батарей. Это, при той же равной массе, даст емкость 72,8 кВт·ч. В общем, алюминий-ионные аккумуляторы выглядят как хороший компромисс между емкостью, скоростью зарядки и безопасностью.
Звучит круто. Но, увы, существует еще одна проблема - инфраструктура.
Проблема инфраструктуры
Хорошо, если батарея может быстро и безопасно поглотить огромный объем энергии. Но это только половина дела. Вам также понадобится зарядная станция, которая способна выдать такой объем энергии.
Мобильный телефон способен быстро заряжаться, не плавя розетку, но с электромобилями все сложнее. Зарядные станции Tesla уже способны “качать” электроны со скоростью до 250 кВт. Это примерно 60 кВт·ч за 15 минут. Если вы хотите заряжать электромобиль в 10 раз быстрее, вам нужно подать на кабель мощность в 2,5 мегаватта.
Для сравнения, средняя угольная электростанция генерирует общую мощность около 600 мегаватт. Подключите к ней 240 сверхбыстрых зарядных станций электромобилей - и они полностью поглотят ресурс электросети.
Таким образом, сверхбыстрая зарядка электромобилей, становится сложной задачей, особенно на фоне того, что мир старается переходить на возобновляемые источники энергии.
Проблема производства
Вторая проблема - стоимость и производство новых батарей. Ключевой ингредиент алюминий-ионного аккумулятора - пористый графен, в котором происходит диффузия молекул алюминия.
GMG заявляет, что уже может производить высококачественный графен при низких затратах и в больших объемах. Но при этом компания не делится данными о стоимости батарей. Общемировая цена графена в данный момент колеблется в районе $100 за грамм. Если только GMG не нашли способ производить графен в тысячу раз дешевле, то даже “недорогая” версия может оказаться едва ли не золотой.
Наконец, следует помнить, что существует огромная разница между лабораторным прототипом и конечным продуктом. GMG утверждает, что уже к концу этого года представит прототипы маленьких алюминий-ионных батареек-“таблеток” для испытаний коммерческим партнерам. Вероятно, аккумуляторы будут тестироваться в небольших электронных устройствах. Но пока слишком рано судить о том, когда технология будет выпущена на реальный рынок.
Результаты тестов опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
