Содержание
Перспективные технологии для аккумуляторов будущего
Каждый год количество устройств в мире, которые работают от аккумуляторных батарей, неуклонно возрастает.
Не секрет, что самым слабым звеном современных устройств являются именно аккумуляторы. Их приходиться регулярно подзаряжать, они обладают не такой большой емкостью. Существующие аккумуляторные батареи с трудом позволяют добиваться автономной работы планшета или мобильного компьютера в течение нескольких дней.
Поэтому производители электромобилей, планшетов и смартфонов сегодня заняты поиском возможностей сохранения значительных объемов энергии в более компактных объемах самого аккумулятора. Несмотря на разные требования, предъявляемые к батареям для электромобилей и мобильных устройств, между ними можно легко провести параллели. В частности, известный электрокар Tesla Roadster питается от литий-ионной батареи, разработанной специально для ноутбуков. Правда, для обеспечения электроэнергией спортивного автомобиля инженерам пришлось использовать более шести тысяч таких элементов питания одновременно.
Идет ли речь об электромобиле или мобильных устройствах, универсальные требования к аккумулятору будущего очевидны – он должен быть меньше, легче и накапливать значительно больше энергии. Какие перспективные разработки в этой области могут удовлетворить данные требования?
Литий-ионные и литиево-полимерные батареи
На сегодняшний день в мобильных устройствах наибольшее распространение получили литий-ионные и литиево-полимерные батареи. Что касается литий-ионных аккумуляторов (Li-Ion), то они производятся еще с начала 90-х годов. Их главное преимущество – достаточно высокая энергетическая плотность, то есть способность сохранять определенный объем энергии на одну единицу массы. Кроме того, в таких батареях отсутствует пресловутый «эффект памяти» и имеется сравнительно низкий саморазряд.
Использование лития вполне обоснованно, ведь этот элемент обладает высоким электрохимическим потенциалом. Недостатком всех литиево-ионных батарей, коих на самом деле в настоящее время насчитывается большое количество видов, является достаточно быстрое старение аккумулятора, то есть резкое снижение характеристик при хранении или длительном использовании батареи. К тому же, потенциал емкости современных литий-ионных батарей, судя по всему, уже практически исчерпан.
Дальнейшим развитием литий-ионной технологии являются литиево-полимерные источники питания (Li-Pol). В них вместо жидкого электролита используется твердый материал. В сравнении со своим предшественником, литиево-полимерные батареи имеют более высокую энергетическую плотность. Вдобавок, теперь стало возможным производить батареи практически в любой форме (литий-ионная технология требовала только цилиндрической или прямоугольной формы корпуса). Такие батареи обладают небольшими габаритами, что позволяет с успехом применять их в различных мобильных устройствах.
Однако появление литиево-полимерных батарей кардинальным образом не изменило ситуацию, в частности, потому, что такие батареи не способны отдавать большие токи разряда, а их удельная емкость все же недостаточна, чтобы избавить человечество от необходимости постоянной подзарядки мобильных устройств. Плюс ко всему, литиево-полимерные аккумуляторы довольно «капризны» в эксплуатации, они имеют недостаточную прочность и склонность к возгоранию.
Перспективные технологии
В последние годы ученые и исследователи в различных странах активно работают над созданием более совершенных технологий аккумуляторных батарей, способных уже в ближайшем будущем прийти на смену существующим. В этом плане можно выделить несколько наиболее перспективных направлений:
Литий-серные батареи (Li-S)
Литий-серный аккумулятор – перспективная технология, энергоемкость подобной батареи в два раза выше, чем у литий-ионных.
Но в теории она может быть еще выше. В таком источнике питания используется жидкий катод с содержанием серы, при этом он отделен от электролита особой мембраной. Именно за счет взаимодействия литиевого анода и серосодержащего катода была существенно увеличена удельная емкость. Первый образец подобного аккумулятора появился еще в 2004 году. С того момента был достигнут определенный прогресс, благодаря чему усовершенствованный литий-серный аккумулятор способен выдерживать полторы тысячи циклов полной зарядки-разрядки без серьезных потерь в емкости.
К преимуществам данного аккумулятора также можно отнести возможность применения в широком диапазоне температур, отсутствие необходимости в использовании усиленных компонентов защиты и сравнительно низкую себестоимость. Интересный факт – именно благодаря применению такого аккумулятора в 2008 году был поставлен рекорд по продолжительности полета на воздушном судне на солнечных батареях. Но для массового выпуска литиево-серного аккумулятора ученым еще придется решить две основные проблемы.
Требуется найти эффективный способ утилизации серы, а также обеспечить стабильную работу источника питания в условиях смены температурного или влажностного режима.
Магниево-серные батареи (Mg/S)
Обойти традиционные литиевые батареи могут и аккумуляторы, базирующиеся на соединении магния и серы. Правда, до последнего времени никто не мог обеспечить взаимодействие этих элементов в одной ячейке. Сам магниево-серный аккумулятор выглядит очень интересным, ведь его энергетическая плотность может доходить до более чем 4000 Вт-ч/л. Не так давно благодаря американским исследователям, по всей видимости, удалось решить основную проблему, стоящую на пути разработки магниево-серных батарей. Дело в том, что для пары магний и сера не было никакого подходящего электролита, совместимого с этими химическими элементами.
Однако ученые сумели создать такой приемлемый электролит за счет образования особых кристаллических частиц, обеспечивающих стабилизацию электролита.
Образец магниево-серного аккумулятора включает в себя анод из магния, сепаратор, катод из серы и новый электролит. Впрочем, это только первый шаг. Перспективный образец, к сожалению, пока не отличается долговечностью.
Фторид-ионные батареи
Еще один интересный источник питания, появившийся в последние годы. Здесь за перенос зарядов между электродами отвечают анионы фтора. При этом анод и катод содержат металлы, преобразующиеся (в соответствии с направлением тока) во фториды, либо восстанавливающиеся обратно. Благодаря этому обеспечивается значительная емкость батареи. Ученые заявляют, такие источники питания имеют энергетическую плотность, в десятки раз превосходящую возможности литий-ионных батареек. Помимо значительной емкости, новые аккумуляторы также могут похвастаться существенно меньшей пожароопасностью.
На роль основы твердого электролита было перепробовано множество вариантов, но выбор, в конечном счете, остановился на лантане бария.
Хотя фторид-ионная технология кажется очень перспективным решением, она не лишена недостатков. Ведь твердый электролит может стабильно функционировать лишь при высоких температурах. Поэтому перед исследователями стоит задача отыскать жидкий электролит, способный успешно работать при обычной комнатной температуре.
Литий-воздушные батареи (Li-O2)
В наши дни человечество стремится к использованию более «чистых» источников энергии, связанных с генерацией энергии солнца, ветра или воды. В этом плане очень интересными представляются литий-воздушные батареи. В первую очередь, они рассматриваются многими экспертами в качестве будущего электромобилей, но с течением времени могут найти применение и в мобильных устройствах. Такие источники питания обладают очень высокой емкостью и при этом сравнительно малыми размерами. Принцип их работы следующий: вместо оксидов металла в позитивном электроде применяется углерод, который вступает в химическую реакцию с воздухом, в результате чего создается ток.
То есть для выработки энергии здесь частично используется кислород.
Использование кислорода в качестве активного материала катода имеет свои существенные преимущества, ведь он является практически неисчерпаемым элементом, а самое главное, абсолютно бесплатно берется из окружающей среды. Считается, что плотность энергии у литий-воздушных батарей сможет достигать впечатляющей отметки в 10 000 Втч/кг. Может быть, в недалеком будущем подобные батареи смогут поставить электромобили в один ряд с машинами на бензиновом двигателе. Кстати, аккумуляторы подобного типа, выпущенные для мобильных гаджетов, уже можно встретить в продаже под названием PolyPlus.
Литий-нанофосфатные батареи
Литий-нанофосфатные источники питания – это следующее поколение литиево-ионных батареек, которые характеризуются высокой отдачей тока и сверхбыстрой зарядкой. Для полной зарядки такой батареи требуется всего пятнадцать минут.
Они также допускают в десять раз больше циклов зарядки в сравнении со стандартными литий-ионными элементами. Таких характеристик удалось добиться благодаря использованию особых наночастиц, способных обеспечить более интенсивный поток ионов.
К достоинствам литий-нанофосфатных батарей можно отнести также слабый саморазряд, отсутствие «эффекта памяти» и способность работать в условиях широкого диапазона температур. Литий-нанофосфатные батареи уже доступны в продаже и применяются для некоторых типов устройств, однако их распространению мешает необходимость в специальном зарядном устройстве и больший вес в сравнении с современными литий-ионными или литийево-полимерными аккумуляторами.
В действительности, перспективных технологий в области создания аккумуляторных батарей гораздо больше. Ученые и исследователи работают не только над созданием принципиально новых решений, но и над улучшением характеристик существующих литий-ионных батареек.
Например, за счет использования кремниевых нанопроводов или разработки нового электрода, обладающего уникальной способностью к «самозаживлению». В любом случае уже не за горами тот день, когда наши телефоны и другие мобильные устройства будут жить целые недели без подзарядки.
Из чего скоро будут делать аккумуляторы для электромобилей
- Углеродные нанотрубки электрода лития
- Медные нанопроволоки катода лития
- Литий-воздушный карбон
- Литий кремния
- Гибрид углеродно-пенного конденсатора
- Литий-кремниевый полимер
- Литиевое серо-углеродное нановолокно
- Литий-марганцевые композиты, кремний-углеродные нанокомпозиты
- Бонус
По итогам 2018 года продажи Tesla Roadster, Chevrolet Volt, Nissan Leaf, Fisker Karma и Mitsubishi MiEV не велики. Проблема в аккумуляторных батареях, не позволяющих совершать длительные поездки без подзарядки из-за малой емкости. Подробнее о проблемах электромобилей здесь
Многообещающие заявления ученых и итоги испытаний аккумуляторов для электромобилей, дают надежду, что вскоре автомобиль будет проезжать до 800 км на одном электродвигателе.
Все идет к тому, что через 10 лет продажи электрических и гибридных (бензиново-электрических) авто, могут достичь одного процента от общих гигантских продаж автомобильного рынка. Это около 150 тысяч единиц в год.
До 2017 года Toyota, использовала никель-металлгидридные (Ni-MH) аккумуляторы (подробней об аккумуляторах и их видах здесь). Сейчас на рынок выходят автомобили с литий-ионными аккумуляторами, которые превосходят никель-металлгидридные в мощности и времени зарядки. В 2018 году электромобили Prius, RAV4 и гибрид Prius уже поставляются с литий-ионными.
Да, литий-ионные аккумуляторы маленький шаг для всего человечества в мире альтернативных источников топлива. Но давайте будем откровенны: технологии аккумуляторов для электромобилей и гибридов по-прежнему не идут в сравнение с бензиновым или дизельным двигателем. Ни один из электродвигателей не рассчитан на расстояние большее, чем 500 км.
- 2017 Tesla Model S – 507 км
- 2017 Chevrolet Bolt EV – 383 км
- 2017 Hyundai Ioniq Electric – 200 км
- 2017 Ford Focus Electric – 185 км
- 2017 BMW i3 (94-амерная батарея) – 183 км
- 2017 Nissan Leaf – 172 км
- 2017 Mitsubishi i-MiEV – 94 км
Электрические силовые агрегаты дороже бензиновых эквивалентов, примерно на 50%.
Чтобы продажи электромобилей начали рост, должен быть повышен километраж пройденного пути на одном аккумуляторе и сокращена себестоимость производства.
Мы подобрали несколько перспективных технологий для аккумуляторов, которые могут прижиться в электромобилях. Аккумуляторы станут новым альтернативным видом топлива. Разработки ведутся в институтах, лабораториях и исследовательских центрах США, Японии, Великобритании и.… будете смеяться, России. Некоторые разработки финансируются из государственной казны.
Углеродные нанотрубки электрода лития
Больше положительных ионов, больше электроэнергии в аккумуляторной батарее | Разрабатывается в Массачусетском институте технологий
Используя слои углеродных нанотрубок – сильных микроскопических полых нитей с относительно большой площадью – ученые из Массачусетского института технологий разрабатывают катод (электрод, через который проходит поток электронов из аккумулятора), который хранит и высвобождает намного больше положительных ионов, чем обычные литиевые аккумуляторы.
Идея состоит в том, что новый катод увеличит количество энергии, хранящейся в электрической батарее автомобиля и ускорит электрический поток в десять раз по сравнению с существующими продуктами. Также развитие новых катодов аккумулятора улучшит твердотелые конденсаторы и приведет к комбинации аккумулятор/конденсатор, которая будет в состоянии хранить и поставлять намного больше электроэнергии, чем любое другое доступное аналогичное устройство.
Про нанотрубки Массачусетский институт рассказал еще в 2010 году. Технология готова к продаже, вся техническая документация подготовлена. Чтобы углеродные нанотрубки электрода лития были применены в аккумуляторах электромобилей технологию должен купить заинтересовавшийся автопроизводитель и довести ее до ума применив в автомобилях. Затем проведут тест-драйвы, ряд обязательных краш-тестов. Только после этого машины с нанотрубками в аккумуляторах запустят в серийное производство. По нашим подсчетам, машины с этой технологией выйдут не раньше, чем через 5 лет.
Медные нанопроволоки катода лития
Надежда министерства энергетики США | Разработки ведет Университет штата Колорадо
В этом аккумуляторе пористый проводниковый графитовый электрод будет заменен на микроскопически тонкие медные провода. Эта разработка называется 3D блоком, потому что эти тонкие провода – толщиной в одну тысячную от толщины человеческого волоса – накапливают ионы на всей своей поверхности, а не только на плоской металлической. Медь менее чувствительна к высоким температурам. Ее способность аккумулировать ионы намного выше, чем у графита, который сейчас используется в литиевых аккумуляторах.
Литиевый аккумулятор с нанопроволокой вмещает и выдает больше энергии, чем обычные литиевые аккумуляторы электромобилей. Технология настолько перспективна, что проект заинтересовал министерство энергетики США, где поддерживают разработку электрических автомобилей. В разработку уже пошли первые финансовые вливания из казны США.
Литий-воздушный карбон
О чем молчит IBM? | Разработки IBM
Цель разработок IBM — увеличение пройденного пути автомобиля с электрической силовой установкой до 800 км.
Машина покроет расстояние между городами в 600 км и еще весь день будет ездить по городу на одном только электродвигателе.
Для этого компания разрабатывает литий-воздушные батареи с потенциалом для гораздо большей плотности энергии, чем в литий-ионных аккумуляторах. IBM утверждает, что их аккумулятор работает дольше на одной подзарядке благодаря карбоновым электродам, в которых ионы вступают в реакцию с кислородом, но кислород не разрушает электролитной среды. IBM сохраняет режим тишины по поводу новой технологии, которая держит кислород под контролем, но сообщается, что разработка проводилась на молекулярном уровне. Себестоимость аккумулятора тоже держится в тайне. Литий-воздушные батареи вряд ли будут коммерчески доступны для производителей электрических автомобилей до 2020 года.
Литий кремния
Больше ионов! Больше! | Разработчик – Северо-Западный университет
Гарольд Х. Кун, работает в школе инженерных и прикладных наук им. Маккормика при Северо-Западном университете.
Он изучает применение кремниевых электродов (обычно применяются углеродные), надеясь создать аккумулятор большой емкости с большим диапазоном работы. Кун утверждает, что, используя гибкие электроды и свойства кремния расширяться и сокращаться при поглощении и высвобождении ионов, литиевый аккумулятор сможет хранить в себе во много раз больше ионов чем обычный. Такой аккумулятор будет заставлять ионы двигаться быстрее – настолько быстро, что время зарядки электромобиля уменьшится.
Гибрид углеродно-пенного конденсатора
Самая запутанная из запутанных технологий аккумуляторов для электромобилей и гибридов | Разработка Мичиганского технологического университета
Ученые из Мичиганского технологического университета работают над аккумулятором, в котором объединят плотность накопленной энергии химического аккумулятора с эффективностью поставки энергии твердотелых конденсаторов. Для увеличения емкости в качестве катода в аккумуляторе используют углеродную пену.
Используемый углеродный анод, гибрид аккумулятор/конденсатор меньше весит и дает больший заряд, чем обычный конденсатор. Устройство переживет не меньше 1000 циклов зарядки, не проявляя признаков снижения производительности.
Литий-кремниевый полимер
Умный полимер — залог будущего для гибридной батареи | Разрабатывается министерством энергетики
Ученые из Национальной лаборатории Лоренца Беркли в Калифорнии разрабатывают литиевый аккумулятор, который сможет хранить в себе большой объем энергии. Разработка известна как литий-кремниевый полимерный аккумулятор. В отличие от других технологий, которые используют кремниевые электроды, специально спроектированный полимер сохраняет структуру электродов, пока они расширяются и сжимаются, тем самым увеличивая объем энергии принимаемой на хранение.
Литиевое серо-углеродное нановолокно
Разработчик – Стэнфордский университет
Ученые Стэнфордского университета утверждают, что способность кремния аккумулировать намного больше ионов лития, чем нынешние электроды, делает его №1 в выборе, когда речь заходит об увеличении плотности энергии в аккумуляторе.
Но здесь есть одна проблема: кремний сильно расширяется, когда поглощает ионы, и эта подвижность приводит к разрушению проводимости анода. Однако изготовление нановолокон из кремния снижает этот эффект.
Кроме того, ученые обнаружили, что углеродные нанотрубки, внутренняя поверхность которых покрыта серой, позволяют аккумулятору отдавать до десяти раз больше энергии, чем обычные литиевые аккумуляторы. Утверждается, что сера это экологически чистое и дешевое покрытием для электродов, она легко доступна и не токсична.
Литий-марганцевые композиты, кремний-углеродные нанокомпозиты
До 500 км. на одном аккумуляторе обещает компания с парфюмерным названием | Разрабатывается компанией Envia Systems
Первоочередная разработка компании — патентованный катодный материал на основе марганца, богатого металла, который высокоустойчив при использовании в аккумуляторных батареях. По словам компании, Envia марганец дешевле, чем распространенные катоды на основе кобальтового материала.
Его использование снизит себестоимость аккумуляторных батарей для гибридов. Также, по словам представителей компании, технология увеличит диапазон работы электродвигателя до 500 км.
Бонус
Технология которая уже применяется: 12-вольтный аккумулятор с аббревиатурой AMG
Несмотря на то, что в гибридных автомобилях стоят мощные силовые источники, бортовые компьютеры, свет, замки питают обычные 12-вольтные аккумуляторы. Последнее поколение 12-вольтных свинцово-кислотных батарей называются Absorbed glass mat – AMG. В AMG содержится серная кислота электролита в сочетании с гелем вместо жидкого электролита. Эти свинцово-кислотные батареи удерживают заряд до одного года, служат дольше чем обычные батареи, герметичны, не требуют обслуживания, устойчивы к тряске. Недостатки в том, что AMG батареи много весят, требуют специальную зарядку, стоят дороже.
Тема про аккумуляторы бесконечна. Еще одно интересное рассуждение на тему, какой аккумулятор для запуска автомобиля лучше: литиевый или свинцово-кислотный, читайте тут.
В завершение, посмотрите видео — ролик о тайных разработках электромобилей в СССР
Новые аккумуляторы, которые заставят вас поверить в электромобили
Эта история является частью Plugged In, центра CNET, посвященного электромобилям и будущему электрифицированной мобильности. От обзоров автомобилей до полезных советов и последних отраслевых новостей — мы обеспечим вас.
Увеличенный запас хода, более быстрая зарядка, меньшее снижение запаса хода и более низкая прейскурантная цена: это все, что новые аккумуляторные технологии привносят в электромобили. И хотя с практической точки зрения я по-прежнему больше воодушевлен разработками в области зарядки, такими как недавнее расширение GM с помощью Pilot и EVgo или нагнетателей Tesla, охватывающих весь мир, вот несколько новых аккумуляторных технологий, которые являются сильными соперниками для моего энтузиазма.
Литий-ионный далеко не готов
Sila Nanotechnologies заменяет графитовый анод, составляющий большую часть объема и около 15% веса современных литий-ионных аккумуляторов, на форму кремния, которая, как утверждается, придаст элементам аккумуляторов От 20 до 40% увеличение плотности энергии при более быстрой зарядке. Это изменение было бы примерно аналогично Ford F-150, получающему 25 миль на галлон в этом году, но 35 миль на галлон в следующем модельном году, неслыханный скачок.
Mercedes выглядит первым покупателем, который предложит технологию Sila в качестве элитной опции в новом электрическом EQG в 2025 году. Плотность энергии особенно важна для тяжелых транспортных средств, таких как EQG, потому что их избыточность имеет тенденцию увеличивать недостатки современных аккумуляторов, которые должны быть большим и тяжелым, чтобы переместить что-то большое и тяжелое даже на приличное количество миль, установив определенный порочный круг.
Сила утверждает, что традиционная технология литий-ионных аккумуляторов осталась на прежнем уровне с точки зрения плотности энергии.
Сила
Group14 — еще одна компания, за которой следует следить за сочетанием кремния и лития, выстроив Porsche в качестве ведущего партнера. OneD придерживается стратегии выращивания кремниевых нанопроволок на графитовом аноде литиевой батареи. Все эти подходы используют хорошую производительность и широкое признание технологий литиевых батарей для быстрого выхода на рынок.
Натрий-ионные аккумуляторы
Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория недавно объявила о прорыве в технологии натрий-ионных аккумуляторов, который обещает большую устойчивость к требованиям регулирования температуры, с которыми сталкиваются современные аккумуляторы для электромобилей, многократную зарядку без ухудшения характеристик, естественное гашение и меньшее токсической головной боли. PNNL заявляет, что нашла способ укротить нестабильные аспекты технологии натрий-иона, но все еще должна решить проблему ее значительно более низкой плотности энергии по сравнению с литий-ионом.
В качестве бонуса исследователи PNNL считают, что они смогут уменьшить или удалить кобальт из формулы, спорный и токсичный элемент в батареях для электромобилей сегодня.
Сара Левин/Pacific Northwest National Lab
Твердотельные батареи
Технология твердотельных батарей названа очень точно: обычно это относится к батареям, изготовленным из плотно сжатых твердых материалов, а не из слегка мягкого влажного материала, из которого состоит типичная литиевая батарея.
Современные аккумуляторные элементы представляют собой полужесткие изделия с влажным раствором электролита внутри. Твердотельные батареи физически различны, что означает материалы, которые делают их значительно более перспективными.
Брайан Кули/CNET
Тот факт, что твердотельная батарея состоит из твердых материалов в жестком корпусе, не делает ее более эффективной, но это простой способ описать конструкцию, которая обещает множество преимуществ:
Большая плотность энергии : это может привести к тому, что электромобиль с гораздо большей дальностью действия от батареи того же размера или с сегодняшним запасом хода от гораздо меньшей и более дешевой батареи завтра.
Последнее, на мой взгляд, более трансформационно.
Быстрая зарядка : В то время как полная зарядка менее чем за 30 минут сегодня является довольно элитной, твердотельные батареи нацелены на это как само собой разумеющееся. Короткое время зарядки может полностью изменить представление об электромобилях.
Увеличенный срок службы : Возможно, вы видели мой недавний рассказ о проблеме выбрасывания аккумуляторов электромобилей на пастбище, поскольку они теряют значительную часть своей емкости из-за циклов зарядки. Твердотельная технология является ключевой частью плана GM по производству аккумуляторов с ресурсом в миллион миль.
Термическая стабильность : Твердотельные конструкции практически не имеют шансов на тепловой выход из строя, что сделало современные литиевые батареи синонимом пожароопасности. Говорят, что кремниевые батареи, подобные упомянутым ранее, также в значительной степени устраняют эту проблему.
Большинство разрабатываемых новых аккумуляторных технологий почти невосприимчивы к тепловому выходу из строя, что сделало литий-ионные аккумуляторы своего рода синонимом пожара.
Брайан Кули/CNET
Кто должен доставить это волшебство?
Solid Power недавно попала в заголовки газет, когда объявила о начале мелкосерийного производства при поддержке Ford и BMW. Примечательно, что производство может осуществляться на линиях, которые сегодня делают обычные литий-ионные батареи, что потенциально является огромным промышленным преимуществом. Массовое производство может начаться уже в 2024 году.
Возможно, самой обсуждаемой компанией была QuantumScape при поддержке VW, который говорит, что технология является не чем иным, как «самым многообещающим подходом к электромобильности будущего». Компания QuantumScape разработала керамический сепаратор между анодом и катодом, который помогает элементам заряжаться от 10% до 80% менее чем за 15 минут, позволяя батарее терять очень небольшую емкость после повторных зарядок.
Nikkei недавно сообщил, что Toyota на сегодняшний день является мировым лидером в патентах на твердотельные батареи, и заявила, что к 2025 году у нее будет ограниченное производство автомобилей, использующих эту технологию. -производитель ProLogium для аккумуляторов, которые могут появиться в электромобилях вьетнамского производителя к 2024 году.
Стоит ли ждать?
Некоторые из намеченных сроков, о которых я говорил выше, кажутся мучительно близкими, но относитесь к ним с долей скептицизма: пропущенные даты массового производства любой из этих аккумуляторных технологий никого не удивят. Вдобавок ко всему, автомобильная промышленность, как правило, имеет много времени от того, чтобы новая технология была технически доступна, до того, как она стала широко доступной в автомобилях по популярным ценам. Добавьте к этому мое общее отвращение к покупке новой машины, и вы начнете приближаться к более длинному концу в пять-десять лет. Я бы проанализировал электромобиль на основе сегодняшних предложений, поскольку эти захватывающие новые аккумуляторные технологии, вероятно, являются полным циклом владения автомобилем для умного и экономного покупателя.
Тем не менее, эти аккумуляторные технологии появятся достаточно рано на кривой внедрения электромобилей, чтобы внести основной вклад в ее переломный момент.
Аккумуляторная технология EV: путь к прорыву
Аккумуляторная технология — это новый ориентир для компаний, стремящихся удовлетворить растущий во всем мире спрос на электромобили.
Икс
Какие основные технологии аккумуляторов для электромобилей существуют сейчас и какие инновации маячат на горизонте?
Литий-ионные и литий-железо-фосфатные (или LFP) доминируют в нынешнем ландшафте аккумуляторов для электромобилей. У них есть плюсы и минусы с точки зрения ассортимента, цен на сырье и прочего. Tesla (TSLA) использует как литий-ионные, так и LFP-аккумуляторы. Появляющийся главный конкурент BYD (BYDDF) использует специализированную батарею LFP.
Аккумуляторные компании и автопроизводители вкладывают значительные средства в создание более дешевых, более плотных и легких аккумуляторов.
Новые технологии охватывают всю гамму. Некоторые придают старому химическому составу аккумуляторов новый вид для постепенных улучшений. Другие изменяют форм-фактор батареи или сборку батареи для значительного повышения производительности или снижения затрат. Ожидается, что в будущем появятся радикально отличающиеся химические процессы и другие крупные прорывы.
Для аккумуляторов Ultium следующего поколения General Motors (GM) изменила литий-ионный химический состав, чтобы резко сократить расходы. Новый аккумуляторный элемент Tesla 4680 требует экономии средств и других преимуществ благодаря большему размеру и самой современной технике. Китайская компания CATL, крупнейший в мире производитель аккумуляторов, рекламирует еще большие усовершенствования своей новой батареи Kirin, отчасти из-за того, как элементы объединяются в блоки.
Самые далеко идущие инновации в области аккумуляторов могут исходить от самых разных игроков. CATL работает над натрий-ионными батареями, а QuantumScape (QS), SES (SES), SolidPower (SLDP) и Toyota Motor (TM) разрабатывают твердотельные батареи.
Оба типа аккумуляторов могут изменить правила игры, но сталкиваются с техническими трудностями.
«Аккумуляторы — это новая золотая лихорадка для автопроизводителей», — сказал Рэм Чандрасекаран, аналитик по мобильности в Wood Mackenzie, ранее работавший в Ford.
Улучшенные и более мощные аккумуляторы будут способствовать распространению электромобилей. По словам Чандрасекарана, целые автомобильные платформы строятся вокруг батареи, которая не только обеспечивает питание, но и служит важным конструктивным элементом в современных электромобилях.
Гонка аккумуляторных технологий
Безусловно, гонка аккумуляторных технологий касается не только электромобилей. Аккумуляторы питают все, от смартфонов и ноутбуков до электродрелей. Сектор коммунальных услуг сам по себе является растущим источником спроса на батареи.
Но есть причина, по которой автомобильные компании вырвались вперед в этой гонке: по данным исследовательской и консалтинговой фирмы Wood Mackenzie, электромобили составляют 80% спроса на литий-ионные аккумуляторы.
По словам WoodMac, уже в 2021 году предложение литий-ионных аккумуляторов не соответствовало спросу на оживленном рынке электромобилей. Цены на аккумуляторное сырье также подскочили. Это только усилилось в 2022 году9.0003
В 2021 году на Азию во главе с Китаем приходилось 90% мирового производства аккумуляторов. К концу этого десятилетия Wood Mackenzie ожидает, что эта доля упадет ниже 70%, поскольку Запад догонит ее.
В США и Европе к концу десятилетия появятся десятки заводов по производству аккумуляторов из-за опасений нехватки лития. Компании стремятся как снизить геополитический риск, так и снизить транспортные расходы, поскольку тяжелые аккумуляторы для электромобилей дорого стоят.
2 мая Министерство энергетики США объявило о выделении 3,1 миллиарда долларов на увеличение производства передовых аккумуляторов с упором на перерабатывающие и производственные мощности, а не на горнодобывающую промышленность. Дополнительные 60 миллионов долларов пойдут на поиск вторичного применения использованным батареям.
Деньги поступают из законопроекта об инфраструктуре 2021 года.
Лучшие акции электромобилей для покупки и наблюдения
Типы литий-ионных аккумуляторов
Литий-ионные аккумуляторы бывают двух основных химических составов: никель-кобальт-алюминий (или NCA, используемый Tesla) и никель-ионный. марганцево-кобальтовый (NMC, используемый другими автопроизводителями). Литий является общим знаменателем.
Эти аккумуляторы обладают высокой плотностью энергии, что позволяет устройствам и транспортным средствам работать дольше без подзарядки. Но они быстро стареют и могут загореться.
В последние годы западные компании усовершенствовали технологию NMC, в частности, за счет увеличения содержания никеля, что повышает плотность энергии и запас хода электромобиля, а также за счет сокращения использования кобальта, дефицитного и дорогого.
В своих новых батареях Ultium компания General Motors разработала химический состав NCMA, который добавляет алюминий для увеличения содержания никеля и сокращения содержания кобальта, что снижает стоимость батарей на 40%.
Новый электромобиль Hummer EV полностью питается от огромных, богатых никелем батарей Ultium и может проехать около 350 миль.
GM называет Hummer «супергрузовиком». В нем говорится, что новая архитектура батареи и передовые технологии обеспечивают производительность и внедорожные возможности, которые не может обеспечить обычный бензиновый или дизельный пикап.
«Если вы выполняете свою экстремальную работу на Hummer, вы просто беспокоитесь о том, где вы ставите автомобиль на трассе. Вам не нужно беспокоиться о том, включена ли я на определенной передаче или как мне что-то перевернуть. не заходя слишком далеко и не вися на камне?» сказал Тим Грю, глава отдела батарей и стратегии электрификации GM.
Снижение затрат является приоритетом номер один для GM, сказал Греве IBD. Аккумуляторы составляют от четверти до трети стоимости электромобилей. Обеспечение доступности электромобилей станет ключом к их массовому внедрению.
Литий-ион. Батареи LFP
За последний год или около того альтернатива литий-ионным батареям стала популярной, поскольку цены на никель и кобальт резко выросли.
Литий-железные или LFP-батареи не содержат никель или кобальт. Вместо этого они используют железо и фосфаты, которых в земной коре много.
«Среди аккумуляторных батарей преимуществом LFP традиционно была более низкая стоимость», — сказал Чандрасекаран. «Однако плотность энергии у них не такая, как у некоторых других химических веществ».
Этот компромисс удерживает технологию аккумуляторов LFP в США, где люди, как правило, ездят на больших транспортных средствах на большие расстояния.
Но аккумуляторные гиганты усовершенствовали химию LFP, которая теперь предлагает приемлемый диапазон по разумной цене. С 2020 года китайские автопроизводители и Tesla перешли на более дешевые батареи LFP для массовых электромобилей с меньшим запасом хода, и теперь их примеру последовали несколько западных автогигантов.
Возрождение аккумуляторов LFP, технологии, которой уже несколько десятков лет, застало рынок врасплох, говорит Джеймс Фрит, аналитик лондонской компании Volta Energy Technologies.
«Это была огромная перемена», сказал Фрит. «Особенно неожиданным было принятие LFP автопроизводителями в Европе и США, и это было действительно стимулировано Tesla».
Помимо более низкой стоимости, LFP предлагает длительный срок службы и высокие показатели безопасности. Это сделало его предпочтительным химическим веществом для стационарных приложений, таких как гигантские массивы батарей для хранения в коммунальном масштабе.
В 2021 году литиевые батареи на основе никеля занимали 50% рынка электромобилей и систем хранения энергии. Но к 2028 году LFP превзойдет по доле рынка химические вещества на основе никеля, прогнозирует Wood Mackenzie.
Китайская компания BYD использует специализированную версию LFP, продаваемую как Blade. Компания утверждает, что более длинные и тонкие батареи Blade гораздо менее подвержены возгоранию, даже если они сильно повреждены.
Постоянные, но неподтвержденные сообщения предполагают, что BYD будет поставлять Tesla элементы LFP Blade.
Этот китайский гигант по производству электромобилей собирается захватить корону Tesla
Аккумулятор Tesla 4680
Аккумуляторные компании говорят, что на подходе новые инновации. Аккумулятор Tesla 4680 и Kirin от CATL возглавляют последние инновации в области аккумуляторов.
Цилиндрическая ячейка Tesla 4680, названная так из-за своих размеров, 46 миллиметров в ширину и 80 миллиметров в высоту, в пять раз больше своих предшественников. Кроме того, в ячейках 4680 применена совершенно новая бесстоловая конструкция, которая вызвала большой интерес.
«Инновацией является сочетание более крупного формата ячеек с дизайном без столов, — сказал Фрит из Volta Energy.
Чем больше ячейка, тем больше места для активных материалов батареи и меньше отходов для корпусов и т.п. По словам Фрита, конструкция без стола позволяет аккумулятору поддерживать высокую скорость зарядки без ухудшения характеристик.
В целом, заявлено, что батарея 4680 увеличивает дальность действия на 54%, включая 16% только за счет конструкции элемента.
Tesla утверждает, что вдвое снижает стоимость аккумуляторов.
Вдохновившись топливными баками в самолетах, Tesla также внедрила так называемую «структурную» аккумуляторную батарею. Аккумулятор 4680 служит конструкцией кузова, соединяя переднюю и заднюю части днища и избавляясь от знакомой конструкции аккумулятора «скейтборд». Этот структурный пакет значительно сокращает количество деталей и упрощает производство для снижения затрат, заявила Тесла на мероприятии 7 апреля.
Tesla предоставила ограниченное публичное представление о ячейках и упаковке 4680. Маск ожидает массового производства к концу третьего квартала или четвертого квартала. Компания производит 4680 батарей собственными силами и сотрудничает с азиатскими компаниями, включая LG Energy Solution, для расширения производства.
По мнению некоторых аналитиков, им придется решить серьезные технические проблемы. Ячейки большего формата склонны к перегреву — проблема, с которой отрасль боролась годами. Пока Tesla не может массово производить 4680 элементов.
Это ограничивает потенциальную экономию средств или способность Tesla расширяться.
Компания CATL утверждает, что ее новая батарея Kirin превзойдет по производительности батарею Tesla 4680, предлагая на 13% больше энергии при том же химическом составе и размере упаковки. Он оснащен улучшенной технологией третьего поколения «ячейка-в-упаковку», которая исключает шаг среднего модуля при сборке батарей.
Батарея Kirin, о которой было объявлено в конце марта, будет представлена во втором квартале, сообщила CATL 5 мая. Ожидается, что она будет представлена в литий-ионной и LFP-версиях.
Кто лидирует в области аккумуляторных технологий? Это зависит, говорят аналитики.
«Tesla лидирует в производстве элементов с высоким содержанием никеля и высокой плотностью энергии для высокопроизводительных электромобилей», — сказала Алла Колесникова, руководитель отдела данных и аналитики Adamas Intelligence, исследовательской фирмы по производству аккумуляторных металлов.
Тем не менее, BYD лидирует в крупносерийных и недорогих ячейках LFP для электромобилей начального уровня, в то время как CATL внедряет инновации с обеих сторон, говорит она.
По мнению Чандрасекарана, Tesla может похвастаться одними из самых передовых аккумуляторных технологий, но не может конкурировать с китайскими аккумуляторными гигантами по цене. Фрит из Volta считает, что лидерство Tesla по сравнению с традиционными западными автопроизводителями заключается в ее готовности разрабатывать и тестировать новые аккумуляторные технологии. По данным SNE Research из Сеула,
CATL, поставщик Tesla, владел 35% мировых поставок аккумуляторов в первом квартале 2022 года. Источники недавно сообщили Reuters, что CATL проверяет площадки в США для производства аккумуляторов для электромобилей, что станет ее первым набегом здесь.
Пока неясно, планирует ли Tesla предлагать элементы 4680 с химией LFP. До сих пор он использовал LFP в призматических, а не в цилиндрических ячейках.
Маск заявил в январе, что Tesla рассчитывает перевести продукты резервного питания для дома и коммунальных служб на батареи LFP.
При стационарном хранении плотность энергии обычно ниже. Фактически, компании рассчитывают перерабатывать использованные аккумуляторы электромобилей, в которых еще могут быть тонны сока, для стационарных приложений, включая резервное питание.
Будущее аккумуляторных технологий
Аккумуляторные компании продолжают изучать альтернативы доминирующим химическим веществам на основе лития. В июле прошлого года CATL представила первое поколение своих натрий-ионных аккумуляторов для использования в электромобилях и стационарных хранилищах, запуск которого запланирован на 2023 год. CATL заявила, что практически исключает риск возгорания, связанный с литий-ионными батареями.
Колесникова из Adamas Intelligence ожидает, что в течение двух лет натриевые батареи станут жизнеспособной альтернативой литиевым.
«Спецификации ионов натрия не так уж далеки от LFP, что делает их пригодными для широкого круга потенциальных применений, особенно там, где объем не является основным ограничением», — сказала она.
По крайней мере на начальном этапе он будет ограничен менее интенсивными приложениями и теми, где важны высокая безопасность и низкая стоимость, такими как резервное электроснабжение, морская ветровая энергия и электрические скутеры.
Ионно-натриевые батареи также могут помочь в случае нехватки критически важных материалов для батарей. Они не используют литий, кобальт или никель, спрос на которые, как ожидается, будет расти по мере бума электромобилей.
Как и железо, натрий дешев и широко распространен в природе. Однако натрий в три раза тяжелее лития и не может сравниться с литием по энергоемкости.
Помимо натрий-ионных, твердотельные батареи могут заменить литий-ионные элементы. Стартапы, разрабатывающие твердотельные аккумуляторы, называют литий-ионную технологию устаревшей технологией, достигшей предела достижений в плотности энергии, поскольку спрос на более высокие характеристики резко возрастает.
Твердотельные батареи обещают гораздо более высокую плотность энергии и более быструю зарядку, а также меньший риск возгорания. В результате несколько автогигантов инвестировали в QuantumScape, SES и SolidEnergy.
Большая разница с твердотельными батареями заключается в электролите. В то время как в литий-ионных батареях используется жидкий электролит, в их твердотельных собратьях используется твердая форма.
Но аналитики предсказывают, что пройдет много времени, прежде чем твердотельные технологии перейдут из лабораторий аккумуляторов в реальный мир. До сих пор это сдерживалось проблемами проводимости и нестабильности.
«QuantumScape все еще нужно продемонстрировать, что она может масштабировать свою технологию и решать серьезные технические задачи», — заявил аналитик Deutsche Bank Эммануэль Рознер в заметке от 12 апреля.
«Даже если все пойдет по плану, компании еще несколько лет до массового производства и еще дальше до его монетизации», — добавил он.
Твердые электролиты дороги в производстве.
EV «Момент безумия» надвигается на литий и редкоземельные металлы
Добавить комментарий