Elektryki wytrzymałe na ekstremalny mróz. Nowe baterie będą bardziej odporne

Nowa technologia produkcji litowo-jonowych ogniw akumulatorowych może sprawić, że elektryczne samochody będą w stanie pokonywać dłuższe dystanse i ładować się szybciej, nawet w ekstremalnie niskich temperaturach. 

Stosowane dziś w samochodach elektrycznych akumulatory są wrażliwe na zewnętrzną temperaturę. Zarówno wysokie, jak i bardzo niskie temperatury mogą wpływać na wydajność baterii pojazdu, szczególnie gdy kierowca włącz ogrzewanie lub klimatyzację pojazdu. To z kolei istotnie wpływa na zasięg samochodu w ekstremalnych temperaturach. 

Naukowcy uważają, że bezpieczne użytkowanie akumulatorów litowo-jonowych jest możliwe w stosunkowo wąskim zakresie temperatur - od około 0 do 60 stopni Celsjusza. Szacunki mogą się jednak różnić.  

Jak w 2019 r. ustaliło Amerykańskie Stowarzyszenie Motorowe (AAA), kiedy temperatura na zewnątrz spada do -7°C, średni zasięg pojazdu elektrycznego zmniejsza się nawet o 39% w porównaniu do zasięgu przy 24°C,. Aby zrozumieć dlaczego, musimy zagłębić się w chemię, która napędza baterię pojazdu elektrycznego.

Podczas ładowania pojazdów elektrycznych, przenoszące ładunek jony litu przepływają przez płynny elektrolit od jednego końca każdej komórki baterii do drugiego (pomiędzy katodą dodatnią a anodą ujemną). Następnie, gdy samochód wykorzystuje zgromadzoną w baterii energię podczas jazdy, jony przemieszczają się z powrotem w przeciwnym kierunku. 

Jeśli bateria się schłodzi (na przykład podczas mrozu), płyn między anodą i katodą gęstnieje, spowalniając jony. Oznacza to, że chłodniejsze baterie mogą ładować się dłużej i szybciej tracić ładunek niż w łagodniejszych temperaturach. Ładowanie samochodu w temperaturze poniżej 0°C może spowodować gromadzenie się jonów litu na powierzchni anody, ponieważ cząstki nie mogą się wystarczająco szybko przemieszczać. Te skupiska jonów, nazywane płytkowaniem, mogą spowodować zwarcie baterii.

Ponadto, cały pojazd elektryczny musi pracować na podwyższonych obrotach, aby się ogrzać. Jego system zarządzania temperaturą, który reguluje temperaturę baterii, silnika elektrycznego i innych elementów, również zużywa energię. A gdy kierowca włączy ogrzewanie kabiny, bateria musi zasilać system klimatyzacji i inne urządzenia, takie jak odmrażacz i podgrzewane siedzenia. Samochody z silnikami spalinowymi również cierpią z powodu zimna; ich zużycie paliwa spada o około 15% przy -7°C, w porównaniu do tego, co osiągnęłyby przy 25°C. 

Ekstremalnie gorące dni również mogą negatywnie wpływać na wydajność pojazdu elektrycznego. Wysokie temperatury przyspieszają ruch jonów, a w pewnym momencie wywołuje to kaskadę niepożądanych reakcji chemicznych, które mogą degradować elementy baterii (w tym elektrolit) w ciągu życia samochodu. Gdy temperatura na zewnątrz osiągnie 35°C, a kierowcy włączą klimatyzację, zasięg jazdy może spaść o 17%.

Modyfikowanie oprogramowania samochodu może pozwolić na lepsze wykorzystanie akumulatorów. Tesle i inne pojazdy elektryczne wyposażone w zaawansowane komputery pokładowe wykorzystują złożone modele sztucznej inteligencji, aby zapewnić bezpieczną i wydajną pracę baterii. 

Programy te analizują dane z czujników temperatury i napięcia, aby zapobiegać przeładowaniu baterii i przewidzieć, jaki dystans samochód może przejechać na pozostałym ładunku. Tesle mają również funkcję wstępnego przygotowania, która polega na tym, że samochód ogrzewa lub chłodzi baterię do odpowiedniej temperatury ładowania, zanim podłączy się ją do ładowarki.

Chińscy badacze zastosowali jednak inne podejście do problemu. Chcą drastycznie poprawić wydajność baterii litowo-jonowych w ekstremalnych temperaturach, zmieniając ich chemiczną strukturę. 

Aby poprawić wydajność baterii litowo-jonowych, Xiulin Fan z Uniwersytetu Zhejiang w Chinach i jego współpracownicy zidentyfikowali obiecujący nowy elektrolit - element baterii, przez który naładowane cząstki przepływają tam i z powrotem między elektrodą dodatnią i ujemną.

"Elektrolit jest prawdopodobnie najważniejszym elementem wewnątrz baterii, umożliwiającym pracę w niskich temperaturach i szybkie ładowanie" - mówi Feng Lin z politechniki Virginia Tech.

Symulacje komputerowe i wstępne eksperymenty sugerują, że lit może przepływać szybciej przez elektrolit wykonany z rozpuszczalnika o nazwie fluoroacetonitryl (FAN). Nowy elektrolit umożliwia większą pojemność baterii i szybsze ładowanie, nawet w temperaturach zdecydowanie poniżej zera. W -70°C, zaledwie 24°C powyżej najniższej temperatury odnotowanej na Ziemi, jego przewodność jest 10 000 razy większa niż standardowego elektrolitu akumulatorowego.

Naukowcy przeprowadzili dodatkowe eksperymenty, aby pokazać, jak ogniwa akumulatorowe wykorzystujące elektrolit FAN zachowują się w ekstrermalnych warunkach. W -35°C, co odpowiada mroźnej zimie na Alasce, zachowują 76% pojemności. Nawet przy temperaturze zimy antarktycznej wynoszącej -80°C utrzymuje 51% pojemności.

Większość pojazdów komercyjnych może mieć problemy z zamarzaniem w ekstremalnie niskich temperaturach, niezależnie od tego, czy są napędzane akumulatorami elektrycznymi, czy silnikami spalinowymi, mówi Gil Tal z University of California, Davis. Ale jeśli chodzi o baterie pojazdów elektrycznych, "każda nowa technologia ma znacznie większe szanse na zastosowanie, jeśli działa w szerszym zakresie temperatur".

Dotychczasowe eksperymenty sugerują, że bateria litowo-jonowa oparta na nowym elektrolicie mogłaby działać w zakresie temperatur od -80°C do  +60°C mówi Fan. Stosowane dziś powszechnie akumulatory zwykle pracują w zakresie od -20°C do 55°C.

Nie wiadomo jednak, kiedy baterie oparte na nowym elektrolicie mogłyby pojawić się na rynku. Zmiana chemicznych podstaw, na których bazują akumulatory produkowane masowo wymaga dużych inwestycji i wielu dalszych testów aby upewnić się, że każda bateria zbudowana wokół nowego elektrolitu będzie bezpieczna i będzie dobrze działać w warunkach rzeczywistych.

Dodatkowo, koszt fluoroacetonitrylu w porównaniu do powszechnie stosowanego elektrolitu akumulatorowego jest wysoki: rozpuszczalnik około 40 dolarów za gram w porównaniu do 0,05 dolara za najpowszechniej stosowane dziś elektrolity.Fan i jego współpracownicy planują pracować nad ulepszeniem procesu syntezy elektrolitu w celu obniżenia jego ceny, jednocześnie opracowując dodatki w celu dalszej poprawy jego wydajności.