Широко известно, что низкие температуры оказывают негативное влияние на все литий-ионные аккумуляторные батареи. Так, при температуре ниже 10 градусов Цельсия аккумуляторы теряют способность заряжаться номинальным током, что конечно создает существенные трудности для эксплуатации электромобилей в условиях холодного климата. В частности, автомобили, предназначенные для скандинавского региона, оснащаются встроенными нагревательными элементами. Несмотря на данные технические решения, мощность зарядных станций в теплых регионах значительно превышает показатели в холодных зонах, что обеспечивает более высокую скорость восполнения энергии аккумуляторов. Группа исследователей из Пенсильванского университета под руководством Чэо-Янга Вана (Chao-Yang Wang)

разработала новый тип аккумуляторной батареи, которая способна тратить часть энергии на собственный разогрев и на удержание температуры батареи выше критической. Это, в свою очередь, позволяет производить зарядку такой батареи за 15 минут, даже если температура окружающей среды опускается к отметке в -43 градуса Цельсия.

В отличие от традиционных батарей, имеющих два электрода, у саморазогревающейся батареи имеется третий электрод из тонкой никелевой фольги. Температурный датчик, при понижении температуры батареи меньше 25 градусов, замыкает цепь, которая обеспечивает движение электрического тока через никелевый электрод. Благодаря наличию электрического сопротивления этого электрода он нагревается и подогревает содержимое аккумуляторной батареи. После нагрева батареи до нормальной температуры импровизированный нагреватель отключается, а энергия начинает расходоваться уже на зарядку самой батареи.

Во время испытаний опытные образцы саморазогревающихся аккумуляторных батарей смогли выдержать 4500 15-минутных циклов зарядки при температуре окружающей среды в 0 градусов Цельсия. В конце цикла таких жестких испытаний потеря электрической емкости батареи не превысила 20 процентов, обычная же батарея в таких условиях потеряла бы 20 процентов емкости уже после 50 циклов зарядки.

Кроме возможности быстрой зарядки на холоде, технология подогрева батарей может сделать их более безопасными в эксплуатации. Ведь при температурах ниже 10 градусов при зарядке в электролите начинают формироваться литиевые нити и шипы, которые приводят к короткому замыканию, спонтанному разогреву и возгоранию батареи.

Для любознательных: Холодный пуск: как батареи научились греть сами себя и что придет им на смену

Зима — главный враг современных литий-ионных аккумуляторов. При температуре ниже нуля химические процессы внутри батареи замедляются: падает скорость диффузии ионов лития, электролит становится более вязким, а внутреннее сопротивление резко растет. В результате емкость падает, а попытка зарядить «замерзший» аккумулятор может привести к образованию опасных металлических наростов (дендритов) и короткому замыканию.

Чтобы решить эту проблему в электромобилях и арктической технике, инженеры разработали технологию саморазогрева. Но насколько она эффективна сегодня, какие альтернативы предлагает наука и что ждет индустрию в будущем?

Как работают аккумуляторы с функцией саморазогрева?

Классический подход к обогреву батареи электромобиля — это внешние нагревательные элементы (жидкостный контур или термоматы). Они громоздки, медлительны и тратят много энергии впустую, согревая окружающую среду.

Технология саморазогрева (All-Climate Battery) работает принципиально иначе — изнутри:

• Внутренний нагреватель: Внутрь элемента питания встраивается тончайшая никелевая фольга. Один её конец подключен к отрицательному клеммнику, а другой — к дополнительному третьему выводу.
• Термодатчик: Когда температура падает ниже нуля, электроника переключает ток так, чтобы он шел через никелевую пластину.
• Быстрый запуск: Фольга мгновенно нагревается, отдавая тепло непосредственно электролиту и электродам. Как только достигается безопасная температура, цепь размыкается, и батарея переходит в стандартный режим работы.

Такой метод позволяет прогреть аккумулятор от -30°C до 0°C буквально за 30 секунд, затратив всего несколько процентов от общего заряда.

Современные альтернативы саморазогреву

Хотя внутренний подогрев эффективен, он усложняет производство и увеличивает стоимость ячеек. Поэтому исследователи активно развивают альтернативные направления, которые не боятся холода «по своей природе».

1. Морозостойкие электролиты

Вместо того чтобы греть стандартный жидкий электролит, ученые меняют его химический состав. Использование инновационных растворителей (например, на основе фторированных соединений или эфиров) и специальных солей позволяет электролиту оставаться жидким и сохранять высокую проводимость даже при температурах до -40°C и -50°C.

2. Твердотельные аккумуляторы (Solid-State Batteries)

В этих батареях жидкий электролит заменен твердым полимером или керамикой. Они обладают колоссальной плотностью энергии и высочайшей безопасностью. Хотя первые поколения твердотельных батарей также требовали тепла для оптимальной работы, современные композитные материалы показывают стабильные результаты в более широком температурном диапазоне без риска возгорания.

3. Натрий-ионные аккумуляторы (Na-Ion)

Главный хит последних лет. Натрий тяжелее лития, поэтому такие батареи имеют меньшую плотность энергии, но они значительно дешевле и демонстрируют потрясающую стойкость к холоду. Натрий-ионные элементы способны отдавать до 80-90% своей емкости при -20°C без какого-либо принудительного подогрева.

Перспективы развития: куда движется индустрия?

В ближайшие годы рынок систем хранения энергии и электромобилей будет развиваться по пути гибридизации и умного управления:

• Комбинированные системы: В бюджетном и среднеценовом сегментах электромобилей (особенно для стран с суровым климатом) натрий-ионные батареи заменят литий-ионные, что снимет необходимость в сложных системах подогрева.
• Интеграция искусственного интеллекта (BMS): Современные платы управления батареями (Battery Management Systems) с ИИ научились прогнозировать необходимость прогрева на основе стиля езды водителя, маршрута навигатора и прогноза погоды. Прогрев начинается заранее, еще во время зарядки от сети.
• «Умные» материалы: Ведутся исследования по созданию материалов для электродов, которые меняют свои проводящие свойства в зависимости от температуры, оптимизируя внутреннее сопротивление без механического вмешательства.

Заключение

Аккумуляторы с функцией саморазогрева стали важнейшим переходным этапом, который позволил электромобилям полноценно эксплуатироваться в зимних условиях. Однако усложнение конструкции ячеек подталкивает индустрию к поиску более элегантных решений. Будущее принадлежит новым типам химических источников тока — натрий-ионным и твердотельным системам, для которых мороз перестанет быть непреодолимым препятствием.