Рекорд удельной ёмкости литий-ионного аккумулятора от Envia Systems

В конце февраля 2012 года американская компания Envia Systems в опубликованном пресс-релизе сообщила миру об установлении нового рекорда удельной ёмкости для литий-ионного (Li-ion) аккумулятора — 400 ватт-часов на килограмм (Wh/kg)

Независимый тест, проведённый центром вооружений ВМС США (Naval Surface Warfare Center Crane Division), показал, что аккумулятор от Envia c номинальной ёмкостью 45Ah обладает удельной ёмкостью в диапазоне от 378 до 418 ватт-часов на килограмм при нагрузке от C/3 до C/10 (4.5-15A). Тестируемый аккумулятор в мягком корпусе имел габаритные размеры 97*190*10 мм и вес 365 г.

Средний показатель новой батареи, таким образом, составляет примерно 400Wh/kg. Это существенно выше, чем у любого серийного литий-ионного аккумулятора. Сами исследователи из Envia в качестве референсной точки упоминают цилиндрический литий-ионный аккумулятор Panasonic NCR18650A 3.6V с ёмкостью 3100mAh весом 45.5 грамм с расчётными 245Wh/kg.

Кроме того, в Envia заявляют, что они достигли рекордно низкой стоимости литий-ионных аккумуляторов — 150$ за киловатт-час, что является ещё одним рекордным показателем в индустрии производства подобных источников питания. Для сравнения, в настоящее время один киловатт-час в аналогичных аккумуляторах достаётся  конечному потребителю по цене 500-600$.

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

Катод представляет собой слоистый композит Li₂MnO₃•LiMO₂, называемый авторами «высокоёмким, богатым марганцем» — HCMR. Его собственная удельная ёмкость составляет около 300mAh/g. 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 1530mAh/g. 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 4,2-4.3V), 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 27-28Ah.

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.

Компания уверяет, что материалы новой батареи не грозят её возгоранием даже при аварии. На снимках – обычная (вверху) и новая литиевые батареи после пробития гвоздём (фотографии Envia Systems).

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

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