Исследователи из австралийского Университета Монаша близки к решению одной из самых больших проблем с самолетами eVTOL. Новая технология литий-серной батареи, разработанная командой, предназначена для обеспечения примерно в два раза большей плотности энергии, чем литий-ионные (Li-ion) батареи, а также быстрой зарядки и разрядки, что обеспечивает необходимую в небе подачу энергии.
До сих пор литий-серные (Li-S) батареи были многообещающими для хранения энергии высокой плотности, но они страдают от медленной зарядки и разрядки. Исследователи Монаша выяснили, что использование поливинилпирролидонового комплекса — единого химического соединения с другими свойствами, чем у каждого из трех его отдельных компонентов — в качестве посредника ускоряет химические реакции внутри батареи.
Это приводит к более быстрой зарядке и более высокой плотности энергии, как они отметили в статье, опубликованной в Advanced Energy Materials. По словам команды, новые батареи не только быстрее и плотнее, но также значительно легче и дешевле в производстве.
«Благодаря открытиям, сосредоточенным на легкодоступных материалах, у нас есть возможность перейти к производству», — сказал профессор Майнак Маджумдер. Это дань уважения умному открытию, которое сделали исследователи, разрабатывая эту более быструю батарею. Кандидат наук Малиша Нишшанке отметила: «Вдохновленные химией бетадина, обычного бытового антисептика, мы нашли способ ускорить скорость заряда и разряда».
Интересно отметить, что хотя мы используем литий-ионные аккумуляторы во всем, от автомобилей до умных часов, после их изобретения в 1980 году, литий-серные аккумуляторы были впервые разработаны примерно на 20 лет раньше. Однако из-за их внутренней химии возникло несколько недостатков, и это помешало им получить широкое распространение.
В отличие от литий-ионных аккумуляторов, в литий-ионных аккумуляторах в качестве катодного материала используется недорогая сера. Да, это дешевле, но эта технология также имеет недостатки, такие как меньшее количество циклов зарядки и медленная зарядкаEgibe/Wikimedia Commons
Поскольку они используют серу в качестве катода и литий или литий-ион в качестве анода, батареи Li-S неравномерно повторно осаждают литий на аноде во время перезарядки. Химические отложения, которые распространяются от литиевого анода, ухудшают как анод, так и электролит, что приводит к меньшему количеству циклов зарядки (менее половины литий-ионной батареи), снижению подачи энергии и вероятности коротких замыканий или даже возгораний.
Благодаря инновациям за эти годы и последнему прорыву Монаша мы вскоре можем увидеть более широкое применение батарей Li-S. Исследователи уверены, что их легкая технология отлично подойдет для беспилотников; они планируют продемонстрировать ее возможности в коммерческих беспилотниках и самолетах eVTOL в течение года.
«Наш катализатор значительно улучшил показатели C-rate (скорость разряда относительно максимальной емкости) аккумуляторов Li-S, продемонстрированные в ранних прототипах ячеек для проверки концепции», — пояснил профессор Маджумдер. «С коммерческим масштабированием и более крупным производством ячеек эта технология может обеспечить плотность энергии до 400 Вт·ч/кг. Это делает ее хорошо подходящей для приложений, требующих динамических характеристик, таких как авиация, где аккумуляторы должны выдерживать высокие C-rate во время взлета и эффективно переключаться на низкие C-rate во время крейсерского полета».
Батареи eVTOL должны выдерживать высокие скорости разряда во время полета самолетов, таких как показанный прототип eVTOL A250 компании BETA Technologies, поэтому плотность мощности имеет решающее значениеБрайан Дженкинс/BETA Technologies
Это значительное преимущество по сравнению с обычными литий-ионными аккумуляторами, которые в настоящее время имеют плотность энергии около 150-235 Вт·ч/кг. Недавняя альтернатива аккумулятору с кремниевым композитным анодом от ProLogium для электромобилей продемонстрировала впечатляющую плотность 321 Вт·ч/кг, но она еще не поступила в производство.
Быстрая разрядка имеет ключевое значение для самолетов eVTOL, поскольку вам нужна высокая выходная мощность как для взлета, так и для посадки — а последнее обычно происходит, когда у вас низкий уровень заряда. Это достаточно важно, чтобы немецкий производитель воздушных такси Lilium заключил с производителем аккумуляторов Ionbox эксклюзивные права на его технологию, которая специально создана для удовлетворения этих особых требований с преобладающим кремнием анодом в своих ячейках.
Еще одним преимуществом аккумуляторов Li-S является то, что они снижают зависимость от редких ресурсов, таких как кобальт. Их добыча может быть дорогостоящей и наносить вред окружающей среде. Между тем, сера широко распространена 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.
Тем временем китайская CATL также стремится вывести на рынок свои конденсированные батареи, предназначенные для eVTOL. Она представила эту технологию в прошлом году, объявив о поразительной плотности энергии 500 Вт·ч/кг. В июле компания отметила, что ее батареи «в настоящее время проходят испытания в самолетах, что позволяет взлетать 4-тонным самолетам». Компания надеется вскоре поддержать более крупные самолеты и снабжать четырехместные частные самолеты на расстояниях до 1865 миль (3000 км) в течение следующих нескольких лет. Это установит высокую планку для батарей Li-S, которую предстоит преодолеть в ближайшем будущем.
