Французский аккумулятор-рекордсмен. Французская компания Nawa Technologies обещает утроить емкость аккумуляторов и ускорить зарядку

В наши дни, когда мировое автомобилестроение начинает всерьез поглядывать в сторону электрокаров, когда авиационные компании создают первые опытные образцы самолетов, летающих на электродвигателях, старая, как мир электроники, проблема неэффективной работы аккумуляторных батарей снова выходит на передний план. Не секрет, что многие компании по всему миру уже работают над решением этой проблемы, изобретая все более долговечные и эффективные аккумуляторные системы. Одним из таких примеров можно считать разработку французской компании Nawa Technologies.
В начале октября текущего 2020 года компания по производству ультраконденсаторов (они являются альтернативными приборами для накопления энергии, в которых, в отличие от аккумуляторных батарей, заряды разделяются электростатически, а не химически) и аккумуляторов Nawa Technologies анонсировала новый электрод на углеродной основе для аккумуляторов, который позволяет производителям создавать тяговые аккумуляторы (комплект аккумуляторов, накапливающих электрическую энергию, предназначенную для питания тягового двигателя транспортного средства) с более высокими характеристиками.
В частности, Nawa обещает увеличить емкость аккумуляторов в три раза и в то же время сократить время зарядки до минут, вместо часов. Более того, новая технология увеличит срок службы аккумулятора в пять раз. И это еще не все – технология также будет более экологически чистой, поскольку в ней меньше используются редкоземельные материалы.
Применительно к электромобилю усовершенствованный литий-ионный аккумулятор со сверхбыстрым углеродным электродом может удвоить запас энергии в кВт⋅ч, а это уже означает, что электромобили смогут потреблять больше энергии, чтобы двигаться дальше или быстрее, что делает дальность передвижения транспортного средства, скажем, в 1000 км вполне обычным явлением для электромобилей массового потребления. Время зарядки можно сократить до пяти минут при 80-процентном заряде.
Представленная технология основана на конструкции электрода, называемой VACNT – «вертикально ориентированной углеродной нанотрубкой» (Vertically Aligned Carbon Nanotube). При таком подходе аккумуляторы больше не ограничиваются классическими системами на основе порошков – VACNT может использоваться с существующими и с новыми химическими составами батарей.
В настоящее время одним из основных ограничений мощности, энергии и жизненного цикла аккумулятора является конструкция и материал, из которого изготовлен электрод. Существующие сегодня электроды, изготовленные на основе неэффективных порошков, имеют низкую электрическую, термическую и ионную проводимость, а также плохие механические характеристики при разрядке и перезарядке, они также могут страдать от раннего расслоения и разрушения, что приводит к проблемам с безопасностью и сокращает жизненный цикл изделия.
Основанный на вертикально ориентированной конструкции углеродных нанотрубок Nawa, которая также является основой ультраконденсаторов следующего поколения, сверхбыстрый углеродный электрод от французской компании сочетает в себе высокую ионную проводимость (благодаря полностью доступной трехмерной наноструктуре) с высочайшей электрической и теплопроводностью. По заявлению инженеров компании, все это достигается за счет сверхплотного размещения 100 миллиардов нанотрубок на квадратный сантиметр.
Трехмерная геометрия электродов может решить подавляющее большинство ограничений производительности, с которыми сталкиваются сегодня производители аккумуляторов, увеличивая мощность в десять раз, аккумулируя энергию до трех раз, жизненный цикл – до пяти раз и сокращая время зарядки до минут, вместо часов. Далее, с учетом того, что на электроды приходится почти 25% от общей стоимости батареи, а стоимость современного мирового рынка литий-ионных аккумуляторов превышает 35 миллиардов долларов, Nawa Technologies рассчитывает на то, что ее новая технология может обеспечить значительную экономию средств.
Электрод на углеродной основе является результатом шестилетних исследований, в течение которых Nawa Technologies разработала процесс выращивания вертикально ориентированных углеродных нанотрубок для своих ультраконденсаторов следующего поколения. Представители компании заявляют о возможности выращивать VACNT на обеих сторонах алюминиевой подложки шириной в один метр в рулонном режиме, и это без растворителей или связующих, что дополнительно снижает стоимость электродов на 30% из расчета на 1 Вт ч.
Nawa Technologies утверждает, что ее технология будет доступна в течение 12 месяцев. Новый продукт будет доступен в виде полностью трехмерного анода или катода, где вертикально ориентированные углеродные нанотрубки служат каркасом, на который можно наносить литиевый материал.
С точки зрения экологичности, эта продукция легко перерабатывается и утилизируется в конце ее жизненного цикла без большого вреда для окружающей среды. А поскольку для изготовления аккумулятора теперь потребуется меньше материалов, представители Nawa Technologies предполагают, что выбросы CO2 уменьшатся на 60%.
Поскольку автомобильная промышленность в настоящее время потребляет 75% мирового производства литиевых аккумуляторов, с перспективой дальнейшего роста спроса, Nawa Technologies рассматривает этот рынок как одну из основных своих целей.
В России тоже ведутся аналогичные работы, так ученые из «Сколтеха», МГУ и МФТИ выяснили, как можно значительно повысить емкость суперконденсаторов. Еще в 2019 году появилось сообщение о том, что российские ученые использовали углеродные структуры с большой удельной поверхностью в качестве исходного материала и заменяли часть атомов углерода на азот, что приводит к увеличению электрохимической емкости. В результате этого емкость суперконденсаторов выросла шесть раз – они начали показывать отличную стабильность в циклах зарядки-разрядки – об этом заявил Станислав Евлашин, старший научный сотрудник «Сколтеха».
Как предполагают российские ученые, аналогичным образом можно повысить емкость суперконденсаторов, изготовленных из других углеродных наноматериалов, в том числе нанотрубок и графена. Это позволит создавать «батарейки будущего», которые можно будет встраивать в одежду и носимую электронику.