Близится к производству быстрозаряжаемая литий-серная батарея для eVTOL

Исследователи из австралийского Университета Монаша близки к решению одной из самых больших проблем с помощью самолетов eVTOL. Новая технология литий-серных аккумуляторов команды предназначена для обеспечения примерно вдвое большей плотности энергии, чем литий-ионные (Li-ion) батареи, а также для быстрой зарядки и разрядки –, что обеспечивает необходимую подачу энергии в небе.

До сих пор литий-серные (Li-S) батареи обещали хранение энергии высокой плотности, но они страдают от медленной зарядки и разрядки. Исследователи Monash выяснили, что использование поливинилпирролидонового комплекса – унифицированного химического соединения с свойствами, отличными от свойств каждого из трех его отдельных компонентов – в качестве вспомогательного средства ускоряет химические реакции внутри батареи.

Это приводит к более быстрой зарядке и более высокой плотности энергии, как они отметили в статье, опубликованной в Усовершенствованные энергетические материалы. По словам команды, новые батареи не только быстрее и плотнее, но и значительно легче и дешевле в производстве.

«С открытиями, сосредоточенными на легкодоступных материалах, у нас есть возможность перейти к производству», — сказал профессор Майнак Маджумдер. Это намек на умное открытие, которое сделали исследователи, разрабатывая эту более быструю батарею. Кандидат наук Малиша Нишшанке отметила: «Вдохновленные химией бетадина, обычного домашнего антисептика, мы нашли способ ускорить скорость зарядки и разрядки».

Интересно отметить, что хотя мы использовали литий-ионные батареи во всем: от автомобилей до умных часов после их изобретения в 1980 году, литий-серные батареи были впервые разработаны примерно 20 лет назад. Однако из-за их внутренней химии возник ряд недостатков, и это не позволило им получить широкое распространение.

В отличие от литий-ионных аккумуляторов, в качестве катодного материала в литий-S аккумуляторах используется недорогая сера. Да, это дешевле, но эта технология также имеет такие недостатки, как меньшее количество циклов зарядки и медленная зарядка. Egibe/Викисклад

Поскольку в качестве катода они используют серу, а в качестве анода — литий или литий-ионные батареи, литий-S-батареи не равномерно повторно осаждают литий на анод во время подзарядки. Химические отложения, распространяющиеся от литиевого анода, разрушают как анод, так и электролит, что приводит к меньшему количеству циклов заряда (менее половины литий-ионного аккумулятора), снижению подачи энергии и вероятности коротких замыканий или даже возгораний.

Благодаря многолетним инновациям и последнему прорыву Монаша мы, возможно, вскоре увидим более широкое распространение батарей Li-S. Исследователи уверены, что их легкие технологии отлично подойдут для дронов; они планируют продемонстрировать его возможности в коммерческих дронах и самолетах eVTOL в течение года.

«Наш катализатор значительно повысил производительность Li-S батарей по скорости C (скорости разряда по отношению к максимальной емкости), что было продемонстрировано на ранних прототипах ячеек, проверенных концепцией», — объяснил профессор Маджумдер. «Благодаря коммерческому масштабированию и увеличению производства ячеек эта технология может обеспечить плотность энергии до 400 Втч/кг. Это делает его хорошо подходящим для приложений, требующих динамических характеристик, таких как авиация, где батареи должны обрабатывать высокие скорости C во время взлета и эффективно переключаться на низкие скорости C во время крейсерского полета.”

Аккумуляторы eVTOL должны выдерживать высокие скорости разряда, пока самолеты, такие как показанный прототип BETA Technologies A250 eVTOL, находятся в полете, поэтому плотность мощности имеет решающее значение. Брайан Дженкинс/BETA Technologies

Это значительное преимущество по сравнению с обычными литий-ионными батареями, плотность энергии которых в настоящее время составляет около 150-235 Втч/кг. Недавняя альтернатива кремниевой композитной анодной батарее от ProLogium для электромобилей имела впечатляющую плотность 321 Втч/кг, но еще не запущена в производство.

Быстрая разрядка является ключевым моментом для самолетов eVTOL, поскольку вам нужна высокая выходная мощность как для взлета, так и для посадки –, и последнее обычно происходит, когда у вас низкий уровень заряда. Достаточно важно, что немецкий производитель аэротакси Lilium подписал контракт с производителем аккумуляторов Ionbox на эксклюзивные права на свою технологию, которая специально создана для удовлетворения этих конкретных требований с анодом с преобладанием кремния в элементах.

Еще одним преимуществом Li-S-батарей является то, что они уменьшают зависимость от редких ресурсов, таких как кобальт. Их добыча может оказаться дорогостоящей и нанести вред окружающей среде. Между тем серы много, и ее легко найти.

Университет Монаша запустил стартап под названием Ghove Energy, чтобы привлечь инвестиции и вывести эту технологию на рынок. Исследовательская группа все еще работает над дальнейшим ускорением времени зарядки и разрядки, а также над сокращением количества лития, необходимого на элемент.

Между тем, CATL Китая также стремится поднять с земли свои конденсированные батареи, предназначенные для eVTOL. В прошлом году компания представила эту технологию, объявив о поразительной плотности энергии 500 Втч/кг. В июле компания отмечала, что ее аккумуляторы «в настоящее время проходят испытания в самолетах, что позволяет взлетать 4,0-тонным самолетам». Фирма надеется в ближайшее время поддержать более крупные самолеты и использовать четырехместные частные самолеты в полетах длиной до 1865 миль (3000 км) в течение следующих нескольких лет. Это установит высокую планку для расчистки батарей Li-S в ближайшем будущем.

Источник: Университет Монаша