Может ли сверхбыстрая зарядка аккумулятора починить электромобиль?
Иссам Мудавар, профессор машиностроения Университета Пердью, уже 37 лет решает проблемы, связанные с жарой. Они часто следуют шаблону. Любой, кто мечтает о суперкомпьютере или новой авионике для истребителя, рано или поздно столкнется с одной и той же проблемой: сложная электроника, начиненная триллионами транзисторов, выделяет огромное количество тепла. Итак, мечтатели приходят к Мудавару, парню, который зарабатывает на жизнь изучением терморегулирования. «Всегда кажется, что охлаждение — это последнее, о чем люди думают», — говорит он.
Пару лет назад Форд обратился к Мудавару с более скромной проблемой: зарядным кабелем. Как и другие автопроизводители, Ford стремится поставлять электромобили, которые быстро включаются. Но есть проблема с более быстрым движением электронов: это приносит тепло. Если цель состоит в том, чтобы зарядить ваш электромобиль, скажем, за пять минут, это дополнительное сопротивление току означает проблемы, связанные с температурой внутри аккумулятора и снаружи.
Мудавар решает проблему, которой на самом деле еще не существует. Министерство энергетики США определило так называемую «экстремальную» быструю зарядку как увеличение запаса хода на 200 миль за 10 минут. Это достижимо с помощью существующих зарядных станций и кабелей, возможности которых еще не исчерпаны, отчасти из-за их собственных проблем с нагревом. Тем временем работа Мудавара предвосхищает будущее, когда заправка автомобиля электронами может даже соперничать по удобству с бензоколонкой.
В последнее время в электромобилях наблюдается тенденция: чем больше, тем лучше. Автопроизводители теперь нацелены на запас хода в 400 миль в качестве противоядия от «беспокойства по поводу запаса хода», и в то же время они электрифицируют главные элементы американских дорог — Chevy Silverados, Ford F-150, Hummers. Массивные автомобили плюс огромные требования к запасу хода означают совершенно гигантские батареи. Неудивительно, что это связано с компромиссом: зарядка этих больших батарей требует дополнительного времени.
Сложно совместить эти два метода, объясняет Ахмад Песаран, эксперт по хранению энергии в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии. Фраза вроде «пятиминутная зарядка» означает совсем другое, если вы заряжаете аккумулятор на 200 киловатт-часов, такой как тот, что установлен в Hummer, по сравнению с аккумулятором на 40 кВтч в Nissan Leaf. Эти большие батареи требуют гораздо больше энергии, и у них есть структурные барьеры, которые затрудняют быструю зарядку. Для этого, вероятно, потребуются новые зарядные устройства и батареи, новые модные кабели, возможно, даже модернизация линий передачи, питающих зарядные устройства, чтобы они могли справиться с огромным всплеском спроса.
В настоящее время большинство автомобилей не могут использовать самые мощные зарядные станции, которые у нас уже есть, говорит Чао-Янг Ван, исследователь аккумуляторов из Университета штата Пенсильвания. Причины кроются в основном в самой батарее, в первую очередь в явлении, называемом литиевым покрытием. Когда батареи заряжаются, ионы лития прижимаются к аноду из графита. Чтобы вложить больше энергии в батареи, этот материал был разработан так, чтобы он был довольно толстым, чтобы он мог удерживать больше ионов. Но это становится препятствием для зарядки. По мере того, как ток становится более интенсивным, эти ионы не могут достаточно быстро проникнуть внутрь толстого материала анода. Поэтому вместо этого они накапливаются на его поверхности в виде металлического лития — они образуют пластину.