Считается, что современные литий-ионные элементы лучше всего работают при комнатной температуре, поскольку это позволяет найти разумный компромисс между скоростью зарядки и ухудшением характеристик элемента. Однако оказывается, что их прогрев перед зарядкой позволяет получить более высокую мощность зарядки и не оказывает существенного влияния на расход батареи.

Механизм от Теслы с научной разработкой

В 2017 году Tesla добавила в свои автомобили механизм предварительного прогрева аккумулятора при низких температурах. Это должно было обеспечить большую дальность полета зимой и более быструю зарядку в морозы. Впрочем, сам по себе нагрев и охлаждение не стали особым открытием, многие производители используют активно охлаждаемые/обогреваемые элементы или комплектные аккумуляторные блоки.

Суть заключалась в том, чтобы подавать тепло таким образом, чтобы ускорить процесс зарядки без разрушения элементов . Вроде после обновления обнаружилось, какая должна быть температура, чтобы сократить простои на зарядке. Функция нагрева батареи перед подключением к Supercharger (предварительный нагрев, в конечном итоге в 2019 году: прогрев батареи на маршруте) была включена в программное обеспечение на постоянной основе после премьеры Supercharger v3 в марте 2019 года:

Ученые из Центра электрохимических двигателей Университета штата Пенсильвания только что доказали правоту Теслы. А это значит , что электромобили заряжаются за 10 минут мощностью в несколько сотен киловатт и никаких стрессов из-за деградации емкости аккумуляторов на протяжении десятков лет, лишь бы точно была подобрана температура, до которой нагреваются элементы.

Но начнем с самого начала:

Самая большая проблема литий-ионных аккумуляторов — захваченный литий. Либо в SEI, либо в графите. И все же меньше лития = меньше емкость

Принято считать, что оптимальной рабочей температурой литий-ионных аккумуляторов является комнатная температура . Поэтому механизмы активного охлаждения аккумуляторов гарантируют, что элементы не перегреваются слишком сильно (потому что не всегда удается удержать номинальные 20 градусов Цельсия).

Читайте також:  Беларусь сбила «украинский» БПЛА: детальный разбор фейка

Комнатная температура позволяет сдерживать рост пассивирующего слоя – затвердевшей фракции электролита, образовавшейся на электроде, которая связывает ионы лития; SEI – и заточение ионов лития в графитовом электроде. Повышение температуры означает, что оба процесса ускоряются. Вы можете увидеть это после начальных тестов.

Ученые из Центра электрохимического двигателя проверили, что литий-ионные элементы, используемые в электромобилях, способны выдержать всего около 50 зарядов мощностью 6 Кл (т.е. в 6 раз больше емкости элемента, например, элемент емкостью 0,2 кВт·ч). заряжается 1,2 кВт и т. д.).

Для сравнения те же ссылки:

  • они легко достигли свыше 2500 зарядов на 1 Кл (для автомобиля с аккумулятором на 40 кВтч это 40 кВт, для автомобиля с аккумулятором на 80 кВтч – 80 кВт и т. д.),
  • они выдержали всего 200 зарядов при 4С .

При этом под «выдерживать» мы подразумеваем потерю 20 процентов первоначальной емкости, потому что именно так этот термин понимается в автомобилестроении.

Исследователи литий-ионных элементов в течение многих лет пытались решить эту проблему, изменяя состав электролитов или покрывая электроды различными материалами, предотвращающими захват ионов лития. Потому что именно ионы лития, путешествующие в аккумуляторе, отвечают за емкость элемента.

Совершенно неожиданно оказалось, что проблему можно решить гораздо проще. Достаточно нагреть элемент, чтобы значительно уменьшить проблему захвата ионов лития. К сожалению, более высокая температура все равно приводила к уменьшению емкости ячейки: при ограничении инкапсуляции лития в электрод проблема роста пассивирующего слоя (SEI) не решалась.

Более высокая температура на короткое время = безопасная зарядка с гораздо большей мощностью

Однако ученым из вышеупомянутого исследовательского центра удалось найти золотую середину. Они назвали это методом асимметричной температурной модуляции . Они нагревают элемент в течение 30 секунд до 48 градусов по Цельсию, затем заряжают его в течение 10 минут, чтобы, наконец, система заработала и температура упала.

Читайте також:  Кандидат в мэры Киева Верещук: Столица рискует получить мэра без опыта

Почему зарядка занимает всего 10 минут? Что ж, при мощности 6 С этого времени достаточно, чтобы зарядить аккумулятор до 80 процентов его емкости. 6C означает подачу питания:

  • 240 кВт для Nissan Leaf II
  • 400 кВт для Hyundai Kona Electric 64 кВтч,
  • 480 кВт для Tesla Model 3.

При зарядке от 0 до 80 процентов такие высокие мощности требуют 10 минут простоя на зарядном устройстве. Однако, если скорость разряда батареи ниже (10 процентов, 15 процентов,…), процесс перезарядки займет даже меньше 10 минут!

Механизм охлаждения батареи должен только следить за тем, чтобы температура батареи не поднималась выше 50 градусов (исследователи говорят, 53 градуса Цельсия), чтобы ограничить скорость создания пассивирующего слоя. В то же время малое время зарядки позволяет сократить период его роста.

Полученные результаты? На кончиках ваших пальцев: зарядка 200–500 кВт и 20–50 лет автономной работы

Ученым удалось доказать, что обработанные таким образом элементы NMC622 способны выдержать 1700 зарядов мощностью 6 Кл и потерю до 20 процентов емкости. 1700 зарядок не очень впечатляют, но если мы проезжаем 20 000 километров в год и батарея имеет емкость 50 кВтч, то этот результат выльется в 23 года эксплуатации .

Добавим, что аккумуляторы и дальность пробега электромобилей растут, а поляки обычно проезжают менее 20 000 километров в год — значит, емкость аккумуляторов должна упасть до 80 процентов через какие-то 30-50 лет.