Глава 239. Сердца капиталистов действительно черны •
Ключ к решению проблемы литиевых дендритов оказался в обычной добавке в электролите.
Этот ответ был несколько неожиданным.
В конце концов, промышленность и аккумуляторная индустрия всегда обращали внимание на искусственную SEI-пленку или литиевую соль электролита, когда речь шла о решении проблемы литиевых дендритов.
По мнению большинства экспертов и исследователей, именно эти два материала являются ключевыми.
Если бы Сюй Чуань не вернулся с двадцатилетним опытом и знаниями, он бы не стал сразу же сосредотачивать внимание на электролите.
Как говорится в старой поговорке, чем более незаметное место, тем больше вероятность, что в нем зародится что-то самое смертоносное.
Этиленкарбонат, материал, который добавляется практически во все литий-ионные батареи, значительно улучшает характеристики литиевых батарей.
Однако он также может быть виновником проблемы литиевых дендритов.
Заменив добавку в электролите, Сюй Чуань провел различные тесты новой батареи, которую держал в руках, а также одновременно изготовил несколько новых батарей, используя различные материалы добавок, чтобы проверить предыдущее суждение.
Окончательные результаты экспериментов и испытаний показали, что различные типы добавок действительно влияют на рабочие характеристики новой искусственной SEI-пленки.
Среди них особенно серьезно влияют такие материалы, как этиленкарбонат и алкилфосфаты.
В то время как добавки органических фосфидов и органических фторидов относительно менее вредны, а фторалкилфосфат с наилучшими характеристиками может даже обеспечить кулоновскую эффективность в 99,98%.
Этот показатель достаточен для того, чтобы увеличить количество циклов зарядки-разрядки литиевой батареи до четырехзначного числа, превышающего тысячу раз.
Это более чем в два раза превышает текущий стандарт литиевых батарей в пятьсот циклов зарядки-разрядки.
Но в то же время, после замены этиленкарбоната, характеристики литиевой батареи, от емкости батареи до скорости зарядки и разрядки, а также активационные характеристики электролита, заметно снизились.
В частности, фторалкилфосфат с наилучшей кулоновской эффективностью снизил эффективность зарядки-разрядки примерно на двадцать пять процентов.
И чем ниже температура окружающей среды, тем больше помех испытывает эффективность зарядки-разрядки, а при слишком высокой температуре нестабильность электролита увеличивается.
Если температура слишком высока, батарея может вздуться, расшириться и т. д.
Хотя в текущих тестах пока не было проблем с самовозгоранием, взрывом и т. д., Сюй Чуань знает, что с течением времени и увеличением количества тестов, если использовать фторалкилфосфат вместо этиленкарбоната, эти проблемы появятся.
Он не хочет, чтобы разработанные им батареи могли сравниться с батареями некой компании "Самсон".
Батарея, которая может взорваться и самовозгореться в любое время, какой бы высокой ни была ее емкость, бесполезна, так как она не соответствует требованиям безопасности.
Поиск добавки, способной заменить этиленкарбонат, стал текущей приоритетной задачей Исследовательского института материалов "Чуаньхай".
Юй Чжэнь и Е Цзань временно приостановили свои исследования искусственной SEI-пленки и электролита и занялись этой работой.
А в лаборатории, включая докторантов и магистрантов, тех, кто был способен самостоятельно проводить эксперименты с батареями, Сюй Чуань также разделил на пары и назначил эксперименты.
По сравнению со штатными исследователями, способности этих людей все еще значительно уступают.
Однако те, кто смог дойти до стадии докторантуры, в основном не так уж плохи.
Эти люди могут быть подготовлены в качестве основы Исследовательского института материалов "Чуаньхай", и Сюй Чуань не поскупится на свои ресурсы и деньги.
А для этих докторантов и магистрантов нет ничего более радостного.
Ведь только с экспериментами есть данные, только с данными есть результаты, только с результатами можно закончить обучение и получить квалификацию...
"Босс, вот результаты экспериментов каждой группы за эти дни."
В лаборатории Фань Пэнъюэ передал Сюй Чуаню материалы в своих руках и одновременно сделал несколько простых заявлений: "В соответствии с вашими требованиями, семь групп сотрудников лаборатории провели эксперименты в общей сложности с четырнадцатью различными заменителями этиленкарбоната."
"Среди результатов экспериментов двумя лучшими материалами являются фторэтиленкарбонат и триметилсилилсульфит."
"Эти два материала в значительной степени совместимы с текущей искусственной SEI-пленкой, и расчетная кулоновская эффективность после замены составляет 99,645% и 99,721% соответственно."
"Но соответственно, эти два материала также имеют свои недостатки после замены."
"Например, после замены фторэтиленкарбоната появились такие проблемы, как снижение эффективности зарядки-разрядки..."
"Объем этих экспериментальных данных относительно невелик, и они могут служить только в качестве предварительного ориентира, ведь у нас недостаточно времени, чтобы провести полные эксперименты и испытания."
"Кроме того, некоторые проверки безопасности также не проводились..."
В лаборатории Сюй Чуань взял у Фань Пэнъюэ экспериментальные данные за эти дни и, слушая его краткое изложение, просматривал материалы в своих руках.
С начала ноября, когда было обнаружено, что этиленкарбонат является основной причиной проблем литиевых дендритов и осаждения лития, Исследовательский институт материалов "Чуаньхай" постоянно проводил эксперименты с ним.
Несмотря на то, что прошло совсем немного времени, всего около двадцати дней, при наличии цели, достаточного количества персонала и оборудования, им хватило времени, чтобы поэкспериментировать с немалым количеством новых материалов.
Конечно, эксперименты и испытания за эти дни были не очень полными и не очень формальными.
Такие вопросы, как совместимость материалов друг с другом и проверка безопасности батареи, не рассматривались.
Однако по сравнению с этими вопросами, поиск добавки, способной заменить этиленкарбонат, был более важным, а что касается других вещей, то их можно было постепенно доработать позже.
Сюй Чуань хотел решить эту проблему до 10 декабря, когда он отправится в Швецию за наградой.
Закончив с этим, он получит Нобелевскую премию, а когда вернется из Европы, испытания двух защитных материалов для проекта преобразования энергии β-излучения ядерной энергии в электрическую энергию будут почти завершены.
Таким образом, после Нобелевской премии он сможет сосредоточить свои основные усилия на ядерном проекте.
Вот только, судя по текущему прогрессу, это желание, вероятно, трудно осуществить.
Из более чем десяти протестированных добавок на данный момент ни одна не подходит идеально, у всех есть те или иные проблемы.
Если отбросить проблемы литиевых дендритов и осаждения лития, этиленкарбонат действительно является лучшей по своим характеристикам добавкой.
"Может быть, стоит попробовать разбавить концентрацию этиленкарбоната? Или найти материал, который его нейтрализует?"
Перелистывая отчет об испытаниях в своих руках, Сюй Чуань придумал другой способ решения проблемы.
Этиленкарбонат по-прежнему будет активно использоваться в литиевых батареях будущего, и, несомненно, у него есть своя роль.
"Если удастся найти способ решить проблему осаждения лития, вызванную этиленкарбонатом, возможно, у этиленкарбоната есть и другая функция."
Внезапно в голове Сюй Чуаня всплыло другое название.
"Плановое устаревание!"
То есть поставщик продукта намеренно проектирует продукт с ограниченным сроком службы, чтобы продукт вышел из строя через определенное время.
Впервые это появилось на лампочках. Во время Рождества 1924 года компании Osram, Philips, General Electric и другие собрались в Женеве, чтобы сформировать картель под названием "Феб", целью которого было контролировать срок службы лампочек, удерживая его на уровне около 1000 часов (в то время как срок службы лампочек мог достигать 2500 часов).
В 1942 году правительство США подало в суд на картель "Феб", обвинив его в действиях, и хотя соглашение было формально расторгнуто, эти компании не выплатили никакой компенсации.
Что еще более важно, предложенный этим картелем контроль срока службы обычных лампочек продолжался, и по сей день срок службы большинства лампочек составляет всего 1000 часов.
Это и было тогдашнее плановое устаревание.
А затем, с течением времени, это соглашение постепенно распространилось и на другие продукты.
Например, батареи и чипы в мобильных телефонах и компьютерах; картриджи в принтерах; ключевые кнопки в различных электроприборах и так далее.
Все эти вещи теперь имеют возможность планового устаревания, то есть после определенного периода использования они выходят из строя по разным причинам.
Для производителей этих вещей, если продукт может использоваться в руках пользователя в течение длительного времени, то после выпуска нового продукта количество покупателей уменьшится.
Поэтому, чтобы внедрить новые продукты и увеличить свою прибыль, производители неизбежно предпочтут устранить старые продукты, существующие на рынке, потому что новые продукты в определенной степени сталкиваются с конкуренцией со стороны старых продуктов.
А в литий-ионных батареях наличие этиленкарбоната, с одной стороны, может улучшить характеристики литиевых батарей, а с другой стороны, с увеличением количества циклов зарядки-разрядки осаждение лития на отрицательном электроде будет становиться все более серьезным, что, естественно, приведет к повреждению батареи.
Нужно просто контролировать влияние этиленкарбоната на литий-ионные батареи, и это, можно сказать, естественное плановое устаревание.
Возможно, именно поэтому этиленкарбонат вызывает проблему осаждения лития, но все же присутствует в будущих литиевых батареях?
Сюй Чуань, в общих чертах, понял, с какой стороны подходить к решению проблемы осаждения лития.
Если его только что сделанное предположение верно, то решение этой проблемы сводится к контролю содержания этиленкарбоната или использованию другой добавки.
Убедившись в своей догадке, Сюй Чуань немедленно приступил к повторному эксперименту.
Для простой проверки метода в уме использовался простой способ: достаточно было просто снизить содержание этиленкарбоната в электролите.
В первом эксперименте он снизил содержание этиленкарбоната в электролите на двадцать процентов, изготовил новую литий-ионную батарею и провел повторное тестирование.
Одной пятой части достаточно, чтобы гарантировать, что если именно содержание этиленкарбоната влияет на осаждение лития на отрицательном электроде, это обязательно отразится на данных, причем с большим отклонением.
И результаты испытаний соответствовали его предположениям: после снижения содержания этиленкарбоната в электролите на двадцать процентов проблема осаждения лития на отрицательном электроде литиевой батареи значительно улучшилась, а кулоновская эффективность батареи увеличилась с примерно 99,91% до 99,95%.
Кулоновской эффективности в 99,95% достаточно, чтобы гарантировать, что батарея сохранит более восьмидесяти процентов емкости после пятисот циклов зарядки-разрядки.
Это уже соответствует стандарту литий-ионных батарей, используемых в настоящее время на рынке.
"Сердца капиталистов, как и ожидалось, черны."
Глядя на предварительные результаты испытаний, Сюй Чуань покачал головой.
Хотя это был всего лишь простой тест, его было достаточно, чтобы он убедился, что проблема именно в этом.
Неудивительно, что этиленкарбонат является одной из причин проблем литиевых дендритов и осаждения лития в литий-ионных батареях, но эта добавка по-прежнему широко используется в литиевых батареях.
Дело не в том, что нельзя найти более подходящий материал, а в том, что он наиболее подходящий.
Определенное содержание этиленкарбоната может одновременно повысить производительность литиевых батарей и автоматически выполнить работу по плановому устареванию, освободив место для продуктов следующего поколения и заработав немало денег.
Возьмем, к примеру, мобильные телефоны: срок службы аккумулятора мобильного телефона составляет примерно от одного до трех лет.
А средняя цена аккумулятора составляет от ста пятидесяти до трехсот юаней, за вычетом различных затрат, он может принести чистую прибыль от пятидесяти до ста пятидесяти юаней.
Если миллиард человек пользуются мобильными телефонами, то это от пятидесяти до ста пятидесяти миллиардов юаней чистой прибыли.
И на самом деле, мировое потребление батарей намного превышает соответствующее количество людей, ведь один человек может одновременно иметь мобильный телефон, компьютер, электромобиль и различные другие электроприборы, требующие использования батарей.
Неудивительно, что после решения проблемы литиевых дендритов в будущем этиленкарбонат по-прежнему широко используется в батареях мобильных телефонов.
Эта огромная прибыль соблазнит любого.
Конечно, сам по себе этиленкарбонат также обладает достаточно превосходными характеристиками, по сравнению с другими добавками, он лучше сочетается с этой новой искусственной тонкой плёнкой SEI и может обеспечить большее повышение производительности.
Чем лучше батарея, тем больше людей будут её покупать, даже если она немного дороже.
И такую "почти идеальную" добавку полюбит любой производитель батарей.
Однако для потребителей это очень неприятная вещь.
В конце концов, увеличение потребительских расходов реально, но изначально всего этого можно было избежать.
Убедившись, что снижение содержания этиленкарбоната может повысить кулоновскую эффективность батареи, Сюй Чуань начал давать указания другим исследователям в лаборатории начать более подробное тестирование имеющихся батарей в соответствии со стандартами испытаний литиевых батарей.
Тестирование батарей - довольно громоздкий и длительный процесс.
От перезарядки, переразрядки, внешнего короткого замыкания, принудительной разрядки и других электрических испытаний до сжатия, прокола, удара, вибрации, падения и других механических испытаний требуется много времени.
Не говоря уже о другом, только одно испытание на зарядку-разрядку нужно проводить не менее пятисот раз.
Стандарт IEC для испытаний стандартного срока службы литиевых батарей гласит: после разряда батареи током 0,2C до 3,0 В/элемент, зарядка постоянным током 1C и постоянным напряжением до 4,2 В, ток отсечки 20 мА, выдержка в течение 1 часа, затем разряд током 0,2C до 3,0 В (один цикл), повторить цикл 500 раз, после чего емкость должна быть выше 60% от первоначальной емкости.
Другими словами, даже при круглосуточном испытании на зарядку-разрядку в течение двадцати часов потребуется не менее двадцати дней - месяца.
Но по сравнению с огромной прибылью, которую могут принести литиевые батареи, это все пустяки.
Что касается его самого, то у него другие планы.
Ему нужно найти материал, который может снизить эффект образования литиевых отложений этиленкарбонатом.
Судя по результатам предыдущих экспериментов, содержание этиленкарбоната напрямую связано с осаждением лития на отрицательном электроде. Эксперименты показали, что чем больше этиленкарбоната добавляется в электролит, тем быстрее происходит осаждение лития на отрицательном электроде.
Снижение содержания этиленкарбоната действительно может замедлить скорость образования литиевых отложений, но это также в определенной степени приведет к снижению общих характеристик батареи.
Это то, чего Сюй Чуань не хотел бы видеть.
Поэтому поиск другой добавки для контроля над этим также является очень важным делом.
Эту работу Сюй Чуань не поручил Научно-исследовательскому институту материалов "Чуаньхай".
Возможно, Научно-исследовательский институт материалов "Чуаньхай" и смог бы постепенно разработать необходимые добавки, но это могло бы занять несколько месяцев или год-два, что для Сюй Чуаня слишком медленно.
Он собирается использовать свои математические способности, чтобы выполнить расчет этой добавки!
Он уже некоторое время не занимался математикой, и не знает, ухудшились ли его математические способности.