Разработка аккумуляторов для электромобилей будущего:почему один размер больше не подходит всем

Быстрый прогресс в области химии аккумуляторов в сочетании с меняющимися привычками к мобильности бросают вызов традиционному подходу к оптимизации производительности аккумуляторов. Здесь д-р Дорон Майерсдорф, генеральный директор пионера экстремальной быстрой зарядки StoreDot, объясняет, почему производители аккумуляторов должны найти новые способы повышения универсальности характеристик аккумуляторов на химическом уровне, чтобы удовлетворить широкий спектр потребностей водителей, и обрисовывает в общих чертах последствия новые модели вождения для более широкой индустрии электромобилей.

Д-р Дорон Майерсдорф, генеральный директор StoreDot

Индустрия электромобилей (EV) развивается с поразительно быстрой скоростью, и нигде это не проявляется так очевидно, как в области разработки аккумуляторов. Радикально новые подходы к химическому составу аккумуляторов позволяют разработчикам технологий решать задачи, которые еще пять лет назад считались невозможными, например, возможность полной зарядки электромобиля всего за пять минут. Цель всей этой тяжелой работы? Оптимизировать опыт вождения электромобиля и ускорить переход на полностью электрическую мобильность, преодолев сегодняшнее главное препятствие для внедрения — запас хода и беспокойство о зарядке. Однако по мере того, как сама химия аккумуляторов продолжает развиваться, становится очевидным, что традиционный отраслевой подход к оптимизации характеристик жизненного цикла также должен меняться.

Изменение мышления

Давайте начнем с рассмотрения того, как традиционно измерялась производительность жизненного цикла батареи. Это основано на трех ключевых параметрах — плотности энергии, скорости зарядки и количестве циклов зарядки-разрядки. Эти переменные тесно переплетены, а это означает, что если мы оптимизируем одну, другие ухудшатся. Таким образом, оптимизация батареи во многом зависит от нахождения наилучшей комбинации этих трех параметров. Во многих отношениях это довольно предсказуемый процесс, и это означает, что если мы заряжаем аккумулятор в течение шести часов, мы знаем, что он, вероятно, выдержит около 2000 циклов.

Однако появление новых химических элементов аккумуляторов вместе с усложняющимися системами управления батареями и изменением манеры вождения меняют правила игры. Внезапно производительность батареи перестала быть такой детерминированной; вместо этого он может меняться со временем в зависимости от того, как транспортное средство управляется и заряжается. Это означает, что наше мышление также должно измениться. Дело в том, что мы не можем продолжать оптимизировать работу батареи так, как делали это раньше, как статическую функцию. Он должен быть связан с профилем водителя и должен быть динамическим.

Определение водителя электромобиля будущего

Для разработчиков аккумуляторных технологий особенно актуальна необходимость определения привычек будущих водителей электромобилей. В то время как системы управления батареями дают нам возможность изменять определенные параметры с течением времени, если потребности водителя меняются — например, если он меняет работу и внезапно ему нужно чаще использовать свой автомобиль или совершать более длительные поездки — химический состав батареи остается фиксированным. Вот почему так важно убедиться, что выбранный химический состав и конструкция аккумулятора максимально точно соответствуют предполагаемым потребностям водителя.

Это осознание заставило нас задуматься о том, как будет выглядеть водитель электромобиля будущего и как это повлияет на его привычки вождения и зарядки. На самом деле будут сотни различных профилей водителей, но для простоты давайте сосредоточимся только на трех. Во-первых, есть мать из пригорода, которая в основном использует свою машину для коротких поездок и заряжает ее дома ночью. На другом конце спектра находится деловой человек, который регулярно совершает длительные поездки, часто останавливаясь на ночь в отелях; для него или нее важна частая быстрая зарядка. Затем есть водитель, который находится где-то между двумя крайностями, используя свой автомобиль как для коротких, так и для дальних поездок, и поэтому ему требуется как медленная, так и быстрая зарядка.

Каждая из этих историй связана со спецификацией батареи. Так, например, если водитель всегда быстро заряжается, нам нужно посмотреть, как мы оптимизируем химию на основе этого типа поведения, чтобы достичь наилучшего компромисса между плотностью энергии и сроком службы для этого конкретного водителя.

Быстрый прогресс в области химии аккумуляторов в сочетании с развивающимися привычками к мобильности бросают вызов традиционному подходу к оптимизации производительности аккумуляторов.

Новое мышление в действии

Существует множество химических и электрохимических соображений, которые необходимо учитывать для оптимизации состава и конструкции аккумуляторной батареи в соответствии с потребностями водителя. Это включает в себя установление оптимальной комбинации графита, кремния и/или других металлоидов в аноде, определение правильного отношения нагрузки на катод к аноду и обеспечение того, чтобы верхний и нижний пределы напряжения отсечки батареи оставались в безопасных пределах. Однако каждое принятое нами решение имеет последствия для других элементов химического состава и дизайна батареи, поэтому все это необходимо учитывать на этапе проектирования.

Когда мы разрабатывали нашу технологию экстремальной быстрой зарядки (XFC), одной из ключевых проблем, которую нам нужно было решить, было управление расширением кремния в процессе быстрой зарядки. Мы достигли этого за счет использования наночастиц, которые объединены в трехмерную структуру, чтобы обеспечить пространство для расширения частиц без существенного влияния на общую структуру или объем анода. При проектировании аккумуляторов под конкретную операционную модель нам необходимо определить не только наилучшее сочетание материалов для оптимизации наиболее важных для водителя параметров, но и то, как каждое сочетание влияет на структуру анода. Так, например, хотя в батареях, оптимизированных как для XFC, так и для медленной зарядки, может преобладать кремний, только для батареи XFC потребуется использование наночастиц для контроля расширения кремния во время процесса быстрой зарядки.

Еще больше усложняет ситуацию то, что на структуру анода также влияет тип электролита и добавки к электролиту, которые используются как часть слоя SEI при движении ионов от катода к аноду. Поскольку выбор добавок зависит от того, оптимизирована ли батарея для XFC, медленной зарядки или где-то между ними, это также следует рассматривать как часть общей конструкции анода.

Комбинация материалов, используемых в аноде, также повлияет на верхний и нижний пределы напряжения отключения батареи, так что это еще одна переменная, которую необходимо учитывать на этапе проектирования. Точно так же мы также должны учитывать, как рабочая модель транспортного средства повлияет на отношение катодной и анодной нагрузки (отношение C к A) аккумуляторной батареи. Установление правильного отношения C к A имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы в каждом цикле заряда и разряда происходила полностью обратимая реакция, а это означает, что весь литий может полностью перемещаться туда и обратно между катодом и анодом. При разработке батареи мы можем увеличить размер катода или анода примерно на 5%, чтобы сбалансировать перенос лития, поскольку каждый вариант предлагает разные точки оптимизации. В батарее, оптимизированной для быстрой зарядки, катод должен быть немного больше, тогда как в батарее, оптимизированной для медленной зарядки, размер анода может быть увеличен.

Важно убедиться, что химический состав и конструкция аккумуляторной батареи электромобиля максимально соответствуют предполагаемым потребностям водителя.

Соединяем точки

Это лишь некоторые из способов адаптации аккумуляторных технологий для лучшего удовлетворения меняющихся потребностей будущих водителей электромобилей. Однако преимущества более ориентированного на клиента подхода не ограничиваются повышением производительности батареи. Например, крупномасштабный сбор данных о манере вождения будет иметь неоценимое значение для поставщиков инфраструктуры при определении количества и типа необходимых точек зарядки, т. е. развертывания точек быстрой или медленной зарядки в каждом конкретном месте.

Это потребует стандартизированного подхода к сбору и распространению данных среди соответствующих заинтересованных сторон. Этот процесс должен начинаться в момент покупки, когда продавец задает ряд вопросов, например:«Насколько важна для вас быстрая зарядка по шкале от 1 до 10?». Другой подход заключается в том, чтобы запросить у клиента разрешение на загрузку их Google Driver Analytics, тем самым получив доступ к важной информации, такой как среднее время в пути, расстояние, скорость движения и привычки зарядки, одним нажатием кнопки. Тогда ритейлер сможет помочь своим клиентам выбрать не только лучший автомобиль для их образа жизни, но и оптимальный тип аккумулятора, исходя из их конкретных привычек вождения и зарядки.

Если мы посмотрим дальше, мы увидим, что последней остановкой в ​​этом путешествии будет предложение полностью настраиваемых аккумуляторов в стандартной комплектации. Хотя в настоящее время мы далеки от достижения этой цели, жизненно важно, чтобы необходимые строительные блоки были заложены уже сейчас. Только твердо посадив водителей за руль, мы сможем успешно выйти на следующий этап разработки аккумуляторов для электромобилей.

Сбор данных о манере вождения в больших масштабах окажется бесценным для поставщиков инфраструктуры при определении количества и типа необходимых точек зарядки.