Аккумуляторы нового поколения создаются в Европе

В новом гигантском НПО Battery Industrialization Centre в британском г. Ковентри. Jason Alden / Bloomberg

Аккумуляторные батареи используются повсюду − в наших телефонах, ноутбуках и автомобилях, но недорогими и высокопроизводительными источниками энергии будущего они до сих пор не стали. Целый ряд европейских и швейцарских научно-производственных инициатив пытается сейчас нащупать пути к инновационному прорыву в этой перспективной области.

Этот контент был опубликован 17 сентября 2021 года — 07:00 17 сентября 2021 года — 07:00

Редактор русскоязычной версии Надежда Капоне.

«Благодаря применению аккумуляторов можно сократить на 30% углеродные выбросы в транспортном и энергетическом секторах, обеспечить электричеством дополнительно 600 млн человек, а также создать по всему миру 10 млн долговременных и экологически устойчивых рабочих мест», — сказано в недавно опубликованном ежегодном докладе Всемирного экономического форума в Давосе, штаб-квартира которого расположена в местечке Колоньи в пригороде Женевы.

Пока доминирующую роль на рынке батарей и аккумуляторов играет Азия, причем более 90% их производства приходится на Китай, Ю. Корею и Японию. 

Но Европа намерена уже в скором времени сократить свое отставание. Европейский союз, уступая требования местных гигантов автомобилестроения, намерен скоро запустить массовое производство аккумуляторных батарей и ячеек (модульных элементов перезаряжаемых батарей), с тем чтобы положить конец технологической зависимости от зарубежных производителей. «В настоящее время мы просто пытаемся наверстать упущенное, но основная идея ЕС заключается в том, чтобы создать собственную производственно-инновационную базу для разработок в сфере производства аккумуляторов». 

Об этом мы беседуем с Корсин Баттальей (Corsin BattagliaВнешняя ссылка

), экспертом Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологий (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EmpaВнешняя ссылка). Швейцария не входит в Евросоюз, но принимает активное участие в европейских научных проектах по разработке аккумуляторов нового поколения. Четыре года назад с целью наращивания производственных мощностей и развития научно-исследовательского потенциала в данной сфере по инициативе Еврокомиссии был создан Европейский аккумуляторный альянс (European Battery Alliance). 

Показать больше

Показать больше

По данным НКО Transport & Environment, в рамках этой инициативы по всей Европе запланировано построить почти 40 заводов по производству батарей, так называемых «гигафабрик». Если все они в самом деле заработают, то к 2025 году старый свет сможет обеспечить себе долю мирового рынка аккумуляторов в 20%, что в годовом выражении составит торгово-промышленный оборот на ровне в 250 млрд евро или 270 млрд швейцарских франков. Одним из первых полностью европейских предприятий по производству экологически чистых аккумуляторов станет гигафабрика

Northvolt EttВнешняя ссылка на севере Швеции в городе Шеллефтео. 

Площадь огромного завода по производству литий-ионных батарей достигает 500 000 квадратных метров или 70 футбольных полей. Фабрика Northvolt заявляет, что сможет выпускать батареи в количестве, необходимом для производства одного миллиона электромобилей в год. В настоящее время создание гигафабрик в Швейцарии не планируется, но страна и ее огромный научный потенциал тесно связаны с европейскими усилиями по разработке модели аккумулятора будущего. 

Огромный завод по производству литий-ионных аккумуляторов Northvolt Ett на севере Швеции будет занимать площадь более 500 000 квадратных метров или 70 футбольных полей. William Steel (Northvolt)

«Идет ли речь о сырье и материалах, о сборке аккумуляторных ячеек в единую батарею, о системах менеджмента, о переработке, утилизации или о системах хранения энергии − в Швейцарии есть большое число компаний, активно работающих в области производства аккумуляторов, а некоторые даже являются мировыми лидерами этой отрасли», — говорит Корсин Батталья.

Самовосстанавливающиеся батареи

На протяжении последних десятков лет доминирующей технологией хранения электроэнергии были литий-ионные батареи, и ожидается, что спрос на них вырастет в течение следующего десятилетия в десять раз. За последние 30 лет стоимость литиевых батарей упала почти на 100%, но наука в направлении совершенствования таких батарей практически никак не продвинулась. Для удовлетворения будущего спроса на такие аккумуляторы нам потребуются альтернативные технологии, обеспечивающие повышенные сроки службы их элементов и повышение общей емкости данных батарей. 

Именно этим и занимается European Battery 2030+, европейская инициатива в области исследований и разработок аккумуляторных батарей с общим бюджетом в 40 млн евро. Инициатива был запущена в прошлом 2020 году, в нее входят семь крупных исследовательских проектов, реализуемых при поддержке девяти европейских стран, включая Швейцарию. Один из проектов называется HIDDEN, и он ставит перед собой задачу увеличить средний срок службы литий-ионных аккумуляторов и их удельную энергоемкость по меньшей мере на 50%.

Корсин Батталья (справа) и исследователь Мари-Клод Бэй из Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологий (Empa), активно участвующей в европейских исследованиях параметров аккумуляторных батарей. Empa

«Реальную проблему для долговечности литий-металлических батарей представляет постепенный рост внутри них так называемых дендритов, крошечных жестких древовидных структур. Их игольчатые выступы называются усы, — объясняет Аксель Фюрст (

Axel FuerstВнешняя ссылка), руководитель проекта HIDDEN при Бернской высшей школе прикладных наук (Berner FachhochschuleВнешняя ссылка). — Металлический литий имеет очень высокую энергетическую плотность и поэтому его можно использовать для производства все более легких и энергоемких батарей. Но дендриты растут очень быстро, из-за чего срок жизни таких аккумуляторов в среднем невелик», — говорит он.

Чтобы решить эту проблему, его группа занимается изучением процесса самовосстановления батареи. Они надеются, что специально разработанные термотропные (то есть образующиеся в результате нагревания твёрдого вещества и существующие в определённом интервале температур и давлений) жидкокристаллические ионные электролиты вместе с добавками и пьезоэлектрическим сепаратором, создающим электрическое поле, смогут остановить процесс роста коварных дендритов.

Первую концептуальную модель такого аккумулятора тут надеются представить к 2023 году в надежде, что потом она получит широкое распространение и будет востребована на рынке.

Меньше редких металлов

Тем временем Корсин Батталья и его коллеги из Empa координируют европейский исследовательский проект SENSE, целью которого является создание так называемого литий-ионного аккумулятора «поколения 3b» с композитным анодом из кремния и графита и монокристаллическим катодом NMC, содержащим соединения никеля, марганца и кобальта. Целью исследования является повышение удельной энергоемкости батареи, что позволит увеличить дальность пробега транспортных средств, усовершенствовать технологии быстрой зарядки аккумуляторов и сократить объемы использования редких металлов. 

«Мы хотим сократить содержание кобальта и повысить содержание никеля», — говорит исследователь из Empa. Кобальт — один из самых дорогих материалов в батарее. Производители стараются сократить его использование, так как его поставки могут в будущем быть связанными со значительными политическими и социальными издержками и рисками. Напомним, что около 70% мировых объемов кобальта поступает на рынок из ДР Конго, а там работа шахтеров сопряжена с опасностью и вредными условиями труда. Основные же мощности по обогащению кобальтовой руды расположены в Китае. «Создание идеальной батареи — задача не из легких, зачастую требующая компромиссного подхода, от чего-то приходится отказываться, чтобы получить на выходе желаемый инженерный результат», — объясняет Корсин Батталья. 

Дело в том, что никель, обычно добавляемый в состав батареи, увеличивает мощность аккумулятора и он относительно дешев, но при этом никель приводит к быстрому износу батареи. Ученые в Швейцарии поэтому проводят сейчас эксперименты, добавляя в графитовый анод кремний. Этот материал представляет собой особый интерес для исследователей, поскольку он способен сохранять примерно в 10 раз больше энергии, чем графит. Но во время циклов заряда и разряда кремний подвержен расширению, что ведет к разрушению структуры анода и быстрой потере производительности. Эксперты Empa также занимаются сейчас разработкой новых датчиков быстрой зарядки для установки их на литий-ионные батареи, с тем чтобы аккумуляторы можно было заряжать быстрее и эффективнее. «Чтобы ускорить процесс зарядки нам нужно получить данные о локальной температуре и ресурсе аккумуляторной батареи, а также быстрее делать замеры внутри её ячеистых элементов», — говорит К. Батталья.

Твердотельные аккумуляторы

Еще одним претендентом на звание аккумулятора будущего является твердотельный аккумулятор с твердым электролитом, которым уже сейчас можно заменять вместо легковоспламеняющихся жидкие электролиты, используемые в обычных литий-ионных аккумуляторах. Такие батареи считаются более экономичными, безопасными, они требуют меньше сырья для их производства. Новейшие прототипы позволяют предположить, что твердотельные батареи смогут в будущем хранить на 80% больше энергии, чем нынешние литий-ионные аккумуляторы того же веса и объема.

Монтаж аккумулятрной батареи на фабрике Leclanche в городе Ивердон-ле-Бен на западе Швейцарии, май 2020 года. Компания Leclanche SA является ведущим мировым поставщиком высококачественных накопителей энергии на основе литий-ионных технологий. Keystone / Laurent Gillieron

Корсин Батталья говорит, что такие прорывные технологии сулят нам множество преимуществ, но воспользоваться ими в полном объеме пока не получается, соответствующие разработки пока не готовы покинуть пределы исследовательских лабораторий. По его словам, разработать твердотельную батарею с большой емкостью и длительным сроком службы оказалось не так-то просто. «Сделать такой аккумулятор с удвоенной энергоемкостью не проблема, но, скорее всего, после 20 циклов перезарядки такая батарея выйдет из строя», — объясняет он. Остается обычная батарея. Ее энергоемкость можно удвоить, заменив графит металлическим литием, но слишком быстрая зарядка батареи с большим содержанием лития приводит опять же к образованию дендритов, которые срок службы батареи резко сокращают.

Хотя батареи можно увеличить вдвое, заменив графит (материал анода литий-ионной батареи) на металлический литий, но слишком быстрая зарядка литий-металлической батареи вызовет образование дендритов, сокращающих срок ее службы. А ведь сумей твердотельные литиевые батареи решить все свои проблемы, с их помощью технологии, лежащие в основе мобильных источников энергии, смогли бы сделать огромный шаг вперед в плане и энергоемкости, и долговечности. В рамках проекта SOLIDIFY, направленного на разработку производственных процессов для так называемых аккумуляторов «поколения 4b», твердотельных аккумуляторов, которые могут быть готовы к выходу на рынок через десять лет, швейцарская структура Empa уже плотно сотрудничает с десятком своих европейских партнеров.

Эффективные системы хранения энергии

В ближайшие десятилетия значительный рост степени востребованности также ожидает стационарные системы хранения энергии. Литий-ионные аккумуляторы и батареи с монокристаллическим катодом NMC, содержащим соединения никеля, марганца и кобальта, уже используются для хранения солнечной и ветровой энергии, получаемой в условиях домашних хозяйств. Ученые сейчас занимаются поиском альтернатив таким литий-ионным батареям, пытаясь усовершенствовать, например цинковые, натрий-ионные и ванадиевые аккумуляторы, которые, как оказалось, хорошо подходят для стационарного хранения энергии.  

Однако для того, чтобы удовлетворить растущий спрос на такие хранилища и обеспечить их ценовую конкурентоспособность, необходимо еще приложить значительные усилия. Швейцарское ведомство Empa является одним из двенадцати партнеров, которые как раз и занимаются активизацией таких усилий в рамках европейского аккумуляторного проекта SOLSTICE, в котором также участвуют швейцарские фирмы FZSONICK и Quantis. Их цель заключается в разработке никель-солевых термальных аккумуляторных батарей на основе жидких натрия и цинка, которые работают только при высоких температурах и которые можно использовать для стационарного хранения энергии.

По словам К. Баттальи, по мере быстрого увеличения в ближайшие десятилетия спроса на стационарные накопительные системы и в связи с ростом числа электромобилей на дорогах спрос на инновационные аккумуляторы также будет возрастать, а это значит, что многие швейцарские фирмы, помимо уже имеющихся игроков, также смогут получить свою долю прибыли. «Ко мне часто обращаются швейцарские компании, которые не связаны напрямую с аккумуляторной отраслью, но, имея за плечами знания и опыт в сфере производства и интеграции (разных производственных процессов в единую систему), они все чаще рассматривают эту отрасль в качестве направления на рынке, перспективного и для них тоже».

Сотрудничество компаний Lonza и Natron Energy

Еще один крупный проект в области технологий хранения энергии реализуется сейчас в Швейцарии в рамках сотрудничества между биохимической компанией Lonza, расположенной в кантоне Вале, и американской компанией Natron Energy. В апреле 2021 года они объявили о достижении стратегического соглашения с целью поставки порошка берлинской лазури (синий пигмент/железисто-синеродистая соль окиси железа), необходимого для производства натриево-ионных аккумуляторов.

Один из бизнесов компании Lonza, компания Lonza Specialty Ingredients, будет производить порошок берлинской лазури для Natron Energy на своем предприятии в городе Фисп (Visp, кантон Вале). С конца следующего 2022 года этот пигмент будут использовать на производстве аккумуляторных электродов на новом предприятии этой компании, рассчитанном на примерно 100 сотрудников и расположенном недалеко от г. Сьон. Оттуда электроды швейцарского производства будут экспортироваться в США для использования в накопителях энергии от компании Natron.

В соответствии со стандартами JTI

Показать больше: Сертификат по нормам JTI для портала SWI swissinfo.ch

Показать больше

Показать больше

Будущее: Наука и техника: Lenta.ru

В первой половине XXI века человечество начинает отказываться от машин на двигателе внутреннего сгорания. Традиционные средства передвижения перестанут производить уже скоро — на горизонте 10-20 лет отказ от ДВС кажется вполне реальным. Осталось только решить проблемы электрических силовых установок — новых источников движения. Что тормозит развитие автомобилей на электротяге, какие существуют недостатки современных аккумуляторов и как улучшить батареи, — читайте в материале «Ленты.ру».

Летом 2021 года Илон Маск упрекнул Apple в провале борьбы за экологию планеты. По словам Маска, в батарее для iPhone используется недопустимое количество кобальта, при этом в Tesla уже придумали, как снизить его долю до двух процентов. Кобальт — один из самых проблемных материалов, используемых в аккумуляторах. Батареям без него не обойтись, но данный элемент добывают с нарушением условий труда в Демократической Республике Конго, а также он очень токсичен.

В истории производства современных аккумуляторов есть очень много проблемных вопросов, поэтому радоваться Маску как минимум преждевременно. Даже полный отказ от кобальта, что сейчас в принципе невозможно, не гарантирует безопасности и высокого качества батарей. Что еще не позволяет назвать современные электрокары — главных потребителей мощных аккумуляторов — самым экологичным и эффективным видом транспорта?

Проблемы быстрых людей

Не только компании по производству электрических автомобилей, но и сегмент потребительской электроники зависят от лития. Первый прототип литий-ионной батареи в 1980 году создал американский инженер Джон Гуденаф. Современный вариант аккумулятора для гаджетов и автомобилей запатентовала компания Sony — это случилось в 1991 году. На фоне традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов литий-ионные могут выдать больше энергии и имеют больший срок эксплуатации. Однако у лития есть два больших недостатка. В первую очередь это цена, которая растет из-за увеличения спроса на материал. Также литий-ионные батареи зависят от внешней среды — они теряют эффективность после тысячного цикла зарядки, легко воспламеняются, выдают низкую мощность при отрицательных температурах, дороги при транспортировке.

Кадр: Real World Police / YouTube

Так как Tesla находится в авангарде рынка электрокаров (по крайней мере, в медийном плане), все проблемы продукции концерна рассматривают под микроскопом. Как и автомобили других производителей, машины Tesla попадают в ДТП, горят, взрываются, но к транспортным средствам будущего всегда приковано повышенное внимание. Дорожно-транспортные происшествия, как правило, возникают из-за двух моментов — проблем с автопилотом и аккумулятором. Если первое можно исправить на уровне софта, то неполадки с батареями будут внушать опасения на протяжении всего срока эксплуатации авто — как минимум их нынешним хозяевам.

Судя по новостям, основанные на литий-ионных аккумуляторах машины компании Маска крайне быстро загораются, а ликвидация последствий аварии связана с риском для спасателей и пожарных. Случаи возгорания батарей происходят как на парковке, так и в движении. Довольно часто батарея загорается при сильном ударе или перегреве. Например, в апреле два человека погибли в электрокаре Tesla после столкновения с деревом. Машина загорелась, пожар тушили около четырех часов.

Климат также мешает нормальной эксплуатации машин на электрической тяге. Если бензиновый автомобиль примерно одинаково функционирует как при низкой, так и при высокой температуре, то сезонные колебания температуры сильно влияют на технические характеристики электрокара. Как правило, зимой батареи быстро садятся, а летом могут перегреться.

Несмотря на недостатки лития, от этого материала точно не откажутся в ближайшие десятилетия. По оценке аналитиков BloombergNEF, в ближайшие несколько лет рынок решит одну из проблем — вопрос с ценой материала. Специалисты заявляют, что в начале XXI века литий-ионные батареи стоят в 30 раз дешевле, чем в 1990-х годах. К 2023 году стоимость аккумуляторов снизится до ста долларов за киловатт-час, что на 20 процентов ниже, чем сейчас.

Что с экологией? Как и в случае с экономикой, вопрос безопасной переработки будет решен благодаря эффекту масштаба. Ученый Ханс Эрик Мелин полагает, что как только на рынке окажется огромное количество изношенных батарей — буквально миллионы тонн, — то сразу появится адекватное предложение. Утилизировать аккумуляторы будет экономически обоснованно. Это видно на примере свинцово-кислотных аккумуляторов, которые успешно перерабатываются, даже несмотря на то, что свинец является очень дешевым материалом. «Из-за объема утилизировать его выгодно», — считает специалист по хранению энергии в Исследовательском институте электроэнергетики в Пало-Альто Хареш Камат.

Как нам обустроить EV?

Если с вопросами стоимости и экологии будет покончено, то остальные недостатки современных аккумуляторов можно будет решить с помощью технического прогресса. Одним из вариантов повышения эффективности батареи является добавление в ее состав кремния. Даже если кремний будет составлять менее десяти процентов от состава аккумулятора, это увеличит плотность накапливаемой энергии до 400 ватт-час. Также будет увеличен срок службы и огнестойкость элементов. Батареи с добавлением кремния подходят для быстрой зарядки, а значит, время на полную заправку электрокара можно будет сократить.

Специалисты ABI Research предсказывают постепенное добавление кремния в аккумуляторы в период с 2023 по 2025 годы. Через несколько лет будет создана батарея с показателем плотности энергии 400 ватт-час.

«Литий-кремниевые и твердотельные аккумуляторы — это технологии, на которых будут основаны будущие электрокары», — заявил ведущий аналитик ABI Research Джеймс Ходжсон. Твердотельные батареи отличаются от традиционных тем, что основаны на плотных материалах, например, керамике или стекле. Преимущества подобных аккумуляторов очевидны. Во-первых, чем меньше деталей в компоненте, тем ниже риск поломки. Во-вторых, твердотельные батареи сохраняют 90 процентов емкости даже после пяти тысяч циклов, в-третьих, рассчитаны на быструю зарядку — до 80 процентов за 15 минут.

Основная проблема твердотельных элементов заключается в их дороговизне. Однако и литий-ионные батареи всего каких-то 20 лет назад были дороги в производстве и эксплуатации

Одной из новейших инициатив в улучшении батарей для электрокаров является разработка литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Ученые Университета штата Пенсильвания в начале 2021 года создали прототип батареи, которая имеет запас хода 400 километров и заряжается всего за десять минут. Общий ресурс такого элемента составляет более трех миллионов километров. Ключевой особенностью батареи является ее способность быстро нагреваться до 60 градусов и так же быстро остывать. При подключении к источнику энергии тонкая никелевая фольга, один конец которой прикреплен к отрицательной клемме, а другой выходит за пределы ячейки, нагревает внутреннюю часть батареи.

В результате такого самонагрева можно не беспокоиться о неравномерном распределении лития в компоненте или — простыми словами — о возникновении опасной ситуации в процессе быстрой зарядки. Благодаря своей конструкции, литий-железо-фосфатные аккумуляторы предпочтительны в использовании в спортивных электромобилях. «Машина с такой батареей может разгоняться с нуля до 60 километров в час за три секунды и будет “топить”, как Porsche», — отметил заведующий кафедрой машиностроения университета Чао-Ян Ван.

Фото: Michele Tantussi / Reuters

Одним из трендов в автомобилестроении — конкретнее, в сегменте электрокаров последних лет — является постепенная ориентация на бюджетный сектор. Например, Tesla из-за государственных субсидий уже продает в Китае свои автомобили со скидкой, а в недалеком будущем компания намерена выпустить полностью автономный электрокар дешевле 25 тысяч долларов. Поэтому многие автопроизводители сейчас обращают внимание на натриево-ионные аккумуляторы.

Материалы по теме:

Элементы такого типа использовались еще в 1970-х годах, однако литий-ионные аккумуляторы в конце XX века считались более перспективными. Проблемы последних заставляют продолжить работу над батареями на основе натрия. Натриево-ионные аккумуляторы не устроят революцию в отрасли, но могут дать развитие сегменту доступных электромобилей. В первую очередь такой тип компонентов безопасен — они имеют более низкую плотность энергии, медленнее заряжаются и не так предрасположены к воспламенению. В этой связи батареи могут прослужить дольше, чем литий-ионные аккумуляторы.

Также зарядные элементы такого типа гораздо дешевле в производстве. По оценке аналитиков Jefferies Group LLC, в земных недрах содержится в 300 раз больше натрия, чем лития. Распределение этого материала более равномерно, поэтому автопроизводители не страдают от дефицита и не зависят от политической конъюнктуры в одной конкретной стране, что наблюдается в случае с кобальтом.

Большая проблема натриево-ионных аккумуляторов заключается в том, что в мире еще не налажены стабильные цепочки поставок основного компонента. Однако к 2023 году ситуация изменится в лучшую сторону.

***

Если говорить о кобальте, то производители батарей могут постепенно отказаться от этого материала — как и мечтал Илон Маск. В конце лета 2021 года китайская компания SVOLT разработала первый аккумулятор для автомобилей, не имеющий в своем составе кобальта.

Детали проекта не раскрываются, но известно, что электрокар на базе данного элемента может проехать до 600 километров на одном заряде и разогнаться до ста километров в час за пять секунд. Если технология бескобальтовых батарей станет флагманской на рынке, то индустрия решит проблему зависимости от одного компонента, а ситуация с эксплуатацией детского труда может измениться в лучшую сторону.

6 Новые аккумуляторные технологии, на которые стоит обратить внимание

Большинство устройств с батарейным питанием, от смартфонов и планшетов до электромобилей и систем хранения энергии, основаны на технологии литий-ионных аккумуляторов. Поскольку литий-ионные аккумуляторы способны хранить значительное количество энергии в таком маленьком корпусе, быстро заряжаться и долго работать, они стали предпочтительным аккумулятором для новых устройств.

Но новые аккумуляторные технологии исследуются и разрабатываются, чтобы конкурировать с литий-ионными аккумуляторами с точки зрения эффективности, стоимости и устойчивости.

New Battery Technologies 

• Твердотельные батареи
• Литий-серные батареи
• Безкобальтовые литий-ионные батареи
• Натрий-ионные батареи
• Многие железо-воздушные батареи

из

• Цинковые батареи эти новые аккумуляторные технологии не обязательно изобретают колесо, когда речь идет о питании устройств или хранении энергии. Они работают так же, как литий-ионные батареи, только с другими материалами.

  И хотя литий-ионные аккумуляторы прошли долгий путь за последние несколько лет, особенно когда речь идет о продлении срока службы смартфона при полной зарядке или о том, как далеко может проехать электромобиль на одном заряде, они не лишены их проблемы. Самые большие опасения — и главная мотивация для исследователей и стартапов сосредоточиться на новых аккумуляторных технологиях — связаны с безопасностью, в частности с риском возгорания, и устойчивостью материалов, используемых в производстве литий-ионных аккумуляторов, а именно кобальта, никеля и магния.

  Как работают литий-ионные батареи?

  • Литий хранится в аноде батареи, положительно заряженном электроде и катоде, который является отрицательно заряженным электродом.
  • Жидкий электролит или сепаратор переносит положительно заряженные ионы лития между анодом и катодом, движение которых способствует созданию свободных электронов в аноде.
  • В результате на коллекторе положительного тока батареи накапливается заряд, который проходит через устройство к коллектору отрицательного тока батареи.
  • При питании устройства анод переносит ионы лития к катоду, а при зарядке катод возвращает их.

   

  Новые аккумуляторные технологии

  Вот несколько новых аккумуляторных технологий, которые однажды могут заменить литий-ионные аккумуляторы.

   

  Твердотельные батареи

  Как они работают?

  Вместо жидкого или гелевого электролита в твердотельных батареях используется твердый электролит. Эти твердые электролиты обычно представляют собой керамику, стекло, твердый полимер или сульфиты.

  Обзор твердотельных аккумуляторов и их преимуществ. | Видео: Не определились с Мэттом Ферреллом

   

  Как они будут использоваться?

  В 2023 году автопроизводитель BMW объявил, что начнет испытания твердотельных аккумуляторов, разработанных компанией Solid Power, производящей твердотельные аккумуляторы, для использования в своих электромобилях. Батарея, которую BMW будет тестировать, будет иметь сульфидный электролит, согласно Autoweek . Также существует стремление разработать твердотельные батареи, которые можно было бы использовать для питания смартфонов. И они уже используются в кардиостимуляторах и некоторых смарт-часах.0059 ПКМаг .

   

  Плюсы и минусы твердотельных батарей

  По сравнению с литий-ионными батареями твердотельные батареи более эффективны, обеспечивая большую мощность при том же размере батареи. В результате аккумуляторы электромобилей могут стать более компактными, быстрее заряжаться и меньше весить, что может увеличить дальность полета. Считается, что твердотельные батареи служат дольше — по данным журнала CAR Magazine , в течение срока службы они перезаряжаются в семь раз чаще. Они также считаются более безопасными, поскольку материал с твердым электролитом является огнеупорным, в отличие от литий-ионных аккумуляторов, которые, как известно, представляют опасность возгорания.

  В настоящее время единственным недостатком твердотельных батарей является то, насколько сложно масштабировать технологию на ее ранней стадии для широкого использования, учитывая испытания и ограниченные производственные возможности. Но твердотельные батареи могут питать некоторые электромобили уже в 2024 году, согласно CNBC .

   

  Литий-серные батареи

  Как они работают?

  В этой новой аккумуляторной технологии в качестве катода батареи используется сера, которая более устойчива, чем никель и кобальт, обычно используемые в аноде с металлическим литием.

  Как можно использовать серу для создания более безопасных и долговечных батарей. | Видео: Не определились с Мэттом Ферреллом

   

  Как они будут использоваться?

  Такие компании, как Conamix, производитель аккумуляторов для электромобилей, работают над тем, чтобы сделать литий-серные аккумуляторы реальностью, стремясь сделать их коммерчески доступными в течение следующих пяти лет, согласно новостному сайту чистой энергии, CleanTechnica . Есть даже надежда, что литий-серные батареи можно будет использовать для питания самолетов и поездов, а также для хранения энергии.0059 Electrek , публикация об электрическом транспорте и устойчивой энергетике.

   

  Плюсы и минусы литий-серных батарей

  Считается, что литий-серные батареи более эффективны, чем литий-ионные батареи, что может увеличить запас хода и емкость электромобилей. Кроме того, сера доступна и доступна в изобилии, что может означать более низкую стоимость. А поскольку процесс производства этих аккумуляторов подобен тому, который используется для ионно-литиевых аккумуляторов, для производства могут использоваться те же самые мощности. Они также требуют меньше энергии для производства, что может снизить затраты более чем на 25 процентов, согласно веб-сайту Conamix.

  Одним из основных недостатков этой новой аккумуляторной технологии является коррозия, хотя в настоящее время разрабатываются новые конструкции для ее ограничения. Другим недостатком является то, что эти батареи в их нынешнем состоянии служат не так долго, как литий-ионные батареи — около половины доступных циклов зарядки.

  Подробнее об электротранспортеЗарядка электромобиля когда-нибудь будет быстрой и легкой?

   

  Литий-ионные аккумуляторы, не содержащие кобальта

  Как они работают?

  Эти батареи работают как литий-ионные батареи, но они не содержат кобальт, который обычно используется для стабилизации катода в литий-ионных батареях.

  Обзор преимуществ удаления кобальта из батарей. | Видео: CNBC

   

  Как они будут использоваться?

  Эти аккумуляторы можно использовать в любом устройстве с питанием от литий-ионного аккумулятора, но основное внимание уделяется разработке безкобальтовых аккумуляторов для электромобилей. В настоящее время Tesla использует в некоторых моделях электромобилей фосфат лития-железа, распространенную альтернативу кобальту, и вскоре может быть использован Ford и Volkswagen. Никель тоже используется, но у никеля есть свои недостатки, а именно риск возгорания.

   

  Плюсы и минусы литий-ионных аккумуляторов без кобальта

  Основное преимущество аккумуляторов без кобальта заключается в том, что они не содержат кобальт. Кобальт невероятно дорог, а его добыча связана с нарушением прав человека. Министерство энергетики США надеется прекратить использование кобальта в литиевых батареях к 2030 году.

  «Уже существует жизнеспособная батарея без кобальта, и это литий-железо-фосфат или LFP», — сказал Сэм Адхэм, старший аналитик по исследованиям силовых агрегатов в LMC Automotive.0059 CNBC в 2021 году. «Но основным недостатком LFP является низкая плотность энергии и, следовательно, дальность движения».

   

  Натрий-ионные батареи

  Как они работают?

  Эти батареи аналогичны литий-ионным батареям, но вместо них в качестве электролита используется соленая вода.

  Посмотрите, как натрий-ионные батареи могут стать альтернативой литий-ионным батареям. | Видео: DW Planet A

   

  Как они будут использоваться?

  Считается, что эти батареи подходят для хранения энергии.

   

  Плюсы и минусы натрий-ионных аккумуляторов

  Несмотря на низкую удельную энергию — натрий-ионные аккумуляторы способны хранить только примерно две трети энергии, которую может удерживать литий-ионный аккумулятор того же размера — это много. более доступным и очень безопасным благодаря низкому риску возгорания. Кроме того, они лучше работают при более низких температурах, чем литий-ионные батареи, и их намного легче перерабатывать, учитывая материалы, используемые при их производстве, но они слишком неэффективны для использования в электромобилях.

  Подробнее об инновациях в области электротехникиЧто такое eVTOL? Являются ли они будущим авиации?

   

  Железо-воздушные батареи

  Как они работают?

  Согласно Popular Mechanics , железо-воздушные батареи работают за счет окисления железа — использования воздуха для превращения железа в ржавчину — для производства энергии. В процессе зарядки батареи элементы снова превращаются в железо путем обратного окисления.

  Изучение использования железо-воздушных батарей в качестве накопителя энергии. | Видео: В нерешительности с Мэттом Ферреллом

   

  Как они будут использоваться?

  Железо-воздушные батареи отлично подходят для хранения энергии, обеспечивая до 25 раз больше часов хранения, чем литий-ионные батареи, согласно Scientific American . Form Energy, компания по хранению энергии, готовится к производству железо-воздушных батарей, намереваясь начать производство на своем заводе в Западной Вирджинии в 2024 году, а также на будущем предприятии, расположенном в Миннесоте.

   

  Плюсы и минусы железо-воздушных батарей

  Эти аккумуляторы очень доступны по цене, учитывая обилие железа и воздуха в мире. Они также доступны по цене, до 10 раз дешевле, согласно Popular Mechanics , и служат до 17 раз дольше.

  Единственными недостатками являются их большой размер — они примерно такие же большие, как комбинация стиральной машины с сушкой, согласно Popular Mechanics — и медленное время перезарядки из-за медленного процесса окисления.

   

  Батарейки на основе цинка

  Как они работают?

  Батареи на основе цинка работают так же, как литий-ионные батареи, в которых ионы цинка перетекают от анода к катоду батареи. Этот класс новой аккумуляторной технологии включает цинк-бромные, цинк-диоксид-марганцевые, цинк-воздушные и цинк-ионные батареи.

  Обзор батарей на основе цинка и способов их использования для хранения энергии. | Видео: Не определились с Мэттом Ферреллом

   

  Как они будут использоваться?

  Батареи на основе цинка могут использоваться для хранения солнечной энергии из-за их низкой скорости саморазряда. Согласно PV Magazine , в котором рассказывается о солнечной промышленности, система хранения с воздушно-цинковыми батареями будет использоваться в жилом комплексе из 32 зданий в Квинсе, штат Нью-Йорк.

   

  Плюсы и минусы батарей на основе цинка

  Эти батареи обычно способны накапливать большое количество энергии. Кроме того, материалы, используемые в их производстве, доступны по цене, нетоксичны и легкодоступны, согласно журналу PV Magazine .

  Но исследователи все еще работают над решением некоторых технических проблем, связанных с этими батареями, а именно над возможностью их короткого замыкания, прежде чем их можно будет использовать более широко в более широких сценариях использования.

  Что будет дальше с батареями в 2023 году

  Что будет дальше в технологиях

  В этом году ожидайте новых химических составов батарей для электромобилей и увеличения производства благодаря государственному финансированию.

  By

  • Кейси Краунхарт Страница архива

  4 января 2023 г.

  BMW планирует инвестировать 1,7 миллиарда долларов в свой новый завод в Южной Каролине по производству электромобилей и аккумуляторов для них. подробнее о батареях. Электромобили превысили 10% мировых продаж автомобилей в 2022 году, и к концу этого десятилетия они должны достичь 30%.

  Политика во всем мире только ускорит этот рост: недавнее законодательство по климату в США вливает миллиарды в производство аккумуляторов и стимулирует покупки электромобилей. Европейский союз и несколько штатов США ввели запрет на транспортные средства, работающие на газе, начиная с 2035 года. 

  Для перехода потребуется много аккумуляторов — более качественных и дешевых.

  Большинство современных электромобилей питаются от литий-ионных аккумуляторов — технологии с многолетней историей, которая также используется в ноутбуках и сотовых телефонах. Все эти годы разработки помогли снизить цены и повысить производительность, поэтому сегодняшние электромобили приближаются к цене автомобилей с бензиновым двигателем и могут проезжать сотни миль без подзарядки. Литий-ионные батареи также находят новые применения, включая хранение электроэнергии в сети, что может помочь сбалансировать прерывистые возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнечная энергия.

  Но многое еще можно улучшить. Академические лаборатории и компании ищут способы улучшить технологию — повысить емкость, сократить время зарядки и сократить расходы. Цель состоит в еще более дешевых батареях, которые обеспечат дешевое хранение в сети и позволят электромобилям преодолевать гораздо большие расстояния без подзарядки.

  В то же время опасения по поводу поставок основных материалов для аккумуляторов, таких как кобальт и литий, подталкивают к поиску альтернатив стандартным литий-ионным химическим веществам.

  На фоне растущего спроса на электромобили и возобновляемые источники энергии, а также бурного развития аккумуляторных батарей одно можно сказать наверняка: батареи будут играть ключевую роль в переходе на возобновляемые источники энергии. Вот чего ожидать в 2023 году.

  Радикальное переосмысление

  В 2023 году могут быть достигнуты некоторые совершенно иные подходы к батареям для электромобилей, хотя, вероятно, потребуется больше времени, чтобы они оказали коммерческое влияние.

  В этом году следует обратить внимание на так называемые твердотельные батареи. В литий-ионных батареях и связанных с ними химических веществах используется жидкий электролит, который перемещает заряд; твердотельные батареи заменяют эту жидкость керамикой или другими твердыми материалами.

  Этот обмен открывает возможности, позволяющие накапливать больше энергии в меньшем пространстве, потенциально увеличивая запас хода электромобилей. Твердотельные батареи также могут перемещать заряд быстрее, что означает более короткое время зарядки. А поскольку некоторые растворители, используемые в электролитах, могут быть легковоспламеняющимися, сторонники твердотельных батарей говорят, что они повышают безопасность, снижая риск возгорания.

  В твердотельных батареях может использоваться широкий спектр химических элементов, но в основном кандидате на коммерциализацию используется металлический литий. Quantumscape, например, сосредоточена на этой технологии и привлекла сотни миллионов инвестиций, прежде чем стать публичной компанией в 2020 году. У компании есть соглашение с Volkswagen, согласно которому к 2025 году ее аккумуляторы могут быть установлены в автомобилях.  

  Но полностью заново изобрести аккумуляторы оказалось непросто, и литий-металлические аккумуляторы столкнулись с опасениями по поводу износа с течением времени, а также с производственными проблемами. В конце декабря Quantumscape объявила, что доставила образцы автомобильным партнерам для тестирования, что стало важной вехой на пути к внедрению твердотельных аккумуляторов в автомобили. Другие производители твердотельных аккумуляторов, такие как Solid Power, также работают над созданием и тестированием своих аккумуляторов. Но хотя в этом году они могут достичь значительных успехов, в 2023 году их аккумуляторы не будут использоваться в транспортных средствах.  

  Твердотельные батареи — не единственная новая технология, на которую стоит обратить внимание. Натрий-ионные батареи также резко отличаются от распространенных сегодня литий-ионных химических элементов. Эти батареи имеют конструкцию, аналогичную литий-ионным батареям, включая жидкий электролит, но вместо лития в них используется натрий в качестве основного химического ингредиента. Китайский гигант по производству аккумуляторов CATL, как сообщается, планирует начать их массовое производство в 2023 году.

  Натрий-ионные батареи могут не улучшить производительность, но они могут сократить расходы, поскольку они основаны на более дешевых и более доступных материалах, чем литий-ионные химические вещества. Но неясно, смогут ли эти батареи удовлетворить потребности в запасе хода электромобиля и времени зарядки, поэтому несколько компаний, занимающихся этой технологией, например американская Natron, нацелены на запуск менее требовательных приложений, таких как стационарные устройства хранения или микромобильные устройства. например, электровелосипеды и скутеры.

  Сегодня рынок аккумуляторов, предназначенных для стационарного энергоснабжения, невелик — примерно одна десятая рынка аккумуляторов для электромобилей, по словам Яёи Секине, руководителя отдела накопления энергии в исследовательской компании BloombergNEF. Но потребность в хранении электроэнергии растет по мере того, как устанавливается все больше возобновляемых источников энергии, поскольку основные возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнечная энергия, являются переменными, а батареи могут помочь сохранить энергию, когда она понадобится.

  Литий-ионные аккумуляторы не идеальны для стационарного хранения, хотя сегодня они широко используются для этого. В то время как батареи для электромобилей становятся меньше, легче и быстрее, основная цель стационарного хранения — сократить расходы. Размер и вес не имеют большого значения для сетевого хранилища, а это означает, что различные химические процессы, скорее всего, одержат победу.

  Одной из восходящих звезд стационарного хранилища является железо, и два игрока могут добиться прогресса в следующем году. Form Energy разрабатывает железо-воздушную батарею, в которой используется электролит на водной основе и которая в основном накапливает энергию за счет обратимого ржавления. Недавно компания объявила о строительстве производственного предприятия стоимостью 760 миллионов долларов в Вейртоне, Западная Вирджиния, строительство которого планируется начать в 2023 году. Другая компания, ESS, строит железную батарею другого типа, в которой используется аналогичная химия; он начал производство в своей штаб-квартире в Уилсонвилле, штат Орегон.

  Изменения в рамках стандарта

  Литий-ионные аккумуляторы становятся все лучше и дешевле, но исследователи продолжают совершенствовать технологию, чтобы добиться большей производительности и снизить затраты.

  Частично мотивация связана с волатильностью цен на материалы для аккумуляторов, что может подтолкнуть компании к изменению химического состава. «Это игра с издержками, — говорит Секине.

  Катоды, как правило, являются одной из самых дорогих частей батареи, а тип катода, называемый NMC (никель-марганцево-кобальтовый), сегодня является доминирующей разновидностью аккумуляторов для электромобилей. Но эти три элемента, в дополнение к литию, дороги, поэтому сокращение некоторых или всех из них может помочь снизить затраты.

  Этот год может стать годом прорыва для одной альтернативы: литий-железо-фосфат (LFP), недорогой катодный материал, иногда используемый для литий-ионных аккумуляторов.

  Недавние улучшения в химии и производстве LFP помогли повысить производительность этих батарей, и компании переходят к внедрению этой технологии: доля рынка LFP быстро растет: с примерно 10% мирового рынка электромобилей в 2018 году до примерно 40% в 2018 году. 2022. Tesla уже использует аккумуляторы LFP в некоторых автомобилях, а автопроизводители, такие как Ford и Volkswagen, объявили, что планируют начать предлагать некоторые модели электромобилей с химией.

  Хотя исследования аккумуляторов, как правило, сосредоточены на химическом составе катодов, аноды также находятся в очереди на усовершенствование.

  Сегодня в большинстве анодов литий-ионных аккумуляторов, независимо от состава катода, для удержания ионов лития используется графит. Но такие альтернативы, как кремний, могут помочь увеличить плотность энергии и ускорить зарядку.

  Кремниевые аноды были предметом исследований в течение многих лет, но исторически они не имели достаточно длительного срока службы, чтобы служить в продуктах. Однако теперь компании начинают расширять производство материалов.

  В 2021 году стартап Sila начал производить кремниевые аноды для батарей в носимых фитнес-устройствах. Недавно компания получила грант в размере 100 миллионов долларов от Министерства энергетики на строительство производственного предприятия в Мозес-Лейк, штат Вашингтон. Завод будет служить партнерству Sila с Mercedes-Benz и, как ожидается, будет производить материалы для аккумуляторов электромобилей, начиная с 2025 года.

  Другие стартапы работают над смешиванием кремния и графита для изготовления анодов. OneD Battery Sciences, которая сотрудничает с GM и Sionic Energy, может предпринять дополнительные шаги по коммерциализации в этом году.

  Продукты, формирующие политику

  Закон о снижении инфляции, принятый в конце 2022 года, выделяет почти 370 миллиардов долларов на финансирование климата и чистой энергии, включая миллиарды на производство электромобилей и аккумуляторов. «Все думают об IRA», — говорит Йет-Минг Чанг, исследователь материалов в Массачусетском технологическом институте и основатель нескольких компаний по производству аккумуляторов.

  IRA будет предоставлять ссуды и гранты производителям аккумуляторов в США, повышая мощность. Кроме того, предусмотренные законом налоговые льготы для электромобилей стимулируют автопроизводителей приобретать материалы для аккумуляторов в США или у своих партнеров по свободной торговле и производить аккумуляторы в Северной Америке. Из-за финансирования IRA и ограничений налогового кредита на электромобили автопроизводители будут продолжать объявлять о новых производственных мощностях в США и искать новые способы получения материалов.

  Все это означает, что спрос на основные ингредиенты литий-ионных аккумуляторов, включая литий, кобальт и никель, будет возрастать. Одним из возможных результатов стимулов IRA является рост уже растущего интереса к переработке аккумуляторов. Хотя в ближайшее время не будет достаточно электромобилей, чтобы удовлетворить спрос на некоторые важные материалы, рециркуляция начинает накаляться.

  CATL и другие китайские компании лидируют в переработке аккумуляторов, но в этом году отрасль может увидеть значительный рост на других крупных рынках электромобилей, таких как Северная Америка и Европа. Компании Redwood Materials и Li-Cycle из Невады со штаб-квартирой в Торонто строят предприятия и работают над разделением и очисткой ключевых металлов, таких как литий и никель, для повторного использования в батареях.

  Компания Li-Cycle должна начать ввод в эксплуатацию своего основного завода по переработке в 2023 году. Redwood Materials начала производить свой первый продукт, медную фольгу, на своем предприятии за пределами Рино, штат Невада, и недавно объявила о планах построить свой второй завод, начиная с этого года. в Чарльстоне, Южная Каролина.

  С потоком денег от IRA и других политик во всем мире, подпитывающим спрос на электромобили и их аккумуляторы, 2023 год будет годом, за которым стоит наблюдать.

  Эта статья является частью серии статей MIT Technology Review «Что дальше», в которой мы рассматриваем отрасли, тенденции и технологии, чтобы дать вам первый взгляд на будущее.

  Кейси Краунхарт

  Продолжайте читать

  Самые популярные

  10 прорывных технологий 2023

  Каждый год мы выбираем 10 технологий, которые сейчас наиболее важны. Мы ищем достижения, которые окажут большое влияние на нашу жизнь, и разбираемся, почему они важны.

  Тестеры Roomba чувствуют себя введенными в заблуждение после того, как интимные изображения оказались в Facebook

  Недавно проведенное MIT Technology Review расследование показало, как изображения несовершеннолетнего и тестера в туалете оказались в социальных сетях. iRobot заявил, что у него есть согласие на сбор таких данных внутри домов, но участники говорят об обратном.

  Оставайтесь на связи

  Иллюстрация Роуз Вонг

  Узнайте о специальных предложениях, главных новостях, предстоящие события и многое другое.

  Введите адрес электронной почты

  Политика конфиденциальности

  Спасибо за отправку вашего электронного письма!

  Ознакомьтесь с другими информационными бюллетенями

  Похоже, что-то пошло не так.

  У нас возникли проблемы с сохранением ваших настроек. Попробуйте обновить эту страницу и обновить их один раз больше времени.

  No related posts.