Лекция по технолигии

«Электроавтобус проедет 250 км»

Литийионные аккумуляторы и их использование в электротранспорте

Лектор: 12.12.2011, 15:00


Литий-ионные аккумуляторы заменят моторы в автобусах

Литий-ионные аккумуляторы заменят моторы в автобусах

gizmod.ru
Литийионные аккумуляторы безопасны, экологичны, экономичны и способны «проехать» до 600 тыс. км, поработав вместо бензинового мотора. Об истории аккумуляторов, их использовании в современном электротранспорте и перспективах масштабного хранения энергии рассказывает глава НИОКР «Лиотех» к. ф.-м. н. Сергей Виноградов.

От взрыва к запасам энергии
Первые идеи использования литийионных аккумуляторов появились в начале 50-х годов, а первые реальные аккумуляторы на литии появились только в конце 80-х годов у компании Sony. В них анод состоял из лития, а катод – из оксидов металлов.

Первые аккумуляторы такого типа имели одну неприятную важную особенность – они взрывались.

Литий – очень активный и очень легкий металл, самый легкий металл – он идет в таблице Менделеева сразу за водородом и гелием. Батарейки были очень хорошими по всем параметрам: быстро заряжались, быстро разряжались, имели хорошую емкость, не имели «эффекта памяти». Однако при увеличении числа циклов зарядки-разрядки (в ходе них катион лития переходит в металл и наоборот) на литиевом аноде вырастали металлические иголочки.



Процесс роста дендритов лития, приводящий к взрыву аккумулятора//liotech.ru

Процесс роста дендритов лития, приводящий к взрыву аккумулятора//liotech.ru

Они пробивали слой электролита, и происходило короткое замыкание, сопровождавшееся взрывом. Поэтому изначально к литиевым батарейкам относились не очень хорошо. Большее распространение получили, например, никель-кадмиевые и металл-гидридные аккумуляторы, не обладавшие такими выдающимися свойствами, как литиевые.

Второе поколение аккумуляторов на литии (их принято называть литийионными) отличалось тем, что в качестве анода использовался углерод, графит. Эта идея была предложена учеными из Оксфордского университета.

Как известно, углерод – это слоистая структура (сейчас монослой углерода называют графеном), между слоями достаточно значительный «зазор», куда могут проникать (в химии используется термин «интеркалировать») другие атомы. Таким свойством обладает и литий: при зарядке-разрядке аккумулятора образуется соединение LiC6, где атомы лития внедрены между слоями в графит. Реакция образования этого соединения обратима: при зарядке углерод заполняется литием, при разрядке литий уходит из него. Это позволило избежать возникновения «иголок» из лития, которые возникали на литиевом аноде. В качестве классического катода использовался кобальтат лития (LiCoO2). Однако и у этих аккумуляторов – второго поколения – были серьезные недостатки. Он может отдать не больше половины запасенной емкости, так как при более сильной разрядке разлагаться начинает уже катод – с выделением кислорода и металлического кобальта. И здесь снова возможно короткое замыкание и взрыв.

Риск очень серьезный: литийионные батарейки по запасу энергии всего в 8 раз уступают тротилу.

Этот фактор до последнего времени принципиально ограничивал применение литий-ионных аккумуляторов большого размера – например, масштабов, необходимых для питания электротранспорта, где нужны многие киловатт-часы энергии. Угроза взрыва здесь недопустима.



Устройство литий-ионного аккумулятора с литийферрофосфатным катодом//liotech.ru

Устройство литий-ионного аккумулятора с литийферрофосфатным катодом//liotech.ru

Однако огромный потенциал литийионных аккумуляторов поддерживал постоянный интерес ученых к их усовершенствованию, и в 2003 году в Массачусетском технологическом институте впервые было предложено использовать в качестве феррофосфата лития (LiFePO4) в качестве катодного материала. Это соединение доступное и нетоксичное, в отличие от использующихся в аккумуляторах кадмия и никеля, оно всегда считалось очень перспективным для промышленности. Проблема в том, что этот смешанный фосфат совершенный диэлектрик – у него нет ни электронной, ни ионной проводимости. «Ноу-хау», созданное в МИТ в 2003 году, – использование наночастиц литийферрофосфата. Было известно, что литий может интеркалировать (проникать) в кристаллическую структуру LiFePO4 на 50 нм.

Профессор Йет Минь Чан из МИТ предложил уменьшить размеры отдельных частиц LiFePO4 до 100 нм. Так, площадь активной (доступной для интеркаляции лития) поверхности возросла в тысячи раз, электропроводность была увеличена за счет наночастиц углерода. В результате

батареи с катодом из наноструктурированного LiFePO4 превосходили обычные кобальтовые по токам разряда, кристаллическая структура электродов со временем практически не изнашивалась, поэтому количество рабочих циклов батареи возросло до 5000.

Это очень хороший материал – он способен отдать весь накопленный литий, оставаясь устойчивым. При этом сохранилось главное свойство литийионных аккумуляторов – большие емкости. Таким образом, третье поколение литийионных аккумуляторов безопасно, высокоэнергоэффективно, экологично и, главное, дешево – эксплуатация электромобиля с таким аккумулятором, например, значительно дешевле бензинового.

Батарейки для автобуса и АЭС
В гибридных автомобилях до последнего времени использовались никель-кадминевые аккумуляторы, однако с развитием технологий и производства литийионных аккумуляторов третьего поколения они получают все большую популярность. Характерный пример: на Пекинском автосалоне прошлого года ни одна компания не показала автомобиль с никель-кадминевым аккумулятором. Сегодня на литийионном аккумуляторе без перезарядки такой «электроавтобус» проедет 250 км. Для личного автомобильного транспорта это, конечно, мало, но для городского пассажирского транспорта – вполне достаточно. Что еще более важно – за 4–6 часов его можно полностью зарядить от обычной сети, а за 20 минут – на 80% (быстрая зарядка) зарядить от специализированной мощной сети.

Ресурс использования одного аккумулятора – около 600 тыс. км, что примерно равно ресурсу самого автобуса.

В Китае, например, электротранспорт развивается очень активно, и рынок испытывает дефицит литийионных аккумуляторов. Электротранспорт на литийионных аккумуляторах относительно недорогой, экологичный и тихий, что особенно важно для создания комфортной городской среды. Флагман их производства китайская компания Thunder Sky, технология которой используется на открытом в Новосибирске заводе «Лиотех», даже готова приобретать его продукцию для китайского рынка, если она не будет востребована в России. В целом потребность в литийионных аккумуляторах есть – не только для электротранспорта, но и для решения проблемы накопления энергии. Сегодня в России очень сильно выражены суточные колебания потребления энергии (в СССР это сглаживалось мощной энергопотребляющей промышленностью, которая сейчас не работает). Поскольку потребление определяется ЖКХ, есть два ярко выраженных суточных пика – утром и вечером, понижение потребления днем и затишье – ночь. Вместе с тем, например, АЭС не могут так быстро вводить и выводить из работы энергоблоки. Таким образом,

Росатом выразил заинтересованность в литийионных аккумуляторах в контексте использования для запасания энергии, накапливающейся в периоды ее сниженного потребления.

Научные новости сейчас пестреют различными разработками устройств энергосбережения, например, фторидных аккумуляторов и суперконденсаторов. Однако с точки зрения промышленного внедрения, тем более для батарей большого размера и емкости, литийионные аккумуляторы остаются самой совершенной современной технологией, актуальной для внедрения и широкого использования.