Сегодня существует растущий спрос на высокоэффективные, компактные, легкие и пригодные для повторного использования аккумуляторные батареи, поскольку мир движется к более прогрессивной электрификации, особенно в транспортном секторе, а также в приложениях с большим объемом производства, таких как мобильные устройства. Электрификация и устойчивое развитие требуют инновационных аккумуляторных технологий.
В этой статье обсуждаются две ведущие компании по производству аккумуляторов, а также последние разработки и тенденции, которые они привносят в отрасль.
Кристаллическая батарея Theion
Theion GmbH — это немецкая компания, которая в своих лабораториях разрабатывает технологию литий-серно-кристаллического катода для аккумуляторных батарей (Li-S «Crystal Battery») для мобильных приложений. Эта новая технология обеспечивает тройной запас хода, но при этом требует одной восьмой энергии для производства по сравнению с существующими литий-ионными батареями.
Используя серу в качестве катодного материала, затраты могут быть снижены, а плотность энергии может быть доведена до совершенно нового уровня.
Сера (Li2S) является очень многообещающим катодным материалом, который стоит всего 0,20 евро/кг по сравнению с 20 евро/кг других катодных материалов (например, NMC811) и имеет в 3–5 раз большую теоретическую плотность энергии.
Представители компании Theion на презентации своей батареи из кристаллов серы
Запатентованный производственный процесс Theion сочетает свойства кристаллического материала серы с углеродными нанотрубками и запатентованным твердым электролитом.
Theion выращивает пластину из чистой серы методом прямого отпечатка кристаллов (DCi) (без покрытия суспензией, без растворителей, без воды, без сушки) непосредственно из расплавленной серы за несколько секунд. Благодаря гибкости процесса компания может выращивать пластины любой геометрической формы.
Поскольку этот процесс является очень гибким, можно создать пластину любой геометрической формы (адаптируя ее к потребностям клиента), даже несмотря на то, что для экономии места предлагается шестиугольная форма.
Theion устраняет почти все объемные колебания серы на уровне пластин с помощью специального процесса преобразования. Добавляя проводящие пути, компания максимально использует активный материал для достижения высокой плотности энергии.
Запатентованный твердотельный полимерный электролит работает в пустотах серной пластины. В кристаллических элементах Gen 1 и Gen 2 Theion будет использовать металлическую литий-металлическую фольгу в качестве анодов.
«По-настоящему драматические изменения происходят, когда литиевая сера превращается в другую структуру. Мы кладем на него покрытие из углеродных нанотрубок, ориентируем углеродные нанотрубки, а затем кристаллизуем вокруг углеродных нанотрубок всю серу, получая твердую структуру углеродных нанотрубок с кристаллической структурой серы вокруг нее.»
Кристаллическая батарея Theion имеет ряд преимуществ, в том числе высокую емкость (вплоть до трехкратной гравиметрической и объемной плотности энергии), такой же срок службы, как и у современных технологий, возможность быстрой зарядки, высокую безопасность (невоспламеняющиеся компоненты) и низкий уровень заряда. стоимость (стоимость серы составляет 1% от стоимости NMC811).
Более того, сера является промышленным побочным продуктом (не требуется вредной добычи), она безопасна и дешева для переработки, а это означает, что она также очень устойчива.
Целевым применением такой клеточной химии будут все мобильные устройства и транспортные средства, где вес и объем имеют значение. Однако самый первый рынок — это космос, нишевый рынок, где требуются легкие батареи.
Предполагается, что в коммерческих ракетах топливные насосы будут заменены электрическими насосами, питаемыми кристаллическими батареями Theion.
Ученый Theion готовит порошок серы. Имеющаяся в изобилии сера может заменить катодные материалы с высокими затратами на переработку, такие как никель и кобальт в батареях.
Первые образцы кристаллических батарей Theion будут доступны к концу этого года. В 2023 году Theion планирует предоставить первые образцы для пассажирских самолетов eVTOL (воздушных такси) и всех мобильных устройств, таких как мобильные телефоны, ноутбуки и носимые устройства.
В 2024 году в центре внимания будет очередь электрических дальнемагистральных пассажирских самолетов и электромобилей — наиболее требовательных рынков.
В аккумуляторе катод отвечает за плотность энергии, а анод отвечает за быструю зарядку. Еще одним преимуществом кристаллической батареи является то, что ее также очень легко заряжать, поэтому быстрая зарядка не является проблемой.
Следующий шаг, который имеет решающее значение, — это индустриализация и расширение производства. Недостаточно иметь правильный материал и уметь его обрабатывать. Должна быть возможность перейти от небольших производственных линий к крупным и, в конечном счете, к гигантским производственным линиям. Более того, с серой в качестве катодного материала будет достаточно катодного материала, чтобы без проблем удовлетворить рыночный спрос.
Компания Theion создана в январе 2020 года в Берлине (Германия). Она занимается производством экологически чистых аккумуляторов нового поколения. Theion расширяется, добавляя производственные мощности, чтобы ускорить план массового производства, начиная с Берлина. Места для будущих гигафабрик пока не определены, но они будут располагаться недалеко от клиентов. Таким образом, производственные площадки предусмотрены в Европе, Азии и США.
OneD расширяет свою деятельность
Компания OneD Battery Sciences — мировой лидер в области инноваций со штаб-квартирой в Пало-Альто, штат Калифорния, разработала технологию SSINANODE, в которой используются специальные кремниевые нанопровода для значительного улучшения графитовых анодов, а также для увеличения плотности энергии, срока службы и экономической эффективности аккумуляторов для электромобилей.
Процесс SINANODE сплавляет кремниевые нанопроволоки с коммерческими графитовыми порошками, что, по словам компании, втрое увеличивает плотность энергии анода и вдвое снижает его стоимость за кВтч. Более высокая плотность энергии увеличивает запас хода батареи, а нанопровода сокращают время зарядки.
Начиная с мая, первые пилотные заводы OneD будут открыты для OEM-производителей в Мозес-Лейк, штат Вашингтон. На каждом пилотном заводе используется машина CVD (модульная машина для нанесения покрытий в вакууме), которая может производить около 100 тонн материала в год.
Аккумуляторная батарея SINANODE, в которой анодные материалы изготовлены путем сплавления кремниевых нанопроволок с графитовым порошком
Типичному производителю электромобилей потребуется 10 000 аккумуляторных батарей, которые проходят многочисленные тесты на безопасность и качество, прежде чем они смогут подписать разрешение на установку их в коммерческий автомобиль.
OneD разработала прототип, состоящий из 4690 ячеек, что соответствует размеру аккумуляторной батареи электромобиля. Это очень важно, потому что невозможно реально оценить каждый параметр без построения ячеек размером с электромобиль.
«В настоящее время все производство осуществляется на нашем производственном объекте в Пало-Альто», — сообщает OneD. «Однако это не идеальное место для этого, потому что это не промышленное место, и мы очень ограничены. Вот почему мы решили построить нашу первую экспериментальную установку в Мозес-Лейк».
Прямо сейчас OneD также работает с автопроизводителями электромобилей на руководящем уровне, а не только на техническом уровне, поскольку перед ними стоит огромная задача: создать цепочку поставок на каждом континенте.
Объем материала, который потребуется в ближайшие несколько лет, огромен. Поэтому OneD будет работать с поставщиками графита в Азии, Европе и США и улучшать их графит, чтобы он соответствовал стратегическому императиву.
«Электрификация — большая проблема», — говорит OneD в своем пресс-релизе. «К 2025 году не будет достаточного количества производителей аккумуляторов для электромобилей, чтобы удовлетворить рыночный спрос».
Литий-ионные аккумуляторы имеют два основных варианта использования. Первый — это мобильный литий-ионный аккумулятор, который используется для питания автомобилей. Другой — литий-ионный аккумулятор, используемый для возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия. Учитывая их размер, все эти рынки должны быть сбалансированы.
Разница в том, что в секторе возобновляемых источников энергии батарея является стационарной, поэтому мы можем использовать батареи с меньшей остаточной емкостью.
OneD позволяет оптимизировать различные новые анодные материалы, не влияя на цепочку поставок каждого клиента электромобиля, предлагая каждому покупателю электромобиля собственное экспериментальное оборудование для обработки графита и добавления кремниевых нанопроволок.
Оборудование на одном из плотных предприятий по производству аккумуляторных батарей SINANODE
Заглядывая в будущее, OneD рассчитывает поддерживать темпы работы с многочисленными автомобильными партнерами на их пилотных заводах, а также совершенствовать свою революционную технологию Sinanode, чтобы удовлетворить рыночный спрос на более эффективные и экономичные аккумуляторы для электромобилей.
Компания OneD Battery Sciences создана в 2013 году в Калифорнии (США). С 200 выданными патентами и проверенной технологией для производства кремниевых анодных материалов — графита для крупносерийного производства она является одним из лидеров в области инновационных аккумуляторных технологий.
Смотрите также: Перспективы применения органических полимеров в литий-ионных аккумуляторах