Что нужно, чтобы заряжать электромобили быстрее?

Чтобы увеличить количество электромобилей на дорогах, эти ученые работают над тем, чтобы заряжать автомобиль за то же время, которое требуется для заправки на заправочной станции.

Ребекка Хайльвейл

Электромобили тише, их легче ремонтировать и обслуживать, и они намного безопаснее для окружающей среды, чем традиционные автомобили с двигателем внутреннего сгорания. Тем не менее, количество электромобилей на дорогах отстает от автомобилей, которые они должны заменить, отчасти из-за времени зарядки.

Заправка бензобака занимает всего несколько минут, а зарядка электромобиля занимает гораздо больше времени. В настоящее время самые быстрые зарядные устройства, доступные потребителям, иногда называемые зарядными устройствами уровня 3, могут зарядить аккумулятор автомобиля до 80 процентов всего за 20 минут. Но самые доступные (и доступные) зарядные устройства работают намного медленнее. Зарядным устройствам уровня 2 требуется несколько часов для зарядки автомобиля, а зарядным устройствам уровня 1, которые подключаются к обычной домашней розетке, может потребоваться более двух дней.

Такая медленная скорость зарядки только усугубила «беспокойство о запасе хода» — опасения, что аккумуляторы могут разрядиться в дороге. Более 50 процентов из 500 владельцев электромобилей, принявших участие в опросе OnePoll 2022 года, проведенном по заказу Forbes Wheels, заявили, что часто или всегда испытывают эту тревогу. Хотя министр транспорта Пит Буттиджич отверг идею о том, что водителям следует так беспокоиться о запасе хода, это остается серьезным препятствием для потенциальных покупателей электромобилей. Это, а также тот факт, что спрос на электромобили превышает возможности производителей автомобилей их производить, грозит замедлить путь к электрификации.

Ученые, в том числе из университетов, крупных производителей электромобилей и из Министерства энергетики, считают, что электромобили смогут заряжаться быстрее, если мы доведем науку о зарядке до предела. Они утверждают, что изменение внутреннего химического состава аккумуляторов электромобилей и конструкции зарядных кабелей может помочь устранить этот серьезный барьер на пути внедрения. Задача состоит в том, чтобы ускорить зарядку без ущерба для безопасности и длительного срока службы аккумулятора. Цель состоит в том, чтобы максимально приблизиться к времени, необходимому для заправки автомобиля с двигателем внутреннего сгорания.

«Многие инновации в области электрохимии все еще находятся в лаборатории», — говорит Кристофер Ран, соруководитель Центра технологий аккумуляторов и хранения энергии в Университете штата Пенсильвания. «Они могут быть более дорогими [и], возможно, требовать других производственных процессов. Они не обязательно готовы к массовому внедрению, но, безусловно, у многих исследователей есть некоторые интересные результаты».

Фундаментальная проблема зарядки заключается в электрохимии аккумуляторов. Батареи имеют два электрода: анод и катод. Ионы лития текут между этими двумя компонентами. Когда аккумулятор разряжается и питает автомобиль, ионы лития перемещаются от анода к катоду, образуя свободные электроны и электрический заряд. Когда автомобиль заряжается, происходит обратный процесс: ионы лития выталкиваются обратно к аноду.

Проблема в том, что внутри аккумулятора ионы лития сталкиваются с критическим «лежачим полицейским». Если они будут двигаться слишком быстро, они застрянут и не смогут войти в анод. Когда ионы лития улавливаются, остается меньше ионов лития, способных обеспечить заряд, что делает батарею менее эффективной. Хуже того, если накапливается слишком много ионов лития, в аккумуляторе может произойти короткое замыкание и, возможно, спровоцировать его возгорание.

«Оказывается, перемещение лития немного похоже на помещение 100 человек в узкую комнату», — говорит Венкат Шринивасан, директор Аргоннского совместного центра по науке о хранении энергии и заместитель директора Объединенного центра исследований по хранению энергии в Иллинойсе. «Там маленькая дверь. Я бы приказал 100 людям начать толпиться в дверной проем. Они все застрянут в этом дверном проеме».

Теперь некоторые полагают, что использование новых химических составов аккумуляторов может облегчить перемещение ионов лития внутри аккумуляторного элемента. В Аргонне исследователи изучают, можно ли использовать несколько путей для перемещения ионов лития внутри батареи и существенно уменьшить скопление людей.