Разновидности батарей для электрокаров: на что обратить внимание

Первые батареи для электромобилей были устрашающе огромными, тяжелыми и не могли позволить проехать больше десяти километров. С тех пор многое изменилось, а технологии шагнули далеко вперед.

Литий-ионные батареи

По своему составу литий-ионные батареи похожи на те же аккумуляторы, которые устанавливаются в мобильные гаджеты и почти все виды бытовой техники. В электромобили чаще всего устанавливаются именно такие батареи: это самый распространенный тип. Популярность литий-ионных батарей обусловлена относительно небольшой массой, высокой плотностью энергии, длительным сроком службы и эффективной зарядкой. Внутри аккумуляторов находятся две пластины и жидкость с ионами.

Литий-ионные батареи делятся на две группы: никель-марганец-кобальтовые (NMC) и никель-кобальт-алюминиевые (NCA).

Никель-марганец-кобальтовые (NMC)

Этот тип обладает повышенной плотностью энергии — до 250 Вт*ч/кг, что позволяет электромобилям проезжать достаточное количество километров на одном заряде. NMC-батарея массой 500 килограммов будет обладать эффективной емкостью около 100 кВт*ч, так что среднестатистический электрокар с расходом энергии 20 кВт*ч на 100 км сможет проехать без подразядки около 625 км.

Никель-марганец-кобальтовые аккумуляторы быстро заряжаются и относительно компактны, но имеют ограниченный ресурс. Считается, что после двух тысяч полных циклов зарядки/разрядки деградация батареи превысит 20%. Для среднестатистического водителя это означает, что жизненный цикл NMC-аккумулятора — 8-10 лет. Когда аккумулятор теряет пятую часть своей емкости, он считается непригодным для использования в электромобиле.

Другой недостаток — низкая устойчивость к перепадам температуры: NMC-батареи легко могут перегреться в жару. Зарядка может вызвать тепловой разгон уже при температуре батареи 65−80 градусов Цельсия. Это приводит к перегреву внутренних элементов. Из строя батареи выходят при температуре выше 210 градусов Цельсия. Производители снабжают аккумуляторные блоки системами охлаждения и подогрева. Однако это усложняет конструкцию и повышает стоимость батареи.

NMC-батареи устанавливаются в Zeekr 001, Luxeed S7, Tesla Model Y и другие электрокары.

Никель-кобальт-алюминиевые (NCA)

Никель-кобальт-алюминиевые батареи считаются более экологичными из-за отсутствия марганца и меньшего количества кобальта. В остальном преимущества у этого типа те же, что и у NMC: компактность и быстрая зарядка. Плотность энергии еще выше, чем у предыдущего типа, — до 320 Вт*ч/кг, поэтому удельный запас хода еще больше. Электромобиль с 500-килограммовой батареей может проехать до 800 километров.

Недостатки оба типа литий-ионных батарей тоже разделяют. Но срок службы у NCA-аккумуляторов еще короче, чем у никель-марганец-кобальтовых аналогов, и составляет в среднем около 500 циклов заряд/разряд. Скорость деградации в 2-4 раза выше.

Проблемы с термической безопасностью NCA тоже разделяет с NMC, а вероятность возгорания даже выше, чем у NCA — температура выхода из строя у батареи всего 150 градусов Цельсия. 

Этот тип батареи раньше встречался на электромобилях Tesla и Audi e-Tron.

Литий-железо-фосфатные (LFP)

Второй тип батарей отличается увеличенным сроком службы, низкой себестоимостью и сниженным риском возгорания.

LFP-батареи превосходят аккумуляторы литий-ионного типа по многим критериям. Они рассчитаны примерно на три-пять тысяч циклов зарядки до 20-процентной деградации. Этот показатель в несколько раз выше, чем у NMC- и NCA-батарей. Если для продления жизни литий-ионных батарей рекомендуется заряжать их максимум до 80%, то LFP-аккумуляторы нужно заряжать до 100%, чтобы откалибровать элементы. Для водителя это означает, что подзаряжаться стоит реже, но сам процесс займет больше времени.

Стоимость литий-ионных ячеек типа NCA составляет примерно 120 долларов за кВт*ч, NMC-батарея обойдется в 113 долларов за кВт*ч, а LFP — всего 99 долларов за кВт*ч. Поэтому литий-железо-фосфатные аккумуляторы идеально подходят для бюджетного сегмента. 

Вдобавок, LFP-батареи более безопасные и почти неподвластны возгоранию, если электромобиль попадет в ДТП. Температура выхода из строя составляет 270 градусов Цельсия. Однако они уязвимее к морозам: холодная температура замедляет скорость зарядки, особенно это заметно, когда за бортом холоднее -20 градусов по Цельсию.

При всех своих достоинствах LFP-батареи больше весят и не могут похвастаться плотностью энергии. Даже у самых лучших аккумуляторов такого типа удельная емкость составляет 150 Вт*ч/кг. Из-за этого запас хода тоже меньше: LFP-батарея уступает в эффективности соразмерному NMC-аккумулятору около 30%. Чтобы получить тот же запас хода, необходимо установить больше батарей, а это увеличивает нагрузку на автомобиль. Поэтому литий-железо-фосфатные аккумуляторы чаще встречается на городских электромобилях. Батарея весом 500 кг будет отдавать всего 75 кВт*ч, а запаса хода хватит на 375 км.

Батареи LFP устанавливаются на BYD Dolphin, Han и Seal, Ora Funky Cat, Zeekr 007.

Твердотельные батареи

Чаще всего в автомобилях встречаются литий-ионные батареи, но будущее, скорее всего, за твердотельной технологией. Главное отличие от предыдущих типов батарей — электролит. В литий-ионных батареях используется жидкий электролит, а в твердотельных она заменена твердой керамикой или полимером.

Благодаря тому, что в составе батарей нет легковоспламеняющихся элементов, максимально снижен риск возгорания и взрыва. Запас хода в холодную погоду тоже не снижается, исследования доказали, что твердотельные батареи выдерживают температуру окружающего воздуха до -40 градусов Цельсия. Эти особенности можно назвать главными преимуществами. Благодаря этому, батарее не нужны системы терморегулирования, это позволяет удешевить производство и снизить массу аккумуляторного блока. На производстве твердотельных батарей без систем нагрева и охлаждения можно сэкономить до 50%.

Твердые элементы могут хранить в три раза больше единиц энергии, чем литий-ионные. Это означает, что запас хода у твердотельных батарей больше, вес и размеры — меньше. Производители, которые сейчас трудятся над созданием батарей этого типа, обещают запас хода около тысячи км на одном заряде. Например, Nio выпускает твердотельные аккумуляторы емкостью 150 кВт*ч и запасом хода почти 1000 км.

Срок службы и циклов зарядки тоже больше, что позволит реже менять батарею в электромобиле. По прогнозам, батарея выдержит 8−10 тыс. циклов зарядки.  Для покупателей это означает, что затраты на батарею в итоге будут ниже. Например, недавно дочерняя компания Volkswagen — QuantumScape — провела исследования прототипа твердотельной батареи, которые показали, что после тысячи циклов разряда и заряда, батарея сохранила 95% своей емкости. Для электромобилей с запасом хода 500 км это означает, что ресурса батареи хватит на полмиллиона километров пробега.

Стоимость производства твердотельных батарей пока выше, чем у других. И именно это считается главной причиной того, что большинство электрокаров оснащаются литий-ионными и литий-железо-фосфатными ячейками. 

В перспективах твердотельных батарей автопроизводители не сомневаются: китайская марка Nio уже выпускает электрокары с комбинированными аккумуляторами (твердый электролит погружен в жидкость), а прототипы автомобилей с твердотельными ячейками есть у Mercedes-Benz, Nissan, Ford, BMW и Toyota. До массового использования твердотельных батарей может пройти несколько лет, но сначала инновационные аккумуляторы наверняка появятся в премиум-сегменте.