Установлен рекорд удельной емкости литиевой батареи

Американская компания Envia Systems объявила (PDF-документ), что построила перезаряжаемую литиевую ячейку с выдающимися параметрами. 

Независимый тест, проведённый центром вооружений ВМС США (Naval Surface Warfare Center Crane Division), показал, что опытная батарея от Envia c номинальной вместимостью (C) 45 А-ч (для нагрузки C/3) обладает удельной ёмкостью в диапазоне от 378 до 418 ватт-часов на килограмм при нагрузке от C/3 до C/10.

Средний показатель новой батареи, таким образом, составляет примерно 400 Вт-ч/кг. Это существенно выше, чем у любого серийного литиевого аккумулятора. Сами исследователи из Envia в качестве референсной точки упоминают ячейку Panasonic NCR18650A с расчётными 245 Вт-ч/кг.

Секрет батареи Envia заключается в инновационных электродах. Оба выполнены по оригинальной методике.

Катод представляет собой слоистый композит Li2MnO3•LiMO2, называемый авторами "высокоемким, богатым марганцем" — HCMR. Его собственная удельная ёмкость составляет около 300 мА-ч/г. Это примерно вдвое лучше, чем у серийных катодов для литиевых аккумуляторов (LiCoO2, LiMn2O4 или LiFePO4) при меньшей стоимости.

Правда, в экспериментах мы видели и более впечатляющие катоды, скажем, для литиево-серных аккумуляторов, но у тех имеются проблемы с живучестью. А вот HCMR, по словам разработчиков, способен выдержать тысячу циклов при глубине разряда 80%.

Анод новой батареи – это композит из углерода и кремния. Как и в ряде других опытов, авторы батареи соблазнились очень высокой теоретической ёмкостью кремния (способностью удерживать много атомов лития). Но и тут проблемой было создание электрода, способного долго работать без радикальной потери свойств.

Вариант кремниевого анода от Envia показал удельную ёмкость в 1530 мА-ч/г. При этом после 300 циклов заряда/разряда он сохранил 91% своей начальной ёмкости.

В дополнение к электродам компания придумала электролит, остающийся стабильным при более высоком напряжении, чем стандартный (5,2 вольта против 4,3 В), и это стало ещё одним фактором роста общей ёмкости.

Готовая литиевая ячейка показала вполне удовлетворительную живучесть. При нагрузке C/3 и глубине разряда 80% она преодолела порядка 400 циклов, ёмкость же её при этом упала приблизительно с 45-46 до 27-28 А-ч.

                                                                                                           
Это ещё далеко не идеал для автомобильного применения, но тут нужно учесть, что с новой батареей электромобиль сможет проходить в 2,5-3 раза больше километров на одной зарядке при том же весе аккумуляторов. Следовательно, и заряжать их придётся реже. Может, далеко не каждый день.

Envia Systems ещё продолжит уточнять начинку и детали строения своей батареи, надеясь на успешное внедрение новации.

Калифорнийская компания утверждает, что при массовом производстве её ячейки должны стоить $180 за кВт-ч, а в перспективе (к 2016 году) и вовсе $125. Для сравнения, используемые в электромобилях литиевые батареи ныне стоят $250-350 за киловатт-час, а их удельная ёмкость – 80-150 Вт-ч/кг.

Добавим, что работа над новым накопителем велась на средства агентства по передовым исследованиям министерства энергетики США (ARPA-E).