Израильский стартап начал производить аккумуляторы, которые заряжаются за пять минут. Когда уже можно будет их опробовать?
На этой неделе израильский стартап StoreDot, который больше пяти лет разрабатывает аккумуляторы с ультрабыстрой зарядкой, сообщил о выходе на широкий рынок. Его батареи планирует выпускать крупный китайский производитель EVE Energy. Новые аккумуляторы компания собирается устанавливать пока только в смартфоны и небольшие электрические транспортные средства — например, скутеры. Но свою главную цель StoreDot не скрывает: по словам разработчиков, именно медленные современные аккумуляторы сдерживают повсеместное внедрение электромобилей — и компания намерена это изменить. «Медуза» рассказывает, в чем, собственно, заключается сложность с быстрой зарядкой литий-ионных батарей, и что может помешать StoreDot внедрить свои ультрабыстрые аккумуляторы на практике.
12 лет назад Deutsche Bank предсказывал, что к 2020 году более 10% продаваемых ежегодно автомобилей будут электрическими. В реальности по состоянию на 2020 год этот показатель, по данным Bloomberg, находился на уровне всего 2,7%. Сдерживают рост рынка электромобилей несколько причин, одна из которых — низкая емкость используемых аккумуляторов и большое количество времени, необходимое для их зарядки.
Сегодня для полной зарядки аккумулятора электромобиля требуется несколько часов. Даже в режиме быстрой зарядки на полное восстановление заряда аккумулятора, например, Tesla Model 3 потребуется около часа. Это принципиально отличает электромобили от традиционных бензиновых машин и, безусловно, ограничивает их сферу использования.
Проблему эту осознают очень многие, ей посвящены сотни исследовательских статей и множество усилий инженеров. Среди них — израильский стартап StoreDot, который занимается разработкой собственного аккумулятора как минимум с 2015 года. Его инженерам уже удалось создать несколько прототипов, для полной зарядки которых достаточно всего пяти минут.
Почему обычные аккумуляторы не заряжаются быстро?
Скорость восполнения заряда аккумулятора определяется величинами напряжения и силы тока, которые на него подаются. В теории чем больше вольт и ампер вы подадите, тем быстрее источник тока восстановит свою емкость. Однако на практике при подаче тока со слишком высоким напряжением или силой аккумулятор может сильно потерять в емкости, вздуться или даже взорваться.
«Когда аккумулятор заряжается, литий с положительного электрода переходит на отрицательный. В традиционном аккумуляторе этот электрод состоит из графита. Когда мы разряжаем устройство, литий внедряется в структуру графита, — говорит „Медузе“ заместитель заведующего Лабораторией физико-химических процессов в постлитийионных источниках тока МФТИ Дмитрий Семененко. — Если делать это быстро, то литий не успевает внедряться в графит и образуется в виде металлической фазы на отрицательном электроде. Литий в виде металла образует не гладкие слои, а разветвленные структуры — дендриты».
Дендриты представляют собой вытянутые, сходные с ветвящимися деревьями (отсюда и название) кристаллы из атомов лития, которые при высоких токах довольно быстро прорастают до катода. В результате через них два электрода соединяются друг с другом и вызывают короткое замыкание, которое может привести к возгоранию.
При нормальном разряде аккумулятора происходит обратный процесс: соединение лития и графита распадается, в результате чего в цепь попадает электрон, а атом лития снова становится положительным ионом. Если попытаться ускорить процесс, может возникнуть другая проблема: слишком большой входящий или исходящий поток ионов лития будет разрушать графит, сильно снижая емкость элемента.
Чем аккумулятор StoreDot отличается от других?
Еще в 2019 году в своем рекламном видео StoreDot продемонстрировал, как всего за пять минут разработанная им батарея для электроскутера зарядилась с 15% до 100% емкости. О самой емкости аккумулятора ничего не известно, но разработчики уверяют, что полностью заряженный скутер может проехать около 300 километров.
По словам разработчиков, они «полностью переделали все составляющие батареи». Ключевое нововведение StoreDot — использование нанопорошка кремния вместо графита. На кремнии при быстрой зарядке не растут дендриты, что делает его безопаснее.
«У кремния много других проблем, но скорость зарядки он немного увеличивает, поднимая напряжение, при котором происходит образование металлического лития. StoreDot предложила использовать кремний в виде наночастиц. Это позволило увеличить площадь поверхности и уменьшить плотность тока, тем самым сделав процесс менее напряженным», — объясняет Дмитрий Семененко.
Благодаря использованию нанопорошка ученым удалось уменьшить толщину слоя кремния в электрохимической ячейке в 30 раз — с 300 до 10 микрометров. Чтобы собрать аккумулятор, разработчики складывали множество ячеек вместе, формируя таким образом батарею с высокой емкостью. Снижение толщины ячеек критически важно: чем тоньше эти составляющие аккумулятора, тем компактнее батарея при той же емкости или более емкая при той же толщине.
Однако не все кремниевые материалы одинаково хороши. Несмотря на то, что анод из кремния решает проблему роста дендритов, при быстрой зарядке он так же сильно набухает из-за избытка внедренных ионов, как и электрод из графита. Вбирая в себя ионы лития, кремниевый электрод сильно увеличивается в объеме, что буквально разрушает его изнутри. Использование кремниевых наноматериалов вместо кристаллического соединения позволяет частично решить эту проблему, но ограничения на параметры тока зарядки в таком случае все еще остаются.
Когда наши электромобили смогут заряжаться за пять минут?
На данный момент StoreDot нацелен на рынок небольших электрических транспортных средств, беспилотников и смартфонов. Производить аккумуляторы израильский стартап намерен на заводе EVE Energy — одного из лидеров на рынке литий-ионных аккумуляторов, который уже 20 лет создает эффективные батареи высокой емкости.
В будущем компания планирует построить собственную фабрику под названием OneGiga. Она будет заточена на производство аккумуляторов с функцией сверхбыстрой зарядки.
Ключевые инвесторы StoreDot — BP (British Petroleum), Daimler, Samsung Ventures и TDK. Размеры инвестиций не раскрываются. Стартап пока не подписал никаких контрактов на поставку батарей, но уверяет, что «вместе со своими стратегическими партнерами находится в авангарде движения за массовое внедрение электромобилей».
Несмотря на хорошие новости от одного из множества стартапов, зарядить за пять минут электромобили в ближайшем будущем мы вряд ли сможем. И дело тут не только в ограничениях самих батарей. «Чтобы восполнить заряд батареи Tesla емкостью около 100 киловатт-часов за пять минут, потребуются токи мощностью в единицы мегаватт. Это очень большие величины — токи такой мощности потребляют заводы. Даже если сама электрохимия [нового аккумулятора] сможет позволить сверхбыструю зарядку, то потребуется серьезная инфраструктура, которой у нас пока нет», — рассказывает Дмитрий Семененко.
На данный момент Store Dot вывела на коммерческий рынок только первое поколение своих батарей. Израильские ученые планируют вскоре представить новый тип аккумуляторов с более высокими характеристиками. И хотя зарядить аккумулятор скутера с помощью новой технологии можно всего за пять минут, для восполнения емкости батареи электромобиля может потребоваться от 30 минут и больше.
«Медуза»