Hvorfor hurtig opladning er batteriernes død

De ønsker at skifte olie, men de har stadig en fatal fejl, som producenterne er tavse om.

Kulalderen er længe blevet husket. Også æraen med olie nærmer sig en slutning. I det tredje årti af XNUMX århundrede lever vi tydeligt i batteriets æra.

DERES ROLLE har ALTID været betydelig, siden elektricitet kom ind i menneskeliv. Men nu har tre tendenser pludselig gjort energilagring til den vigtigste teknologi på planeten.

Den første tendens er boomet inden for mobile enheder - smartphones, tablets, bærbare computere. Vi plejede at bruge batterier til ting som lommelygter, mobilradioer og bærbare enheder - alt sammen med relativt begrænset brug. I dag har alle mindst én personlig mobilenhed, som han bruger næsten konstant, og uden hvilken hans liv er utænkeligt.

DEN ANDEN TREND er brugen af ​​vedvarende energikilder og den pludselige uoverensstemmelse mellem toppene af elproduktion og -forbrug. Det plejede at være nemt: Når ejerne tænder for komfurer og tv om aftenen, og forbruget stiger kraftigt, er operatører af termiske kraftværker og atomkraftværker simpelthen nødt til at øge strømmen. Men med generering af sol og vind er dette umuligt: ​​toppen af ​​produktionen sker oftest på et tidspunkt, hvor forbruget er på det laveste niveau. Derfor skal energi lagres på en eller anden måde. En mulighed er det såkaldte "brintsamfund", hvor elektricitet omdannes til brint og derefter tilfører brændstoffet til nettet og elektriske køretøjer. Men de ekstraordinært høje omkostninger ved den nødvendige infrastruktur og menneskehedens dårlige erindringer om brint (Hindenburg og andre) lader dette koncept stå tilbage for nu.

De såkaldte "smarte net" ser i marketingafdelingernes sind: elektriske køretøjer modtager overskydende energi ved højeste produktion og kan derefter om nødvendigt returnere det til nettet. Imidlertid er moderne batterier endnu ikke klar til en sådan udfordring.

EN ANDEN MULIG SVAR til dette problem lover en tredje tendens: udskiftning af forbrændingsmotorer med batterielektriske køretøjer (BEV'er). Et af de vigtigste argumenter til fordel for disse elektriske køretøjer er, at de kan være aktive deltagere i nettet og tage overskuddet for at returnere dem, når det er nødvendigt.

Hver EV-producent, fra Tesla til Volkswagen, bruger denne idé i deres PR-materiale. Imidlertid genkender ingen af ​​dem, hvad der er smerteligt klart for ingeniører: moderne batterier er ikke egnede til sådant arbejde.

LITHIUM-ION-TEKNOLOGIEN, der dominerer markedet i dag og leverer fra dit fitnessarmbånd til den hurtigste Tesla Model S har mange fordele i forhold til ældre koncepter som blysyre eller nikkelmetalhydridbatterier. Men det har også nogle begrænsninger og frem for alt en tendens til ældning ..

De fleste mennesker tænker på batterier som en slags rør, som elektricitet på en eller anden måde "strømmer" i. I praksis lagrer batterier imidlertid ikke elektricitet alene. De bruger det til at udløse visse kemiske reaktioner. Derefter kan de starte den modsatte reaktion og genvinde deres ladning.

For lithium-ion-batterier ser reaktionen med frigivelse af elektricitet sådan ud: lithiumioner dannes ved anoden i batteriet. Disse er lithiumatomer, som hver har mistet en elektron. Ionerne bevæger sig gennem den flydende elektrolyt til katoden. Og de frigivne elektroner kanaliseres gennem et elektrisk kredsløb, hvilket giver den energi, vi har brug for. Når batteriet er tændt til opladning, vendes processen, og ionerne samles sammen med de mistede elektroner.

"Overvækst" med lithiumforbindelser kan forårsage kortslutning og antænde batteriet.

Desværre har den HØJE REAKTIVITET, der gør lithium så velegnet til fremstilling af batterier, en ulempe - det har en tendens til at deltage i andre, uønskede kemiske reaktioner. Derfor dannes der gradvist et tyndt lag af lithiumforbindelser på anoden, som forstyrrer reaktionerne. Og så falder batterikapaciteten. Jo mere intenst det oplades og aflades, jo tykkere bliver denne belægning. Nogle gange kan den endda frigive såkaldte "dendritter" - tænk drypsten af ​​lithiumforbindelser - der strækker sig fra anoden til katoden og, hvis de når den, kan forårsage kortslutning og antænde batteriet.

Hver cyklus med opladning og afladning forkorter lithium-ion-batteriets levetid. Men den nyligt moderigtige hurtigopladning med en trefaset strøm fremskynder processen markant. For smartphones er dette ikke en stor barriere for producenterne, under alle omstændigheder vil de tvinge brugerne til at skifte deres enheder hvert andet til tredje år.Men biler er et problem.

For at overbevise forbrugerne om at købe elektriske køretøjer skal producenter også lokke dem med hurtigopladningsmuligheder. Men hurtige stationer som Ionity er ikke egnede til daglig brug.

OMKOSTNINGERNE PÅ BATTERIET ER EN ANDEN TREDJEDEL og endda mere end hele prisen på dagens elbil. For at overbevise deres kunder om, at de ikke køber en tikkende bombe, giver alle producenter en separat, længere batterigaranti. Samtidig er de afhængige af hurtigere opladning for at gøre deres biler attraktive til langdistancerejser. Indtil for nylig kørte de hurtigste ladestandere med 50 kilowatt. Men den nye Mercedes EQC kan lades op til 110 kW, Audi e-tron op til 150 kW, som tilbydes af europæiske Ionity-ladestationer, og Tesla forbereder sig på at hæve barren endnu højere.

Disse producenter indrømmer hurtigt, at hurtig opladning ødelægger batterier. Stationer som ionitet er mere velegnede til nødsituationer, når en person er kommet langt og har lidt tid. Ellers er det klogt at oplade dit batteri langsomt derhjemme.

Hvor opladet og afladet det er, er også vigtigt for dets levetid. Derfor anbefaler de fleste producenter ikke opladning over 80% og under 20%. Med denne tilgang mister et lithium-ion-batteri i gennemsnit ca. 2 procent af sin kapacitet om året. Det kan således vare 10 år eller op til ca. 200 km, før dets kraft falder så meget, at det bliver ubrugeligt i en bil.

Endelig afhænger BATTERILIVET naturligvis af dets unikke kemiske sammensætning. Det er forskelligt for hver producent, og i mange tilfælde er det så nyt, at det ikke engang vides, hvordan det ældes over tid. Flere producenter lover allerede en ny generation af batterier med en levetid på "en million miles" (1.6 millioner kilometer). Ifølge Elon Musk arbejder Tesla på en af ​​dem. Det kinesiske firma CATL, der leverer produkter til BMW og en halv snes andre virksomheder, har lovet, at det næste batteri vil vare 16 år eller 2 millioner kilometer. General Motors og Koreas LG Chem udvikler også et lignende projekt. Hver af disse virksomheder har deres egne teknologiske løsninger, som de vil prøve i det virkelige liv. GM vil for eksempel bruge innovative materialer til at forhindre fugt i at trænge ind i battericeller, hvilket er hovedårsagen til litiumskalering på katoden. CATL-teknologi tilføjer aluminium til nikkel-kobolt-mangananoden. Dette reducerer ikke kun behovet for kobolt, som i øjeblikket er den dyreste af disse råvarer, men øger også batterilevetiden. Det er i hvert fald, hvad de kinesiske ingeniører håber. Potentielle kunder er glade for at vide, om en idé fungerer i praksis.