Varför snabbladdning är batteriernas död

De vill byta olja, men de har fortfarande en dödlig brist som tillverkarna är tysta om.

Kolåldern har länge varit ihågkommen. Även eran med olja tar slut. Under det tredje decenniet av XNUMX-talet lever vi tydligt i batteriets era.

DITT ROLLE har ALLTID varit betydelsefullt sedan el kom in i människors liv. Men nu har tre trender plötsligt gjort energilagring till den viktigaste tekniken på planeten.

Den första trenden är uppsvinget för mobila enheter – smartphones, surfplattor, bärbara datorer. Vi brukade behöva batterier för saker som ficklampor, mobilradio och bärbara enheter – alla med relativt begränsad användning. Idag har alla minst en personlig mobil enhet, som han använder nästan konstant och utan vilken hans liv är otänkbart.

DEN ANDRA TRENDEN är användningen av förnybara energikällor och den plötsliga diskrepansen mellan topparna av elproduktion och konsumtion. Förr var det enkelt: när ägarna slår på spisar och TV-apparater på kvällen, och förbrukningen ökar kraftigt, måste operatörer av värmekraftverk och kärnkraftverk helt enkelt öka effekten. Men med generering av sol och vind är detta omöjligt: ​​toppen av produktionen inträffar oftast vid en tidpunkt då förbrukningen är på sin lägsta nivå. Därför måste energi lagras på något sätt. Ett alternativ är det så kallade ”vätesamhället”, där elektricitet omvandlas till väte och sedan matar bränslet till elnätet och elfordon. Men de utomordentligt höga kostnaderna för den nödvändiga infrastrukturen och mänsklighetens dåliga minnen av väte (Hindenburg och andra) lämnar detta koncept på baksidan för nu.

De så kallade "smarta rutnäten" ser i marknadsavdelningarnas hjärnor: elfordon får överflödig energi vid toppproduktion och kan vid behov återföra den till nätet. Moderna batterier är dock ännu inte redo för en sådan utmaning.

ETT ANNAT MÖJLIGT SVAR på detta problem lovar en tredje trend: byte av förbränningsmotorer med batterielektriska fordon (BEV). Ett av huvudargumenten för dessa elfordon är att de kan vara aktiva deltagare i nätet och ta överskottet för att returnera dem vid behov.

Varje EV-tillverkare, från Tesla till Volkswagen, använder denna idé i sina PR-material. Men ingen av dem känner igen det som är smärtsamt klart för ingenjörer: moderna batterier är inte lämpliga för sådant arbete.

LITIUMJONSTEKNIKEN som dominerar marknaden idag och levererar från ditt fitnessarmband till den snabbaste Tesla Model S har många fördelar jämfört med äldre koncept som blysyra eller nickelmetallhydridbatterier. Men det har också vissa begränsningar och framför allt en tendens till åldrande.

De flesta tänker på batterier som ett slags rör i vilket elektricitet på något sätt "strömmar". I praktiken lagrar dock inte batterierna själva. De använder den för att utlösa vissa kemiska reaktioner. Då kan de starta motsatt reaktion och återfå sin laddning.

För litiumjonbatterier ser reaktionen med utsläpp av elektricitet ut så här: litiumjoner bildas vid anoden i batteriet. Dessa är litiumatomer, som var och en har tappat en elektron. Jonerna rör sig genom den flytande elektrolyten till katoden. Och de frigjorda elektronerna kanaliseras genom en elektrisk krets, vilket ger den energi vi behöver. När batteriet slås på för laddning vänds processen och jonerna samlas upp tillsammans med de förlorade elektronerna.

"Överväxt" med litiumföreningar kan orsaka kortslutning och antända batteriet.

Tyvärr har den HÖGA REAKTIVITET som gör litium så pass lämplig för att tillverka batterier en baksida - det tenderar att delta i andra, oönskade kemiska reaktioner. Därför bildas gradvis ett tunt lager av litiumföreningar på anoden, vilket stör reaktionerna. Och så minskar batterikapaciteten. Ju mer intensivt det laddas och urladdas, desto tjockare blir denna beläggning. Ibland kan den till och med frigöra så kallade "dendriter" - tänk stalaktiter av litiumföreningar - som sträcker sig från anoden till katoden och, om de når den, kan orsaka kortslutning och antända batteriet.

Varje laddnings- och urladdningscykel förkortar litiumjonbatteriets livslängd. Men den nyligen fashionabla snabbladdningen med trefasström påskyndar processen avsevärt. För smartphones är detta ingen stor barriär för tillverkarna, i alla fall vill de tvinga användarna att byta enheter vartannat till vart tredje år.Men bilar är ett problem.

För att övertyga konsumenter att köpa elfordon måste tillverkarna också locka dem med snabbladdningsalternativ. Men snabba stationer som Ionity är inte lämpliga för daglig användning.

KOSTNADEN FÖR BATTERIET ÄR YTTERLIGARE EN TREDJE och till och med mer än hela priset på dagens elbil. För att övertyga sina kunder om att de inte köper en tickande bomb ger alla tillverkare en separat längre batterigaranti. Samtidigt förlitar de sig på snabbare laddning för att göra sina bilar attraktiva för långväga resor. Tills nyligen fungerade de snabbaste laddstationerna på 50 kilowatt. Men nya Mercedes EQC kan laddas upp till 110kW, Audi e-tron upp till 150kW, som erbjuds av europeiska Ionity-laddstationer, och Tesla förbereder sig för att höja ribban ännu högre.

Dessa tillverkare erkänner snabbt att snabb laddning kommer att förstöra batterier. Stationer som Ionity är mer lämpliga för nödsituationer när personen har kommit långt och har lite tid. Annars är det långsamt att ladda batteriet hemma.

Hur laddad och urladdad den är är också viktig för dess livslängd. Därför rekommenderar de flesta tillverkare inte att ladda över 80% och under 20%. Med detta tillvägagångssätt tappar ett litiumjonbatteri i genomsnitt cirka 2 procent av sin kapacitet per år. Således kan det ta tio år, eller upp till cirka 10 200 km, innan dess kraft faller så mycket att den blir oanvändbar i en bil.

Slutligen beror naturligtvis BATTERILIVET på dess unika kemiska sammansättning. Det är olika för varje tillverkare, och i många fall är det så nytt att det inte ens är känt hur det kommer att åldras med tiden. Flera tillverkare lovar redan en ny generation batterier med en livslängd på "en miljon mil" (1.6 miljoner kilometer). Enligt Elon Musk arbetar Tesla på en av dem. Det kinesiska företaget CATL, som levererar produkter till BMW och ett halvt dussin andra företag, har lovat att nästa batteri kommer att räcka i 16 år, eller 2 miljoner kilometer. General Motors och Koreas LG Chem utvecklar också ett liknande projekt. Var och en av dessa företag har sina egna teknologilösningar som de vill testa i verkligheten. GM, till exempel, kommer att använda innovativa material för att förhindra att fukt tränger in i battericeller, vilket är den främsta orsaken till litiumskalning på katoden. CATL-teknik tillför aluminium till nickel-kobolt-mangananoden. Detta minskar inte bara behovet av kobolt, som för närvarande är det dyraste av dessa råvaror, utan ökar också batteriets livslängd. Det är åtminstone vad de kinesiska ingenjörerna hoppas. Potentiella kunder är glada att veta om en idé fungerar i praktiken.