Літій-повітряний акумулятор Air Energy може забезпечити створення більших електричних літаків

Прототип літій-повітряного акумулятора компанії Air Energy продемонстрував ємність 1000 Вт·год/кг.Авторство: Air Energy

Американський стартап отримав фінансування для початку масштабування розробки хімічного складу акумуляторів, який обіцяє покращити продуктивність дронів у три-чотири рази та дозволити використовувати більші регіональні електричні літаки.

Чиказька компанія Air Energy співпрацює з Іллінойським технологічним інститутом для розробки твердотільного літій-повітряного акумулятора в рамках дослідницького проєкту Міністерства енергетики США.

Команда розробляє прототип акумуляторного модуля ємністю 1 кВт⋅год із цільовою щільністю енергії 1000 Вт⋅год/кг – що втричі-чотири рази більше, ніж у звичайних літій-іонних акумуляторів – у рамках програми Joules-1K Агентства передових дослідницьких проектів – Energy (ARPA-E).

Команда Іллінойського технологічного інституту, до складу якої входять Національна лабораторія Скелястих гір та Дослідницький центр технологій RTX, є одним із шести контрактів, укладених у січні, на дворічний другий етап проекту Joules-1K, який планується включати льотні випробування безпілотників.

Після перевірки хімічного складу твердотільних літій-повітряних акумуляторів у рамках першої фази проекту Joules-1K, компанія Air Energy залучила понаднормовий стартовий капітал для масштабування технології під керівництвом Resolute Venture Partners, одного з перших інвесторів SpaceX та Tesla.

У літій-іонному акумуляторному елементі реагенти зберігаються в аноді та катоді. Літій-повітряний елемент має літій-металевий анод, але кисень з атмосфери використовується як реагент на катоді, а не зберігається в елементі. Це зменшує вагу та збільшує щільність енергії до 1000-2000 Вт·год/кг на рівні елемента порівняно з 260-340 Вт·год/кг для літій-іонного.

У літій-іонних батареях енергія накопичується шляхом інтеркаляції, або вбудовування, іонів літію в шарувату структуру електрода. У літій-повітряних батареях енергія накопичується в ковалентних зв'язках між літієм та киснем. Цей процес є оборотним, що робить батарею перезаряджаною, каже Мохаммад Асаді, співзасновник і головний технічний директор.

«Літій може зв’язуватися з киснем трьома різними способами: перенесення одного електрона, що утворює пероксид літію; перенесення двох електронів, що утворює супероксид літію; та перенесення чотирьох електронів, що утворює оксид літію», – каже він.

Твердотільний літій-повітряний елемент від Air Energy використовує керамічно-полімерний композитний твердий електроліт, який забезпечує чотириелектронну реакцію відновлення-окислення. «Коли у вас є чотириелектронний перенос, ви можете зберігати більше енергії в тому ж об'ємі, а щільність енергії набагато вища», — каже Асаді. Твердий електроліт також безпечніший, ніж легкозаймисті рідкі електроліти, що використовуються в літій-іонних елементах, його структура запобігає утворенню літієвих дендритів та теплових смуг.

Після завершення першого етапу проекту Joules-1K вартістю 1,5 мільйона доларів, продемонструвавши 1000 Вт·год/кг на рівні елемента та 1000 циклів заряду-розряду з обмеженою ємністю, команда Іллінойського технологічного інституту отримала контракт на другий етап вартістю 3,2 мільйона доларів на розробку прототипів пакетних елементів для дронів.

«На другому етапі метою є масштабування цієї технології», — каже Бенджамін Дрейк, співзасновник і генеральний директор Air Energy. «Ми застосовуємо підхід «проектування для виробництва». Ми створюємо лінію прототипів на ранній стадії досліджень і розробок і зменшуємо ризики, пов’язані з процесами рулонного виробництва, що дозволило б використовувати цю технологію на традиційному обладнанні для виробництва акумуляторів».

Враховуючи баланс рослин, необхідний на рівні батареї для забезпечення та контролю потоку повітря до елементів і від них, щільність енергії на рівні батареї наразі становить близько 700 Вт·год/кг. Цільовий показник Джоулів-1K становить 1000 Вт·год/кг на рівні батареї, включаючи баланс рослин. «І у нас є шлях, щоб подолати цей показник і досягти цілі 2000 Вт·год/кг у майбутньому», — каже Асаді.

Після перевірки виробничих процесів та розширення масштабів на лінії досліджень і розробок, Air Energy оцінює плани щодо пілотної виробничої лінії в Чикаго, потенційно в Національному центрі кібербезпеки у виробництві MxD. За словами компанії, цей пілотний виробничий потужний комплекс планується розпочати у 2027 році.