Baterie nové generace, které změní elektromobily směrem k uhlíkově neutrální společnosti!
Výzkum společnosti Honda týkající se plně polovodičové baterie
Vývojový příběh Honda se snaží realizovat uhlíkovou neutralitu u všech produktů a firemních aktivit do roku 2050. Dosažení tohoto cíle je založeno na předpokladu, že odstraníme CO2 emise z našich produktů pro mobilitu.
EV jsou jedním z klíčových přístupů k dosažení tohoto cíle. Přestože elektrická vozidla již na trhu existují, v tuto chvíli ještě nejsou plně popularizována kvůli problémům, jako je omezený dojezd a vysoké ceny. K vyřešení těchto problémů je třeba výrazně zvýšit výkon baterie.
Za tímto účelem Honda nezávisle pracuje na vývoji plně polovodičových baterií. Nesnažíme se pouze zavést technologii na úrovni laboratoře. Jako výrobce automobilů vyvíjíme technologii polovodičových baterií s ohledem na sériovou výrobu, což nám umožní instalovat je do našich vozidel a nabízet našim zákazníkům vysoce výkonná elektrická vozidla za dostupné ceny.
- Co je to polovodičová baterie?
- Vyvíjet produkty, ne technologie.
Co je to polovodičová baterie?
Snaha o bezpečnou a vysokokapacitní baterii s vynikajícími výstupními vlastnostmi
Lithium-iontové baterie pro současné elektromobily používají tekuté elektrolyty. Na druhou stranu plně polovodičové baterie obsahují pevné elektrolyty. Změnou elektrolytu z kapalného na pevný mohou baterie dosáhnout řady vynikajících vlastností baterií.
Nejprve se podívejme na základy toho, jak funguje plně polovodičová baterie.
Baterie vyrábí elektřinu generováním toku iontů a elektronů mezi dvěma elektrodami.
Baterie je zařízení, které uchovává elektřinu „nabíjením“ a využívá ji „vybíjením“.
Když je externí zdroj energie připojen k lithium-iontové baterii, dochází na kladné elektrodě (katodě) k oxidační reakci, při níž se z katody uvolňují ionty lithia (Li+) a elektrony (e-). Jak ionty lithia, tak elektrony se pohybují k záporné elektrodě (anodě) prostřednictvím elektrolytu a obvodu a jsou uloženy na anodě jako lithium. Toto se nabíjí.
Když je nabitá lithium-iontová baterie připojena k vnějšímu obvodu, dochází na anodě k oxidační reakci. Lithné ionty (Li+) uvolněné oxidační reakcí procházejí elektrolytem a vracejí se ke katodě. Elektrony (e-) uvolněné oxidační reakcí se vracejí ke katodě přes vnější obvod. Toto se vybíjí.
Celopevná baterie
Přechod z kapalného na pevný elektrolyt umožňuje bezpečnější baterii s vyšší kapacitou a lepšími výstupními charakteristikami.
Stávající lithium-iontové baterie používají tekutý elektrolyt, který je náchylnější k vyvolání chemických reakcí a má vynikající iontovou vodivost. Vzhledem k vlastnostem kapalných elektrolytů reagují i jiné látky než lithiové ionty a způsobují vedlejší reakce, díky čemuž jsou materiály pro elektrody a další části baterie náchylnější k poškození. Kapalné elektrolyty jsou navíc organická rozpouštědla a jsou hořlavé, proto jsou nutná preventivní opatření proti úniku. Kromě toho musí být uprostřed umístěn separátor, aby se zabránilo přímému kontaktu mezi katodou a anodou, který způsobí zkrat. Separátor je citlivý na teplo i chlad, což omezuje rozsah provozních teplot baterie. Přestože lithium-iontové baterie nabízejí vynikající výkon na základě současných standardů, stále vyžadují různé úvahy, včetně výše uvedených faktorů.
Lithium-iontová baterie
V roce 2011 byl objeven pevný elektrolyt s iontovou vodivostí vyšší než u kapalných elektrolytů a začal výzkum celopevných baterií. Pevné elektrolyty jsou ve srovnání s kapalnými elektrolyty chemicky stabilnější a méně náchylné k neočekávaným vedlejším reakcím, takže materiály baterií jsou méně náchylné k degradaci. Rovněž nehrozí únik elektrolytu. Navíc, protože pevný elektrolyt slouží také jako separátor, nedochází k fyzickému kontaktu mezi katodou a anodou a baterie může fungovat i při vysokých teplotách. To rozšířilo škálu možností pro materiály elektrod, včetně materiálů, které nebylo možné použít v běžných lithium-iontových bateriích, a umožnilo vysokonapěťovou vysokokapacitní baterii na menším prostoru.
Celopevná baterie
Vyvíjet produkty, ne technologie.
Představení hromadné výroby
Masově vyráběné polovodičové baterie zatím nejsou na trhu dostupné, a proto existuje flexibilita, pokud jde o výrobní metody.
Je možné vyvinout malou baterii se zaměřením na výkon materiálů spíše než omezení metod hromadné výroby; pro komercializaci je však důležité vyvinout baterie a zároveň si představit budoucí metody hromadné výroby, které našim bateriím umožní splnit požadavky pro každý model, jako je velikost a cena.
Velikost a struktura elektrod a specifická metoda lisování vyžadovaná pro plně polovodičové baterie se vzájemně ovlivňují z hlediska výkonu, ceny a kvality. Proto provádíme výzkum, abychom dosáhli kompatibility mezi materiálovými specifikacemi a specifikacemi výrobních metod pro baterie určité velikosti.
Pro co nejrychlejší přijetí našich produktů si představujeme metody hromadné výroby již od rané fáze vývoje.
Když uvažujeme o instalaci našich polovodičových baterií do našich vozidel, můžeme určit optimální velikost baterie, která má být umístěna v prostoru pod podlahou. Kromě toho, abychom splnili požadavky, které určují hodnotu vozidla, jako je dojezd, prostor v kabině a dynamický výkon, stanovíme předběžné podmínky a/nebo cíle, pokud jde o strukturu baterie, materiály a výrobní metody. Začleněním výrobního procesu do výzkumu od počáteční fáze je jednodušší výběr materiálů a zkrácení doby vývoje.
Honda se chopila iniciativy při vývoji vlastních plně polovodičových baterií a zavádění technologií nezbytných pro hromadnou výrobu polovodičových baterií, které lze instalovat do našich vozidel. Na základě našich počátečních úspěchů přejdeme k procesu výzkumu, abychom dále zvýšili výkon baterií, který bude urychlen s cílem aplikovat naše plně polovodičové baterie na modely uvedené na trh v druhé polovině roku 2020.
Obtíže při výrobě plně polovodičových baterií, které neexistují pro baterie s tekutým elektrolytem
Stávající lithium-iontové baterie mají výhodu tekutého elektrolytu, který usnadňuje proudění iontů tam a zpět mezi anodou a katodou. Na druhou stranu, plně polovodičové baterie se vyznačují pevným elektrolytem, který vyžaduje určité výrobní techniky a výběr materiálů, aby se usnadnil tok iontů. To zahrnuje lisování pro zvýšení hustoty vnitřku pevného elektrolytu a provádění speciálních zpracovatelských technik a výběr specifických materiálů pro zajištění vynikajícího mezifázového kontaktu mezi elektrodami a elektrolytem.
Obrázek struktury polovodičové baterie
Roll-pressing umožní jak vysoký výkon baterie, tak vysokou produktivitu výroby.
Lisování je nezbytné pro zvýšení stupně mezifázového kontaktu mezi elektrolytem a elektrodami. Použití příliš velkého tlaku však může poškodit mikrostrukturu materiálů a snížit výkon baterie a/nebo poškodit další prvky baterie. Zejména proto, že v oblasti technologií plně polovodičových baterií je stále mnoho neznámých a neexistuje žádné zavedené měřítko pro korelaci mezi hustotou elektrolytu a výkonem baterie, vývoj, který se zaměřuje jak na realistické potřeby hromadné výroby, tak i na výkon baterie je nesmírně cenný. Společnost Honda si uvědomuje vysoký potenciál válcového lisu, který povede k vysoké rychlosti výrobní linky, a shromažďuje know-how v technikách válcového lisu s cílem zavést výrobní technologii plně polovodičových baterií.
■ Video z procesu prototypování plně polovodičových bateriových článků
■ Vášeň a závazek k vývoji plně polovodičové baterie
Honda provádí vývoj zaměřený na člověka a dává přednost hodnotě, kterou nabízíme našim zákazníkům.
V obecném vývoji stavíme technologické prvky od základů a po dokončení vývoje pro potvrzení funkčnosti a výkonu produktu přecházíme k vývoji pro sériovou výrobu. Na druhou stranu, pro vývoj celopevnovodičových baterií jsme od samého počátku pracovali na předpokladu, že tyto baterie budeme vyrábět sériově, protože jsme si byli vědomi co nejrychlejšího řešení společenských problémů. naše nové baterie.
To je důvod, proč nejprve určíme tvar baterie vhodný pro montáž do vozidla a poté sledujeme optimální materiály a metody hromadné výroby, abychom dosáhli vynikajícího výkonu a nákladů.
Ve skutečnosti je často obtížné vědět, zda náš vývoj přinese dobré výsledky, pokud jej skutečně nevybudujeme jednou, a mnoho problémů se stane zjevnými až poté, co jej skutečně postavíme. Tento přístup nazýváme „Genba, Genbutsu“, což znamená „vyvíjet se na skutečném místě s pochopením skutečné situace“. Opakováním pokusů a omylů stanovíme přesné cíle, kterých musíme dosáhnout, abychom realizovali hodnotu, kterou chceme našim zákazníkům nabídnout. Poté aplikujeme naše technologie a dosahujeme našich cílů bez kompromisů. Věříme, že tento přístup k vývoji odráží jedinečné vlastnosti Hondy. Navíc, protože baterie je klíčovou součástí bateriových elektrických vozidel (EV), je důležité, aby ji Honda vyvíjela a zároveň začlenila naše vlastní myšlenky a přání jako společnosti, která elektromobily skutečně vyrábí.
Honda se snaží realizovat uhlíkovou neutralitu u všech produktů a firemních aktivit, do kterých se Honda zapojí do roku 2050. Stejně jako naše dlouhá historie výzkumu palivových článků jako výrobce automobilů, Honda má prokazatelnou historii výroby Monozukuri (výroba), díky níž jsme nejen vyvíjet technologie, ale také je komercializovat jako naše vlastní produkty. Využitím těchto silných stránek Hondy se budeme snažit co nejrychleji dosáhnout masové výroby našich plně polovodičových baterií. Jako první krok bude na jaře 2024 uvedena do provozu naše demonstrační linka na výrobu polovodičových baterií, kde budeme pracovat na zavedení technologií hromadné výroby. Poté, s využitím těchto počátečních technologií jako oporu, budeme pokračovat v rozvoji našich plně polovodičových baterií.
