Когда появятся новые аккумуляторы для смартфонов и планшетов
Отсутствие новых типов аккумуляторов в магазинах чаще всего объясняют дороговизной инфраструктуры изготовления готовых ячеек.
Мы уже рассказывали, действительно ли технология аккумуляторов достигла своего предела и остановилась в развитии. Главный вывод учёных — пока в аккумуляторах есть что совершенствовать, их эволюция не остановится. На этот раз мы узнали мнение человека, который в прошлом году выступал с докладом как раз о мошеннических схемах в этой отрасли
Почему никто так и не сделал что-то лучше Li-Ion батареи?
На передовой аккумуляторной эволюции сейчас стоят автомобильные концерны. Чтобы сделать хороший экономичный электромобиль с длительным сроком службы элементов питания внутри него, нужно протестировать сотни клеточных химий и конструкций.
Те компании, которые стремятся к инновациям, должны поработать ещё и над тем, чтобы довести технологии от прототипирования до производства.
Мы задали вопрос известному чешскому учёному-инженеру профессору Петру Новаку из Института Пола Шеррера, почему путь от прототипирования к производству в электрохимической аккумуляторной отрасли так тернист, что до сих пор его так никто толком и не освоил. Как мы уже сказали, профессор в прошлом году делал доклад как раз по этой теме.
2. Раньше гаджеты, теперь электросамокаты.
Спрос на портативную электронику растёт одинаковыми темпами из года в год. Смартфоны и ноутбуки будут производить до 2030-го года в утроенном количестве, для них потребуется в столько же раз больше элементов питания.
Но гораздо сильнее влияние на рынок литий-ионной технологии оказывают ранее невостребованные сегменты:
- • устройства персональной мобильности (электросамокаты, электровелосипеды, электроскутеры и так далее);
- • источники бесперебойного питания;
- • легковые электромобили;
- • электрогрузовики и электрический спецтранспорт;
- • станции хранения энергии,
- • водный транспорт,
- • робототехника и другие сегменты.
На практике
Даже более реалистичные 2000 Вт•ч/кг практически недостижимы, потому что стандартная ячейка с 4 В возможна только в реакции, показанной в кислоте со значением рН = 0. Если используется безводный электролит, то может быть достигнуто напряжение элемента 3 В максимум. Кроме того, происходит неполная реакция лития и кислорода с Li2O2, а не с Li2O.
Этот фактор снижает удельную энергоплотность на 50%. На практике значение составляет всего 1000 Вт•ч/кг вместо теоретически возможных 7200 Вт•ч/кг.
4. Новые типы аккумуляторов.
В 2020-2023-м году рынок наполнится аккумуляторами сегодняшних технологий. Это традиционные литий-ионные устройства с катодами LCO, NMC, NCA, LMO, LTO и LFP (что означают эти буквы).
В 2022-2025-м годах из опытных образцов вырастут коммерческие изделия:
- • с катодами при более высоком содержании никеля,
- • аноды на основе кремния,
- • твёрдый и гелевый электролит (с графитовым или кремниевым анодом, как, например, в Xiaomi Mi 11 Ultra).
Эти изобретения достигли финальной точки разработки и ожидают инфраструктуры для окупаемости. Их применение предполагается в узких нишевых областях, общая доля к 2030-му незначительна.
На их основе ожидаются редкие ограниченные в тираже изделия:
- • грузовые электромобили,
- • автономные дроны,
- • премиальный электроинструмент,
- • флагманские смартфоны
- • или даже самолеты.
3. Ресурсы ограничены.
С 2023-го рынок столкнётся с ограничениями поставок сырья. Добыча с каждым годом всё сложнее и дороже.
Ограничения имеют логистический характер. Ситуация подстегнёт производителей к расширению цепочки поставок. К концу десятилетия эти инвестиции приведут к наращиванию объёмов производства.
Вердикт: литий ионные аккумуляторы 2030 и технологии будущего
Исследователи Circular Energy Storage провели огромную работу по изучению рынка литий-ионных аккумуляторов. Вот, что они пишут.
«С самого начала мы хотели создать отчёт, который обновлялся каждые полгода. По мере роста амбиций мы изменили его на годовой формат».
«В конце концов это стало чем-то большим. Мы рассматриваем его как основную платформу сбора данных и публикации анализа».
«Основываясь на его содержании, мы стремимся провести подробное изучение с выводами, которые доступны всем желающим. Отчёт также может быть дополнен в будущем поправками, исправлениями и новыми выводами, которые повлияют на общие данные и выводы».
Компания Natron в партнёрстве с Clarios начинает производство безопасных аккумуляторов на основе натрия с большим жизненным циклом и малым временем зарядки — массовый выпуск начнётся уже в следующем году в США. Важно, что натрий-ионные аккумуляторы не используют дефицитный и довольно дорогой литий.
Источник изображения: Natron
Сейчас основу рынка составляют литиевые элементы, причём большая часть цепочки поставок принадлежит Китаю, что не может не беспокоить США и их союзников. Кроме того, пока попросту недостаточно разведанных запасов лития, чтобы удовлетворить прогнозируемый спрос на аккумуляторы для электротранспорта и других отраслей, в которых планируется переход на электропитание в ближайшие годы.
В последнее время в поле зрения СМИ регулярно попадали проекты выпуска натрий-ионных АКБ. В частности, в прошлом году свою версию представила китайская CATL, с удельной ёмкостью порядка 160 Вт∙ч/кг — больше половины от той, на что способы литий-ионные варианты.
Калифорнийская Natron выбрала другой технологический процесс с использованием т. н. «берлинской лазури» — весьма популярного красителя. В Natron заявляют, что их разработка обеспечивает удельную ёмкость, среднюю между свинцово-кислотными и литий-ионными вариантами. Кроме того, их АКБ обеспечивают зарядку от 0 до 99 % за 8 минут и совершенно фантастические сроки работы в течение 50 000 циклов зарядки — приблизительно в 25 раз дольше, чем готовы обеспечить литий-ионные конкуренты. Кроме того, аккумуляторы будут температурно стабильными, безопасными для транспортировки и могут применяться без риска возгорания.
Тем не менее, ёмкость натрий-ионных аккумуляторов всё-таки слишком мала для применения в электромобилях — в Natron не акцентируют внимания на возможности их использования в электротранспорте. Вместо этого компания делает акцент на источниках резервного питания для ЦОД, погрузчиков и другого промышленного транспорта с небольшим запасом хода, а также всевозможных телекоммуникационных приложений.
Впрочем, в электромобилях разработка может служить в качестве буферного аккумулятора между зарядной станцией и машиной, что позволит организовать ускоренный процесс ультрабыстрой зарядки транспорта.
Выпуск аккумуляторов совместно Natron с Clarios International стартует уже в начале следующего года, на заводе Clarios в штате Мичиган. Пока здесь выпускаются литий-ионные аккумуляторы. В Natron утверждают, что производство натрий-ионных моделей может быть организовано с помощью того же оборудования, поэтому компания решила обойтись без строительства собственного завода с нуля. По данным Natron на момент начала производства это будет крупнейший завод по выпуску натрий-ионных аккумуляторов в мире.
Как сообщают в компании, широкая доступность сырья позволит обеспечить очень стабильное ценообразование — в отличие от литиевых вариантов, стоимость которых зависит от многих факторов, включая геополитическую ситуацию.
5. Китай укрепит звание аккумуляторной страны.
Китай продолжит доминировать в производстве, потреблении и переработке аккумуляторов. В 2030-м году в этой стране значительно вырастет добыча из вторсырья и синтезирование материалов для литий-ионной отрасли.
После Китая укрепит свою причастность к рынку Европа с гигантскими инвестициями на уровне Евросоюза. И за ними увяжется США.
В России производство аккумуляторов литий-ионного типа только зарождается. Прогнозировать что-то по отрасли для нашей страны пока никто не берётся.
Аккумуляторы сейчас везде. В 2030-м никаких революций не ожидается — аккумуляторных устройств просто станет больше во много раз.
Пример
Реакция лития и кислорода на Li2O в литиево-воздушных ячейках. Плотность энергии в такой ячейке достигает около 1800 мА•ч/г при напряжении 4 В.
***
OEM-производители стремятся обеспечить себя аккумуляторами в том количестве, которого будет достаточно для преодоления рисков из-за узких мест в производстве. Производители батарей в Азии, например, перманентно испытывают трудности с доставкой помимо вложений в инфраструктуру.
→ Чем же литий-ионный аккумулятор лучше других — почему его используют чаще всего?
Корпорации сейчас ведут борьбу за получение доступа к таким сырьевым материалам, как никель и кобальт, чтобы держать для себя литиевую отрасль открытой. Усилия требуют вложений на добыче, переработке, производстве от катодов до сборки самих ячеек и, наконец, интеграции в автомобили, мобильные устройства, гаджеты интернета вещей.
Австралийские исследователи сообщили о большом прорыве в создании аккумуляторов. Разработанные ими элементы способны заряжаться в десятки раз быстрее существующих при значительно большей ёмкости и без недостатков литий-ионной технологии.
Инженеры из австралийской компании Graphene Manufacturing Group (GMG) значительно улучшили технологию графеново-алюминиево-ионных аккумуляторов. Они уверяют, что им удалось увеличить скорость заряда в 60 раз в сравнении с лучшими литий-ионными элементами, а ёмкость — в три раза в сравнении с лучшими элементами на основе алюминия. Более того, аккумулятор полностью безопасен, не зависит от перепадов температур и не имеет верхнего предела в амперах. Ещё он более экологичен и имеет увеличенный в три раза срок службы.
Первые алюминиево-ионные графеновые аккумуляторные батареи появятся в продаже уже до конца этого или в начале следующего года, а выход топливных ячеек для автомобилей запланирован на 2024-й. Технология основана на включении в крошечные отверстия в графеновых плоскостях атомов алюминия. Это позволяет добиться высокой мощности и плотности размещения ячеек. По мнению инженеров, нет никаких препятствий для придания аккумуляторам любой формы. При этом батарея, сравнимая размерами с теми, что используются в смартфонах, способна зарядиться менее чем за минуту, имея ёмкость до четырёх раз выше.
Немаловажно, что для создания аккумуляторов не нужны редкоземельные элементы, стоимость которых в последние годы ощутимо возросла. Это позволит говорить о снижении цены при общем улучшении всех параметров.
Исследователи активно работают над аккумуляторами следующего поколения. Одним из наиболее перспективных направлений считаются литий-серные батареи. Но несмотря на большую плотность накопления энергии, они имеют небольшой срок службы, не позволяющий использовать их в коммерческих продуктах. Учёные сообщают, что смогли решить эту проблему.
Литий-серные аккумуляторы могут хранить в несколько раз больше энергии в сравнении с литий-ионными, применяемыми практически во всех современных устройствах. Так, при одинаковом весе и размере, они позволяют смартфонам работать до 5 дней без подзарядки, а автомобилю проехать в автономном режиме до 1000 километров.
Высокое напряжение приводит к искажению ключевых компонентов: углеродной матрицы, ответственной за передачу электронов в изолирующую серу, и полимерного связующего, удерживающего два материала вместе. В результате элемент питания быстро изнашивается.
Новая технология, разработанная учёными Университета Монаш, основывается на традиционном связующем агенте, который образует сверхпрочные связи между углеродной матрицей и частицами серы. Одновременно с этим создаётся дополнительное пространство, которое заполняется по мере расширения батареи во время зарядки.
После 200 циклов зарядки выяснилось, что эффективность баратеи осталась на уровне 99%. Учёные сообщают, что подали все необходимые патенты на новую технологию, которая, по их словам, ещё и более экологична, чем традиционные литий-ионные аккумуляторы.
Аккумуляторы изменятся? В основном нет. А новые технологии будут? Точно будут, но небольшим тиражом.
Узнайте все пять наиболее простых и вполне очевидных трендов литий-ионной отрасли.
Интересный факт из статьи. Рынок литий-ионных батарей по итогам 2019-го составил 700 ГВт·ч. Цифра в 2030-м вырастет до 8100 ГВт·ч. И смартфоны там далеко не главные. И [ спойлер ] электромобили тоже.
Синяя линия — все литий-ионные аккумуляторы в эксплуатации. Зелёный столб — вновь размещённые в продаже. Жёлтый — заканчивают жизненный цикл. Красный — готовы к повторному использованию. Фиолетовый — к переработке. Circular Energy Storage.
1. Электрификация транспорта.
Главная причина роста рынка литий-ионных аккумуляторов. Увеличение спроса на всё большее количество ячеек заставляет заводы наращивать производственные мощности.
Появляется больше поставщиков основных и вторичных материалов. Крупнейшие добытчики стремятся достать как можно больше сырья с как можно меньшими затратами.
5 вещей, которые вероятнее всего произойдут с аккумуляторами в будущем до 2030-го года
Мы остановимся на самых реалистичных прогнозах. Учёные используют их в своих работах. Все эти пункты основаны на измеренных в цифрах фактах.
Аккумуляторы будущего — интерес к ним не спадает 20 лет!
Аккумуляторы из наших с вами смартфонов и электросамокатов в расчётах Circular Energy Storage всё нужнее и нужнее человечеству. А те, кто хоть бы раз прикоснулся к Nissan Leaf и другим электромобилям, тоже внесли свой вклад в отрасль LIB, Li-Ion Battery.
Всё ещё думаете электротранспорт (EV) — блажь? Вот, как выглядит то, что уже выпущено производителями с заводов и реально существует:
- • 2010 — 1% рынка литий-ионных аккумуляторов за EV;
- • 2015 — 19% рынка;
- • 2019 — 51% (от упомянутой мировой величины 700 ГВт·ч);
- • 2030 — 77% (по подсчётам, от величины 8100 ГВт·ч).
На рынке сейчас ожидаются следующие технические, нормативные и экономические изменения:
- I. внедрение новых аккумуляторных технологий,
- II. появление автономных транспортных средств,
- III. новые модели владения транспортными средствами (каршеринг),
- IV. новые возможности эксплуатации аккумуляторов (удалённо как «энергетический сервер»).
Сразу сообщим, что в массовом потреблении срок службы батарей вероятнее всего останется прежним. То есть от 2-3 лет в гаджетах для кобальтовых электрохимических систем до 10-20 лет в литий-железо-фосфатных.
В отрасли уже творятся некоторые вещи, которые внимательный и любознательный человек давно заприметил. Там нашлось место и новым технологиям. И с их учётом исследователи смогли просчитать простые вполне очевидные тенденции.
Слева график прогноза размещения на рынке литий-ионных аккумуляторов в ГВт·ч, справа — отгрузки в тоннах. Circular Energy Storage.
В теории
Это соответствует теоретически возможной удельной энергоплотности 7200 Вт•ч/кг. На практике батарея с мощностью около 2000 Вт•ч/кг должна быть выполнимой.
Тогда почему же аккумулятора нет на рынке?
Кто такой профессор Пётр Новак?
Пётр Новак является руководителем факультета «Сохранение электрохимической энергии» в Институте им. Пола Шеррера в Филлигене (Швейцария) и профессором лаборатории неорганической химии Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе (ETH Zurich).
Ещё в 1980-х годах новые слухи о достижениях в области технологии аккумуляторов обещали экстремальное увеличение плотности энергии. В эти разработки вкладывали большие деньги. Но мы всё ещё там, где мы есть.
Профессор Пётр Новак выступает с докладами, чтобы противостоять именно этим обманам. Он неоднократно показывал инвесторам, как отличать желаемое мышление в химии клеток от реально существующих фактов.
«Цены на аккумуляторы от 150 долларов США за киловатт-час и ниже возможны до 2025-го года. Но эти цены учитывают лишь сам аккумулятор», — заявляет профессор.
Нужно понимать, что к этой цене следует добавить затраты на необходимую инфраструктуру. Что будет использоваться для питания зарядных станций? За счёт чьих денег это финансировать? Многие полагают, что за счёт налогоплательщиков. Якобы это снизит реальную стоимость батарейных блоков. Ответственный момент, согласитесь.
Не менее важно руководствоваться не теоретически возможной удельной энергией клеточного химического состава, о которых обычно рассказывают в новостях, а практическими результатами.
Просто на практике удельное содержание энергии составляет только четверть теоретического значения. Иногда даже ниже.
Профессор прислал в качестве подтверждения своих слов изображение — факты и желаемое мышление относительно плотности энергии. Хорошей основой для практически реализуемой плотности энергии является деление теоретически возможного максимального значения на четыре. Значение, которое действительно может быть достигнуто, часто даже ниже.
Читайте также: