Новая конструкция твердотельного аккумулятора от MIT может наконец сделать электромотоциклы готовыми к реальной эксплуатации

Твердотельные аккумуляторы так долго обещают спасти электромобили, что их заявления стали звучать уже не как технологии, а как повторяющиеся мотивационные речи. Больший запас хода, более быстрая зарядка, меньший вес, повышенная безопасность. Все это звучит отлично — при условии, что кто-нибудь сможет на самом деле производить такие устройства без микроскопических литиевых шипов, прорастающих сквозь них и вызывающих короткое замыкание.

Эта досадная проблема называется образованием дендритов, и исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) и Мюнхенского технического университета, возможно, нашли лучший способ контроля над ней. Исследование MIT сосредоточено на границах зерен внутри керамических твердых электролитов, которые, по сути, представляют собой микроскопические швы, где встречаются крошечные кристаллические зерна. Эти швы могут нарушать движение ионов лития и создавать электрические условия, способствующие накоплению металлического лития.

Как только этот литий начинает формироваться в тонкие нити, он может в конечном итоге пробить электролит и соединить обе стороны аккумулятора. Это так же плохо, как просверлить топливный бак беспроводной дрелью. Аккумулятор может закоротить, выйти из строя, перегреться или превратиться в дорогостоящий научный эксперимент, который никто не хочет держать зажатым между коленями.

Исследователи изучили керамический материал под названием литий-лантан-цирконат, обычно сокращаемый до LLZO, и обнаружили, что электрический дисбаланс на границах его зерен способствовал созданию условий для образования дендритов. Изменив способ обработки материала, они уменьшили этот дисбаланс и позволили ионам лития перемещаться через электролит более свободно.

Модифицированный материал выдерживал критическую плотность тока более чем на 300% выше, чем базовый образец, прежде чем произошло короткое замыкание. Это не означает 300% большего запаса хода, 300% большей емкости аккумулятора или пятиминутной зарядки с последующим героическим рывком в закат. Это означает, что материал выдерживал гораздо больший ток, прежде чем литиевые нити создавали проблемы.

Для электромобилей это в конечном итоге может помочь обеспечить более быструю зарядку и более энергоемкие аккумуляторы. Но для электромотоциклов и техники для активного отдыха последствия могут быть еще более значительными, поскольку у этих транспортных средств нет огромного свободного пространства на полу для аккумуляторных блоков.

Автомобиль может нести массивную батарею под кабиной и использовать колесную базу, чтобы скрыть последствия ее веса. Мотоциклу же приходится размещать аккумулятор внутри рамы, которой все еще нужно место для подвески, систем охлаждения, управления, защиты при столкновениях и водителя, который предпочел бы не сидеть на высоте двух метров над дорогой.

Вот почему современные электромотоциклы часто вынуждены выбирать между полезным запасом хода и разумным весом. Более энергоемкий твердотельный блок мог бы увеличить запас хода, не увеличивая габариты мотоцикла, или сохранить текущий запас хода, значительно снизив вес. Второй вариант может оказаться более революционным. Более легкий аккумулятор мог бы улучшить рулевое управление, торможение, работу подвески, контроль на низких скоростях и общее ощущение от попыток откатить технику назад по подъездной дорожке.

Та же логика применима к электрическим внедорожным мотоциклам, квадроциклам, багги, снегоходам и гидроциклам. Внедорожной технике нужно достаточно энергии, чтобы оставаться полезной, не становясь при этом неуклюже тяжелой. Снегоходам требуются аккумуляторные системы, способные выдерживать суровый холод. Гидроциклам требуется высокая мощность в течение длительного времени при работе внутри влажных, плотно упакованных корпусов.

Подвох заключается в том, что лабораторный электролит — это еще не готовый аккумулятор для спортивной техники. Керамические материалы все еще должны выдерживать вибрации, выбоины на дорогах, прыжки, аварии, изгибы шасси, мойку под давлением, отрицательные температуры и годы повторяющихся циклов зарядки. Производители аккумуляторов также должны производить материал достаточно стабильно и дешево, чтобы будущий электрический внедорожный мотоцикл не стоил как подержанный пикап.

Тем не менее, эта работа важна, потому что она атакует один из самых стойких недостатков технологии твердотельных аккумуляторов на микроскопическом уровне. Если производители смогут лучше контролировать границы зерен, они смогут создавать аккумуляторы, которые выдерживают больший ток, сопротивляются внутренним коротким замыканиям и делают литий-металлические аноды более практичными. Это не только обеспечит электромотоциклам больший запас хода. Это может, наконец, избавить аккумулятор от необходимости диктовать размер, вес, форму и характер всей машины вокруг него.