Будущее: Наука и техника: Lenta.ru
Кадр: JacobsSchoolNews / YouTube
1
Международный коллектив ученых объявил о создании первого в мире комбинированного аккумулятора
В конце сентября международный коллектив ученых под руководством ученого Даррена Хана и с участием инженеров LG рассказал о создании первого комбинированного аккумулятора для автомобилей на электрической тяге. Подобная батарея является твердотельной и построена на базе анода из чистого кремния. По сравнению с аналогами новый аккумулятор является более энергоемким и безопасным и, кажется, превосходит все конкурентные образцы. «Лента.ру» объясняет, почему все автопроизводители не могут перейти на твердотельные батареи и какие перспективы есть у нового комбинированного аккумулятора.
2
Несовершенство литий-ионных батарей давно волновало инженеров
Используемые в современных электрокарах батареи неидеальны. Как правило, автопроизводители используют литий-ионные зарядные элементы.
Также почти все батареи — начиная от элементов в пультах к телевизорам и заканчивая фабричными аккумуляторами — состоят из кобальта. Зависимость индустрии от этого материала крайне высока, так как 60 процентов всего кобальта добывают в Демократической Республике Конго.
В теории твердотельные батареи как минимум практичнее и безопаснее. Их конструкция предполагает использование минимума материалов. По словам ученых, чем меньше в аккумуляторе деталей, тем реже он будет ломаться и выходить из строя.
Кадр: Tech Space / YouTube
3
Батареи с кремниевыми анодами тоже неидеальны
Использование кремниевого анода в батареях позитивно описывается Дарреном Ханом и его коллегами.
Впервые данную наработку описали в 2002 году. Спустя почти 13 лет основатель Tesla Илон Маск заявил, что применение кремния в аккумуляторах его электрокаров увеличивает запас хода примерно на шесть процентов. Батареи на основе кремния обычно имеют гораздо большую удельную емкость, чем другие, — примерно 3600 миллиампер-часов на грамм материала.
Однако в заряженном состоянии данный тип анода в больших долях является крайне неустойчивым, а следовательно, опасным для применения. При длительном контакте с жидким электролитом кремний плохо держит энергию, что оборачивается значительной потерей мощности электрического двигателя. Поэтому современные аккумуляторы состоят из кремния лишь частично. В этой связи аноды коммерческих батарей могут содержать небольшое количество кремния, что весьма незначительно влияет на производительность. Например, на рынке существуют аккумуляторы, созданные на базе композитного электрода с кремниевой нанопроволокой. Информация о содержании этого материала в батареях производителей обычно не раскрывается, но можно считать, что доля кремния в них не превышает десяти процентов.
4
Преимущество кремния
Учитывая все недостатки батарей на базе классического электролита и кремния, ученые решили синтезировать материал с твердым электролитом на основе сульфида. Использование твердой структуры решило проблему насыщения анодов жидким электролитом во время работы. По словам Хана, отсутствие углерода в аноде значительно снижает межфазный контакт, что приводит к нежелательным побочным реакциям с твердым электролитом.
По словам ученых, аккумуляторы нового типа смогут пережить сам автомобиль.Кадр: Torque News / YouTube
5
Чего ждать в будущем?
«Принцип твердотельного кремния преодолевает многие ограничения обычных батарей», — говорится в отчете изобретателей. Ученые считают, что созданные по комбинированному принципу аккумуляторы удовлетворят рыночный спрос на безопасные батареи с более высокой емкостью при более низких затратах. Ноу-хау можно использовать при создании как электрокаров, так и стационарных энергохранилищ.
О «кремниевой революции» все чаще говорят и крупные игроки на рынке электромобилей. Например, в 2020 году представители Tesla обнадежили потребителей и рынок, что планируют удвоить содержание кремния в батареях своих автомобилей.
Аккумуляторы нового поколения создаются в Европе
В новом гигантском НПО Battery Industrialization Centre в британском г. Ковентри. Jason Alden / BloombergАккумуляторные 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
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
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%.
«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.
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
Что будет дальше с аккумуляторами в 2023 году
Что будет дальше в технологиях
Ожидайте новые химические составы аккумуляторов для электромобилей и рост производства благодаря государственному финансированию в этом году.
By
- Кейси Краунхарт Страница архива
4 января 2023 г.
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.
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 использованию твердотельных аккумуляторов в автомобилях. 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 и времени зарядки электромобилей, поэтому несколько компаний, занимающихся этой технологией, таких как 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 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 хранить 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 стандартаЛитий-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 от Министерства энергетики грант в размере 100 миллионов долларов 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 политикуЗакон о снижении инфляции, принятый в конце 2022 года, выделяет почти 370 миллиардов долларов на финансирование климата и экологически 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 предприятия 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 строительства второго предприятия, начиная с этого года. в Чарльстоне, Южная Каролина.
С потоком денег от IRA и других политиков 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 первое представление о будущем.
Кейси Краунхарт
Продолжайте читать
Самый популярный
Научиться кодировать недостаточно , но новые усилия направлены на быть инклюзивным.
Оставайтесь на связи
Иллюстрация Роуз Вонг
Узнайте о специальных предложениях, главных новостях,
предстоящие события и многое другое.
Введите адрес электронной почты
Политика конфиденциальностиСпасибо, что отправили письмо!
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. Если вы продолжаете получать это сообщение, свяжитесь с нами по адресу [email protected] со списком информационных бюллетеней, которые вы хотели бы получать.
Встречайте новые аккумуляторы, открывающие доступ к более дешевым электромобилям
Изменение климата
Планируемый завод знаменует собой важную веху в США для новых аккумуляторов, которые позволяют создавать более дешевые и долговечные электромобили.
Автор:
- Кейси Краунхарт Страница архива
17 февраля 2023 г.
В Америку поступают новые аккумуляторы.
На этой неделе Ford объявил о планах строительства нового завода в Мичигане, который будет производить литий-железо-фосфатные батареи для своих электромобилей. Завод, который, как ожидается, будет стоить 3,5 миллиарда долларов и начнет производство в 2026 году, станет первым заводом, производящим эти батареи в США.
«Это большое дело», — сказала губернатор Мичигана Гретхен Уитмер на пресс-конференции, посвященной планам завода. Расширение вариантов аккумуляторов позволит Ford «создавать больше электромобилей быстрее и, в конечном итоге, сделать их более доступными», — сказал Билл Форд, исполнительный председатель Ford.
Также известные как литий-железо-фосфатные (LFP) батареи, которые будут производиться на новом заводе, они представляют собой более дешевую альтернативу никель- и кобальтсодержащим батареям, которые сегодня используются в большинстве электромобилей в США и Европе. В то время как популярность этой технологии в Китае росла, завод Ford, разработанный в сотрудничестве с китайским аккумуляторным гигантом CATL, знаменует собой веху на Западе.
Сокращая расходы, а также повышая скорость зарядки и продлевая срок службы, аккумуляторы LFP могут помочь водителям расширить возможности электромобилей.
Все литий-ионные батареи содержат литий, который помогает накапливать заряд в части батареи, называемой катодом. Но литий не выполняет эту работу в одиночку: в катоде к нему присоединяется вспомогательная масса из других материалов.
Самый распространенный тип катода, который сегодня используется в автомобилях, помимо лития содержит никель, марганец и кобальт. Некоторые автопроизводители, такие как Tesla, используют другую катодную химию, состоящую из никеля, кобальта и алюминия. Оба этих типа катодов получили известность отчасти потому, что они имеют высокую плотность энергии, а это означает, что батареи будут меньше и легче, чем другие, которые могут хранить такое же количество энергии.
В то время как эти два вещества использовались по умолчанию для катодов в батареях электромобилей, литий-железо-фосфат, более старая химия, в последние несколько лет снова стал популярным, в основном благодаря огромному росту в Китае.
Эти железосодержащие батареи, как правило, примерно на 20% дешевле, чем другие литий-ионные батареи той же емкости. Отчасти это связано с тем, что LFP не содержит кобальта или никеля, дорогих металлов, цены на которые в последние годы сильно колебались. Производители аккумуляторов также работают над снижением содержания кобальта, поскольку добыча этого металла связана с особо вредными условиями труда.
Производство катодов без кобальта и никеля может помочь автопроизводителям сократить расходы, и некоторые из них уже начали менять химический состав аккумуляторов, используемых в автомобилях, продаваемых в США. Сегодня Tesla импортирует элементы LFP из Китая для некоторых моделей, в том числе для Model 3. Ранее Ford объявил, что начнет использовать эту технологию в своем Mach-E в 2023 году и в F-150 Lightning в 2024 году. , Ford станет первым автопроизводителем, который будет производить аккумуляторы LFP в США. Новое предприятие, в котором будут использоваться технологии CATL, может помочь запустить производство LFP в США в более широком смысле.
«Это ключевой момент для производственного ландшафта Северной Америки», — говорит Эвелина Стойкоу, аналитик аккумуляторных технологий в BloombergNEF, исследовательской компании, специализирующейся на энергетике.
Примерно в то же время, что и завод Форда, могут начать работу несколько небольших производственных предприятий LFP.
В октябре 2022 года федеральное правительство США объявило об инвестициях почти в 200 миллионов долларов, чтобы помочь компании ICL-IP America построить завод в Миссури. Завод будет производить материал для катодов LFP, которые затем будут использоваться для изготовления аккумуляторов. Его производство должно начаться в 2025 году.
Тем временем компания American Battery Factory из Юты планирует создать производственный объект для LFP-батарей в Тусоне, штат Аризона. Ожидается, что этот объект будет стоить около 1,2 миллиарда долларов и должен быть введен в эксплуатацию в 2026 году.
Хотя растущая доступность альтернативных химических элементов аккумуляторов может значительно расширить возможности для автопроизводителей и водителей, LFP, вероятно, не сможет полностью заменить другие технологии.
«Это не святой Грааль для аккумуляторов, — говорит Стойкоу. Батареи
LFP дешевле других химических элементов и могут иметь более длительный срок службы, но они также имеют тенденцию быть более тяжелыми и громоздкими. Это может быть проблемой для транспортных средств, потому что, если батарея тяжелее, потребуется больше энергии для перемещения, что ограничивает дальность действия. А большие батареи могут занимать место для сидения или груза.
Водители в США и Европе, как правило, предпочитают большие автомобили с большим запасом хода. Это заставляет вкладывать больше энергии в ограниченное пространство, поэтому LFP может никогда не доминировать на Западе, как в Китае, говорит Стойкоу.
Рост LFP, вероятно, стабилизируется после этого года, стабилизировавшись на уровне около 40% мирового рынка аккумуляторов для электромобилей, говорит Стойкоу. И, забегая вперед, мы, вероятно, скоро увидим другие, более новые химические вещества, проникающие в автомобили.
Добавление марганца в железосодержащие батареи может повысить эффективность при сохранении низких затрат.
