Защо бързото зареждане е смърт за батериите

Епохата на въглищата отдавна вече е само спомен. Епохата на петрола също си отива. В третото десетилетие на ХХI век вече ясно сме прекрачили в епохата на батериите.
 
 

  
  
ТЯХНАТА РОЛЯ ВИНАГИ е била значима, откакто електричеството навлезе в бита на човека. Но сега три тенденции изведнъж превърнаха складирането на електрическа енергия в най-важната технология на планетата.
Първата тенденция е бумът на мобилните устройства - смартфони, таблети, лаптопи. В миналото батериите ни бяха необходими за неща като фенерчета, мобилни радиоапарати и уокмени - все с относително ограничена употреба. Днес всеки има поне едно персонално мобилно устройство, което ползва почти непрекъснато и без което животът му е немислим.

ВТОРАТА ТЕНДЕНЦИЯ Е в навлизането на възобновяемата енергетика и внезапно възникналото разминаване между пиковете в производството и потреблението на електричество. В миналото бе лесно: когато домакините включат печките и телевизорите вечер, и потреблението рязко нарастне, операторите на ТЕЦ и АЕЦ трябва просто да увеличат мощността. Но при генерацията от слънце и вятър няма как да го сторят: пикът в производството най-често е по време, когато потреблението е в най-ниското си ниво. Следователно енергията трябва някак да се съхрани. Вариант е т. нар. "водородно общество", при което електричеството се превръща във водород и после чрез горивни клетки захранва мрежата и електромобилите. Но необикновено високата цена на нужната инфраструктура и лошите спомени на човечеството от водорода ("Хинденбург" и пр.) засега оставят тази концепция на заден план.
 
  

Така изглеждат т. нар. "умни мрежи" в представите на маркетинговите отдели - електромобилите получават излишната енергия при пиковете на производство и после при нужда могат да я отдадат обратно в електропреносната мрежа. Съвременните батерии обаче още не са съвсем готови за такова предизвикателство

ДРУГ ВЪЗМОЖЕН ОТГОВОР на този проблем обещава третата тенденция: на подмяна на двигателите с вътрешно горене от електромобили с батерии (BEV). Един от основните аргументи за тези електромобили е, че те могат да бъдат активни участници в електропреносната мрежа и да поемат излишъците от нея, за да ги отдадат обратно при нужда.
Всеки производител на електромобили, от Tesla до Volswagen, се заиграва с тази идея в PR-материалите си. Нито един от тях обаче няма да признае онова, което е болезнено ясно за инженерите: съвременните батерии не са годни за подобна експлоатация.

ЛИТИЕВО-ЙОННАТА ТЕХНОЛОГИЯ, която доминира на пазара днес и захранва от фитнес-гривната ви до най-бързата Tesla Model S, има множество предимства спрямо по-стари концепции като оловно-киселинните или никел-металхидридните батерии. Но тя има и някои от техните ограничения, и най-вече - склонността да старее.

Повечето хора си представят батериите като един вид туби, в които по някакъв начин се "сипва" електричество. На практика обаче батериите не съхраняват самото електричество. Те го използват, за да задействат в себе си определени химични реакции. После могат да стартират противоположните реакции, и да отдадат обратно заряда си.
При литиево-йонните батерии реакцията, при която се отдава електричество, изглежда така: в анода в батерията се образуват литиеви йони. Това са литиеви атоми, които са загубили по един електрон. Йоните се придвижват през течния електролит към катода. А освободените електрони се насочват по електрическата верига, осигурявайки нужната ни енергия. Когато батерията бъде включена да се зарежда, процесът се обръща и йоните се събират със загубените електрони.
  
  

"Обрастването" с литиеви съединения може да доведе до късо съединение и подпалване на батерията

ЗА СЪЖАЛЕНИЕ ОБАЧЕ ВИСОКАТА РЕАКТИВНОСТ, която прави лития толкова подходящ за изграждането на батерии, носи и негативна страна - той е склонен да участва и в други, нежелани химични реакции. Затова постепенно върху анода се образува фино покритие от литиеви съединения, което пречи на реакциите. И така капацитетът на батерията намалява. Колкото по-интензивно се зарежда и разрежда тя, толкова по-дебело става това покритие. В определени моменти то може дори да пусне т. нар. "дендрити" - представете си нещо като сталактити от литиеви съединения - които се протягат от анода към катода и ако го достигнат, могат да предизвикат късо съединение и запалването на батерията.
Всеки цикъл на зареждане и разреждане съкращава живота на литиево-йонния акумулатор. Но бързото зареждане с трифазен ток, което е толкова модерно напоследък, ускорява значително процеса. При смартфоните това не е особена пречка за производителите, които така или иначе искат да принудят потребителите да сменят устройствата си на всеки две-три години. Но при автомобилите е проблем.
  
  

За да убедят потребителите да си купят електромобили, производителите трябва да ги примамят и с опции за бързо зареждане. Но бързите станции като тези на Ionity не са подходящи за ежедневно ползване

ЦЕНАТА НА БАТЕРИЯТА Е ОКОЛО ЕДНА ТРЕТА и дори повече от цялата цена на един днешен електромобил. За да успокоят клиентите си, че не си купуват тиктакаща бомба, всички производители дават отделна и по-дълга гаранция за батериите. В същото време, за да направят колите си привлекателни и за по-дълги пътувания, те залагат на все по-бързо зареждане. Доскоро най-бързите зарядни станции действаха при 50 киловата. Но новият Mercedes EQC може да се зарежда при 110  кВт, Audi e-tron - и при 150 киловата, колкото предлагат европейските зарядни станции на Ionity, а Tesla се готви да вдигне летвата още по-нагоре.
Онова, което тези производители признават само с половин уста, е, че редовното бързо зареждане унищожава батериите. Станции като тези на Ionity са по-скоро за извънредни случаи, когато човек е тръгнал на дълъг път и не разполага с много време. Иначе разумният подход е батерията да се зарежда бавно у дома.

За продължителността на живота й има значение също доколко се зарежда и разрежда. Затова повечето производители не препоръчват зареждане над 80%, и разреждане под 20%. При такъв подход една литиево-йонна батерия губи средно около 2 на сто от капацитета си на година. По този начин може да прослужи 10 години, или до около 200 000 км, преди капацитетът й да падне дотолкова, че да не е подходяща за употреба в автомобил.
   
  

 
  
И НАКРАЯ, РАЗБИРА СЕ, ЖИВОТЪТ НА БАТЕРИЯТА зависи от нейната уникална химия. Тя е различна за всеки отделен производител, и в много случаи е дотолкова нова, че дори не се знае още как ще остарява с течение на времето. Някои производители вече обещават батерии от ново поколение, които ще имат живот от "един милион мили" (1.6 млн. километра). Tesla работи върху такава, ако се вярва на Илон Мъск. Китайската CATL, която снабдява BMW и още половин дузина компании, обеща следващата й батерия да издържа 16 години или 2 млн. километра. General Motors и корейската LG Chem също разработват подобен проект. Всяка от тези компании си има свои технологични решения, които иска да изпробва в реалния живот. GM например ще използва новаторски материали, за да предотвратят проникването на влага в клетките на батерията - основна причина за образуването на литиевия "нагар" по катода. Технологията на CATL добавя алуминий към никелово-кобалтово-мангановия анод. Това не само намалява нуждите от кобалт, понастоящем най-скъпата от тези суровини, но и прави батерията доста по-дълготрайна. Или поне така се надяват китайските инженери. На бъдещите клиенти се пада удоволствието да разберат дали замисълът работи и на практика.