Батарейка для авто: трудности утилизации
Литий-ионная батарея BMW i3 Фото: Rudolf Simon
Почти все современные электронные устройства, от смартфонов до электромобилей, работают за счет литий-ионных аккумуляторов, разработанных в 1990-х годах. В основе работы этих накопителей энергии лежат электрохимические реакции окисления металлического лития, входящего в состав анода (положительный электрод). Во время разрядки литий окисляется и в виде катиона (положительно заряженный ион) движется к катоду (отрицательный электрод). Во время зарядки все происходит наоборот: под электрическим напряжением катионы лития выходят из катода и движутся к аноду, где идет восстановление.
Классический литий-ионный аккумулятор был выпущен в 1991 году. Его создатели – японский химик Акира Йошино, американский физик Джон Гуденаф, британский химик Стэнли Уиттингэм получили за свою работу Нобелевскую премию по химии в 2019 году.
«Литий-ионные аккумуляторы совершили революцию в нашей жизни и используются везде, от мобильных телефонов до ноутбуков и электромобилей. Своей работой лауреаты этого года заложили основу беспроводного общества, в котором нет места ископаемому топливу»,
По словам кандидата технических наук, заведующего кафедрой Санкт-Петербургского государственного технологического института Дмитрия Агафонова, скептики развития частного электротранспорта совершенно напрасно ругают его за так называемую проблему, связанную с утилизацией батарей электромобилей. Он объяснил, что по своему составу литий-ионные аккумуляторы, используемые в электромобилях, не отличаются от батарей, применяемых в различных гаджетах и инструментах.
«Сегодня литий-ионные аккумуляторы – это направление в технологиях. Например, существуют десятки катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов. Сложнее с анодными материалами, поскольку существует много различных форм углерода, которые могут работать как анодный материал. Много надежд связано с кремнием и различными композитами, в состав которых входит кремний. Есть титанат лития, который гарантирует немыслимый циклический ресурс. Речь идет о десятках тысяч циклов перезарядки»,
– рассказал он.По словам ученого, именно после появления титаната лития и родилась идея использовать такие аккумуляторы в электромобилях, поскольку жизненный цикл батареи был бы равен жизненному циклу самого транспортного средства.
«Речь идет об использовании одного аккумулятора на протяжении 25 лет, или о 40-50 тысячах циклов заряда-разряда. Сейчас хороший литий-ионный аккумулятор рассчитан на 1,5-2 тысячи циклов заряда-разряда. Аккумулятор считается работоспособным, если он выдает до 80 процентов от своей первоначальной емкости», – пояснил Агафонов.
Одно из наиболее перспективных направлений применения литий-ионных аккумуляторов – системы накопления энергии от возобновляемых источников.
Одно из крупнейших в мире месторождений лития Солончак Уюни, Боливия
Ценные металлы
Если говорить конкретно об электромобилях, стоит понимать, что там используется аккумуляторная батарея очень крупных размеров. После окончания срока службы ее можно снять и разобрать, чтобы выделить заново все ценные компоненты и получить соли лития и кобальт.
Литий может извлекаться из батареи после окончания срока службы, кобальт – также можно извлечь, это очень дорогой металл, в котором существует огромная потребность. Прежде всего, он применяется в металлургической промышленности.
Кобальт не встречается в виде отдельного материала, его нельзя выделить из какой-то руды. Он – спутник никелевых руд. Производство кобальта составляет около двух процентов от общего производства никеля.
Корпуса батарей бывают разные, в автомобильном транспорте они производятся из алюминия, который тоже утилизируется.
В России аккумуляторы выбрасывают
В ряде сфер человеческой деятельности накопилось огромное количество литий-ионных аккумуляторов, отработавших свой гарантийный срок, – например в военной сфере, также это всевозможные гаджеты, строительный и ремонтный инструмент (отвертки, шуруповерты), которые постепенно начинают сильно дешеветь из-за того, что в них стали использовать именно литий-ионные аккумуляторы.
«В России литий-ионные аккумуляторы перерабатываются на двух предприятиях. С 2014 года на челябинском ГК «Мегаполисресурс», а с 2019 – на ООО «НЭК» в Ярославле, – рассказывает эксперт «Беллоны» по обращению с отходами Никита Зубков. – Оба завода перерабатывают аккумуляторы с получением полезных фракций. При этом технология ГК «Мегаполисресурс», основанная на гидрометаллургии, позволяет сделать этот процесс рентабельным, они покупают литий-ионные аккумуляторы. Именно на этот завод Комитет по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности Санкт-Петербурга передавал собранные у населения аккумуляторы и батарейки.
Поскольку такой тип аккумуляторов относится к отходам 2 класса опасности, их оборот с 1 марта 2022 года будет регулировать Федеральный экологический оператор (Госкорпорация «Росатом»). Самостоятельно перерабатывать отходы 1 и 2 классов опасности ФЭО планирует на семи заводах, которые, согласно нацпроекту «Экология», должны заработать до конца 2024 года. Проблема сейчас в большей степени заключается в отсутствии налаженного сбора аккумуляторов у населения в большинстве регионов России и зачастую очень высоких затратах на транспортирование до предприятий по их переработке».
С экспертом согласен и Дмитрий Агафонов. «Сейчас в России они [аккумуляторы] просто выбрасываются, их никто и нигде не собирает, в отличие от марганцево-цинковых элементов», – рассказал ученый, отметив, что в последнее время в нашей стране идет много разговоров о том, чтобы строить заводы по утилизации литий-ионных аккумуляторов.
Дмитрий Агафонов уверен, что противники развития электрического транспорта сделали электромобили виновными в проблеме утилизации литий-ионных аккумуляторов от непонимания ситуации. «Эта истерия – от непонимания. В аккумуляторах вообще мало кто разбирается, это очень специфическая область знания. Но должен сказать, что сейчас в нашей стране есть колоссальный интерес к строительству заводов по переработке литий-ионных аккумуляторов», – поделился Агафонов.
Сейчас с ученым пытаются наладить контакт представители многих российских регионов, а также Узбекистана. Всех интересуют вопросы, связанные со строительством производств по переработке литий-ионных батарей, поскольку в нашей стране таких заводов в настоящий момент нет.
А в других странах?
По словам известного шведского журналиста, автора книги «Электромобили и гонка за металлами» («Elbilen och jakten på metallerna») Арне Мюллера, утилизация литий-ионных аккумуляторов представляет огромную проблему.
Мюллер уверен, что, несмотря на то что в Европе утилизируется лишь 40 процентов аккумуляторов гаджетов, именно электромобили спровоцируют нехватку мощностей переработки.
«В настоящее время в Европе работают менее 10 заводов, которые занимаются утилизацией литий-ионных аккумуляторов. Проблему их утилизации необходимо решить за следующее десятилетие, в течение которого резко возрастут объемы использованных аккумуляторов электромобилей, поскольку Европа стремится стать декарбонизированным обществом с безуглеродной экономикой», – подчеркнул Мюллер.
Он рассказал, что в настоящее время правила по утилизации литий-ионных аккумуляторов, действующие в Евросоюзе, очень слабые (речь идет о «батарейной директиве» 2006/66/EC Европарламента, документ № 32006L0066. – Прим. ред.). Они требуют переработать только 50 процентов веса батареи.
«Сейчас идет обсуждение новых правил с увеличением процентных показателей утилизации различных элементов», – отметил он.
Если одной частью проблемы утилизации аккумуляторов является эффективность их переработки, то вторая часть – отсутствие гарантий того, что аккумуляторы действительно будут сдаваться в переработку после окончания их срока службы. Многие эксперты предполагают, что большая часть батарей, используемых в электромобилях, получит вторую жизнь, например в накопителях энергии, в том числе в частных домах. Но будут ли батареи сданы на утилизацию?
Одним из возможных решений этого вопроса может стать введение системы депозита для аккумуляторов, которая уже существует, к примеру, в Калифорнии.
В настоящее время страны Азии и США сильно опережают Европу в количестве перерабатывающих производств и их мощностей. Однако в прошлом году пять европейских компаний: Bebat (Бельгия), GRS Batterien Service GmbH (Германия), Cobat (Италия), BatteriRetur (Норвегия) и Stibat (Нидерланды) образовали трансъевропейский альянс Reneos, который будет координировать работу по сбору и переработке аккумуляторов.
Этот процесс осуществляется в русле политики Еврокомиссии по созданию устойчивой экосистемы электромобилизации, которая, в том числе, включает в себя декарбонизацию производства аккумуляторных батарей, а также последующие этапы их жизни вплоть до переработки.
Главная задача альянса – создать систему, все элементы которой будут отвечать самым строгим экологическим нормам, в которой не будет «провала» в жизненном цикле аккумуляторных элементов. Всё должно использоваться до предела своих технических возможностей, ничто не должно быть выброшено на свалку, загрязняя окружающую среду, и всё должно быть переработано в максимальной степени.
«Объединив ведущих экспертов по переработке аккумуляторов, мы сделаем Европу полноценным центром переработки аккумуляторов, что еще больше повысит нашу конкурентоспособность по сравнению с Азией или США», – заявил, в частности, генеральный директор Reneos Филипп Селис.
По различным прогнозам, в 2021 году общемировая переработка составит около 300 000 метрических тонн аккумуляторного лома. В 2018-м все страны, в целом, разобрали на ценные металлы 100 000 тонн перезаряжаемых элементов на основе лития.
Остается добавить, что, конечно, опыт в переработке литий-ионных аккумуляторов еще только накапливается, но и сказать, что в этом направлении ничего не делается, будет по меньшей мере некорректно.
Электромобили спровоцировали борьбу за металлы
Прогнозируемый рост мирового спроса на электромобили заставляет автопроизводителей озаботиться наличием сырья для выпуска аккумуляторов. К нему относятся литий, никель, кобальт, графит и редкоземельные металлы. Поэтому производители электромобилей и аккумуляторов стремятся обеспечить их поставки, договариваясь с горнодобывающими компаниями.
По данным Международного энергетического агентства (МЭА), в прошлом году в мире было 2 млн электромобилей. К 2040 г. их число достигнет минимум 40 млн, прогнозирует МЭА. И крупнейшие горнодобывающие компании уже начали менять свой бизнес, чтобы обеспечить поставку материалов для литий-ионных аккумуляторов. Нынешний год должен стать «переломным моментом» для электромобилей, заявила BHP Billiton.
В сентябре китайский автопроизводитель Great Wall Motor подписал соглашение с австралийской Pilbara Minerals об обеспечении себе поставок лития на пять лет. В октябре другая австралийская горнодобывающая компания, Galaxy Resources, сообщила, что ведет переговоры о долгосрочных поставках лития с несколькими производителями автомобилей и аккумуляторов. В их число входит Panasonic, выпускающая аккумуляторы для Tesla. «Это подчеркивает, какое стратегическое значение для мировой автомобильной промышленности приобретает доступ к крупным, надежным и высококачественным источникам материалов для аккумуляторов в странах с низким риском», – заявил гендиректор Pilbara Кен Бринсден.
Спекулянты тоже не остаются в стороне, так как эти металлы сильно дорожают; их возросшая активность на рынке еще больше толкает цены вверх. Инвесткомпания Cobalt 27 уже закупила более 2000 т кобальта. Этот металл подорожал более чем на 190% за последние полтора года. Обеспечить поставки кобальта труднее всего, поскольку 65% его добычи приходится на Демократическую Республику Конго (ДРК), одну из беднейших стран мира. По прогнозам аналитиков UBS, спрос на кобальт удвоится к 2020 г. примерно до 200 000 т в год. Поэтому потребуются новые проекты, чтобы избежать его дефицита в долгосрочной перспективе. «Без кобальта из ДРК вообще нельзя будет говорить о производстве электромобилей – вот насколько рынку нужно больше этого металла», – утверждает Саймон Мурс из Benchmark Mineral Intelligence.
Литий хоть и более доступен, но в ближайшие годы тоже может возникнуть нехватка его предложения. Спрос на литий вырастет в четыре раза до 779 000 т к 2025 г., по оценкам Goldman Sachs. Но удовлетворить его будет трудно, так как «многие проекты, которые были анонсированы с фанфарами, не смогли привлечь достаточного финансирования», отмечают аналитики банка. Литий сейчас добывается в горах Австралии и пустынях Южной Америки. Но не все его запасы пригодны для производства аккумуляторов, отмечает гендиректор Neo Lithium Вальдо Перес. Например, у Боливии огромные запасы лития, но они содержат много примесей магния. Поэтому «Боливия определенно не подходит», говорит Перес.
Главную неопределенность для сырьевых рынков представляет то, какой будет технология выпуска аккумуляторов. Их производители сокращают использование кобальта из-за высокой цены и проблем с поставками. В сентябре британская Johnson Matthey заявила, что разработала более эффективные аккумуляторы с использованием лития и никеля и меньшим содержанием кобальта. Как отмечает инвестбанк Liberum, никель помогает повысить мощность аккумуляторов и при этом стоит в шесть раз дешевле кобальта, а его предложение примерно в 20 раз выше. По прогнозам Мурса из Benchmark Mineral Intelligence, спрос на никель вырастет с 75 000 т в 2016 г. до 400 000 т к 2025 г.
В долгосрочной перспективе производители аккумуляторов намерены изменить их конструкцию. Британская Dyson планирует выйти на рынок электромобилей к 2020 г. с помощью твердотельных аккумуляторов, которые должны хранить и отдавать больше энергии. Toyota тоже стремится начать использовать твердотельные аккумуляторы в своих автомобилях в начале 2020-х гг. Они заменят аккумуляторы с жидким электролитом.
«Всем хочется в будущем иметь чудесные химические вещества, не связанные с этими редкими материалами, но сейчас они недоступны, – говорит Стивен Айриш из британской Hyperdrive, занимающейся аккумуляторами. – Все задаются вопросом, произойдет ли революция в производстве аккумуляторов. Но на самом деле речь идет о серии постепенных улучшений».
Перевел Алексей Невельский
Из чего скоро будут делать аккумуляторы для электромобилей
Какими будут аккумуляторные батареи электромобилей будущего:
- Углеродные нанотрубки электрода лития
- Медные нанопроволоки катода лития
- Литий-воздушный карбон
- Литий кремния
- Гибрид углеродно-пенного конденсатора
- Литий-кремниевый полимер
- Литиевое серо-углеродное нановолокно
- Литий-марганцевые композиты, кремний-углеродные нанокомпозиты
По итогам 2018 года продажи Tesla Roadster, Chevrolet Volt, Nissan Leaf, Fisker Karma и Mitsubishi MiEV не велики. Проблема в аккумуляторных батареях, не позволяющих совершать длительные поездки без подзарядки из-за малой емкости. Подробнее о проблемах электромобилей здесь
Многообещающие заявления ученых и итоги испытаний аккумуляторов для электромобилей, дают надежду, что вскоре автомобиль будет проезжать до 800 км на одном электродвигателе. Все идет к тому, что через 10 лет продажи электрических и гибридных (бензиново-электрических) авто, могут достичь одного процента от общих гигантских продаж автомобильного рынка. Это около 150 тысяч единиц в год.
До 2017 года Toyota, использовала никель-металлгидридные (Ni-MH) аккумуляторы (подробней об аккумуляторах и их видах здесь). Сейчас на рынок выходят автомобили с литий-ионными аккумуляторами, которые превосходят никель-металлгидридные в мощности и времени зарядки. В 2018 году электромобили Prius, RAV4 и гибрид Prius уже поставляются с литий-ионными.
Да, литий-ионные аккумуляторы маленький шаг для всего человечества в мире альтернативных источников топлива. Но давайте будем откровенны: технологии аккумуляторов для электромобилей и гибридов по-прежнему не идут в сравнение с бензиновым или дизельным двигателем. Ни один из электродвигателей не рассчитан на расстояние большее, чем 500 км.
- 2017 Tesla Model S – 507 км
- 2017 Chevrolet Bolt EV – 383 км
- 2017 Hyundai Ioniq Electric – 200 км
- 2017 Ford Focus Electric – 185 км
- 2017 BMW i3 (94-амерная батарея) – 183 км
- 2017 Nissan Leaf – 172 км
- 2017 Mitsubishi i-MiEV – 94 км
Электрические силовые агрегаты дороже бензиновых эквивалентов, примерно на 50%. Чтобы продажи электромобилей начали рост, должен быть повышен километраж пройденного пути на одном аккумуляторе и сокращена себестоимость производства.
Мы подобрали несколько перспективных технологий для аккумуляторов, которые могут прижиться в электромобилях. Аккумуляторы станут новым альтернативным видом топлива. Разработки ведутся в институтах, лабораториях и исследовательских центрах США, Японии, Великобритании и.… будете смеяться, России. Некоторые разработки финансируются из государственной казны.
Углеродные нанотрубки электрода лития
Больше положительных ионов, больше электроэнергии в аккумуляторной батарее | Разрабатывается в Массачусетском институте технологий
Используя слои углеродных нанотрубок – сильных микроскопических полых нитей с относительно большой площадью – ученые из Массачусетского института технологий разрабатывают катод (электрод, через который проходит поток электронов из аккумулятора), который хранит и высвобождает намного больше положительных ионов, чем обычные литиевые аккумуляторы. Идея состоит в том, что новый катод увеличит количество энергии, хранящейся в электрической батарее автомобиля и ускорит электрический поток в десять раз по сравнению с существующими продуктами. Также развитие новых катодов аккумулятора улучшит твердотелые конденсаторы и приведет к комбинации аккумулятор/конденсатор, которая будет в состоянии хранить и поставлять намного больше электроэнергии, чем любое другое доступное аналогичное устройство.
Про нанотрубки Массачусетский институт рассказал еще в 2010 году. Технология готова к продаже, вся техническая документация подготовлена. Чтобы углеродные нанотрубки электрода лития были применены в аккумуляторах электромобилей технологию должен купить заинтересовавшийся автопроизводитель и довести ее до ума применив в автомобилях. Затем проведут тест-драйвы, ряд обязательных краш-тестов. Только после этого машины с нанотрубками в аккумуляторах запустят в серийное производство. По нашим подсчетам, машины с этой технологией выйдут не раньше, чем через 5 лет.
Медные нанопроволоки катода лития
Надежда министерства энергетики США | Разработки ведет Университет штата Колорадо
В этом аккумуляторе пористый проводниковый графитовый электрод будет заменен на микроскопически тонкие медные провода. Эта разработка называется 3D блоком, потому что эти тонкие провода – толщиной в одну тысячную от толщины человеческого волоса – накапливают ионы на всей своей поверхности, а не только на плоской металлической. Медь менее чувствительна к высоким температурам. Ее способность аккумулировать ионы намного выше, чем у графита, который сейчас используется в литиевых аккумуляторах.
Литиевый аккумулятор с нанопроволокой вмещает и выдает больше энергии, чем обычные литиевые аккумуляторы электромобилей. Технология настолько перспективна, что проект заинтересовал министерство энергетики США, где поддерживают разработку электрических автомобилей. В разработку уже пошли первые финансовые вливания из казны США.
Литий-воздушный карбон
О чем молчит IBM? | Разработки IBM
Цель разработок IBM — увеличение пройденного пути автомобиля с электрической силовой установкой до 800 км. Машина покроет расстояние между городами в 600 км и еще весь день будет ездить по городу на одном только электродвигателе.
Для этого компания разрабатывает литий-воздушные батареи с потенциалом для гораздо большей плотности энергии, чем в литий-ионных аккумуляторах. IBM утверждает, что их аккумулятор работает дольше на одной подзарядке благодаря карбоновым электродам, в которых ионы вступают в реакцию с кислородом, но кислород не разрушает электролитной среды. IBM сохраняет режим тишины по поводу новой технологии, которая держит кислород под контролем, но сообщается, что разработка проводилась на молекулярном уровне. Себестоимость аккумулятора тоже держится в тайне. Литий-воздушные батареи вряд ли будут коммерчески доступны для производителей электрических автомобилей до 2020 года.
Литий кремния
Больше ионов! Больше! | Разработчик – Северо-Западный университет
Гарольд Х. Кун, работает в школе инженерных и прикладных наук им. Маккормика при Северо-Западном университете. Он изучает применение кремниевых электродов (обычно применяются углеродные), надеясь создать аккумулятор большой емкости с большим диапазоном работы. Кун утверждает, что, используя гибкие электроды и свойства кремния расширяться и сокращаться при поглощении и высвобождении ионов, литиевый аккумулятор сможет хранить в себе во много раз больше ионов чем обычный. Такой аккумулятор будет заставлять ионы двигаться быстрее – настолько быстро, что время зарядки электромобиля уменьшится.
Гибрид углеродно-пенного конденсатора
Самая запутанная из запутанных технологий аккумуляторов для электромобилей и гибридов | Разработка Мичиганского технологического университета
Ученые из Мичиганского технологического университета работают над аккумулятором, в котором объединят плотность накопленной энергии химического аккумулятора с эффективностью поставки энергии твердотелых конденсаторов. Для увеличения емкости в качестве катода в аккумуляторе используют углеродную пену. Используемый углеродный анод, гибрид аккумулятор/конденсатор меньше весит и дает больший заряд, чем обычный конденсатор. Устройство переживет не меньше 1000 циклов зарядки, не проявляя признаков снижения производительности.
Литий-кремниевый полимер
Умный полимер — залог будущего для гибридной батареи | Разрабатывается министерством энергетики
Ученые из Национальной лаборатории Лоренца Беркли в Калифорнии разрабатывают литиевый аккумулятор, который сможет хранить в себе большой объем энергии. Разработка известна как литий-кремниевый полимерный аккумулятор. В отличие от других технологий, которые используют кремниевые электроды, специально спроектированный полимер сохраняет структуру электродов, пока они расширяются и сжимаются, тем самым увеличивая объем энергии принимаемой на хранение.
Литиевое серо-углеродное нановолокно
Разработчик – Стэнфордский университет
Ученые Стэнфордского университета утверждают, что способность кремния аккумулировать намного больше ионов лития, чем нынешние электроды, делает его №1 в выборе, когда речь заходит об увеличении плотности энергии в аккумуляторе. Но здесь есть одна проблема: кремний сильно расширяется, когда поглощает ионы, и эта подвижность приводит к разрушению проводимости анода. Однако изготовление нановолокон из кремния снижает этот эффект.
Кроме того, ученые обнаружили, что углеродные нанотрубки, внутренняя поверхность которых покрыта серой, позволяют аккумулятору отдавать до десяти раз больше энергии, чем обычные литиевые аккумуляторы. Утверждается, что сера это экологически чистое и дешевое покрытием для электродов, она легко доступна и не токсична.
Литий-марганцевые композиты, кремний-углеродные нанокомпозиты
До 500 км. на одном аккумуляторе обещает компания с парфюмерным названием | Разрабатывается компанией Envia Systems
Первоочередная разработка компании — патентованный катодный материал на основе марганца, богатого металла, который высокоустойчив при использовании в аккумуляторных батареях. По словам компании, Envia марганец дешевле, чем распространенные катоды на основе кобальтового материала. Его использование снизит себестоимость аккумуляторных батарей для гибридов. Также, по словам представителей компании, технология увеличит диапазон работы электродвигателя до 500 км.
Бонус
Технология которая уже применяется: 12-вольтный аккумулятор с аббревиатурой AMG
Несмотря на то, что в гибридных автомобилях стоят мощные силовые источники, бортовые компьютеры, свет, замки питают обычные 12-вольтные аккумуляторы. Последнее поколение 12-вольтных свинцово-кислотных батарей называются Absorbed glass mat – AMG. В AMG содержится серная кислота электролита в сочетании с гелем вместо жидкого электролита. Эти свинцово-кислотные батареи удерживают заряд до одного года, служат дольше чем обычные батареи, герметичны, не требуют обслуживания, устойчивы к тряске. Недостатки в том, что AMG батареи много весят, требуют специальную зарядку, стоят дороже.
Тема про аккумуляторы бесконечна. Еще одно интересное рассуждение на тему, какой аккумулятор для запуска автомобиля лучше: литиевый или свинцово-кислотный, читайте тут.
В завершение, посмотрите видео — ролик о тайных разработках электромобилей в СССР
Аккумуляторы для электромобилей: виды и особенности
Аккумуляторы для электромобилей: виды и особенности
При выборе электромобиля покупатели обращают внимание на стоимость, дизайн и размеры – но одним из главных критериев является запас хода, зависящий от типа и характеристик аккумулятора.
У автолюбителей, которые впервые столкнулись с электротранспортом, возникает немало вопросов по поводу таких батарей – о времени и способах зарядки, обслуживании, покупке и утилизации.
Не лишним будет перед покупкой такой машины узнать и о видах аккумуляторов, сроках службы и преимуществах их использования по сравнению с более привычным бензином и дизтопливом.
Виды аккумуляторов для электромобилей
В большинстве современных электрических машинах используются 4 типа аккумуляторных батарей. Самые распространённые – литий-ионные, алюминий-ионные и литий-серные. Иногда применяют ещё и металл-воздушные, где в качестве металла выступают цинк, литий, натрий, магний или алюминий.
Литий-ионные батареи
Литий-ионные АКБ – самый распространённый вариант для установки на электрических автомобилях. Преимуществами таких источников питания считают:
- высокую плотность накапливаемой энергии;
- более высокое по сравнению с другими видами АКБ напряжение;
- небольшой саморазряд – до 6% в месяц, до 20% в год;
- практически полное отсутствие «эффекта памяти», из-за которого новые батареи требуется «тренировать», используя несколько циклов заряда/разряда;
- сравнительно большой срок эксплуатации – не меньше 1000 циклов или 10 лет.
Не лучшими характеристиками таких батарей можно назвать высокую стоимость, которая влияет и на цену автомобиля, и плохую устойчивость к избыточному заряду.
Минусом является и небольшой температурный диапазон, в котором работают литий-ионные АКБ (от –20 до +50°C). При использовании за пределами этих значений характеристики батареи ухудшаются – на холоде снижается ёмкость, при жаре аккумулятор может работать нестабильно.
Серьёзная проблема Li-Ion источника питания – высокий уровень взрывоопасности при повреждении и нарушении герметичности.
Алюминий-ионные аккумуляторы
Алюминий в составе батареи для электромобиля повышает безопасность её использования.
Кроме того, такой аккумулятор дешевле обходится при производстве. Использованию таких устройств мешает невысокая производительность катодов и меньшее количество циклов заряда/разряда.
В Китае ведутся исследования по поводу улучшения характеристик батарей. Уже разработана новая конструкция катода, увеличившая ёмкость и сроки службы литий-ионной АКБ, а также уменьшившая её цену. Новая версия, ещё не применяемая на серийных авто, выдерживает до 250 тыс. перезарядок.
Литий-серные батареи
Аккумуляторы, принцип действия которых основан на реакции между литием и серой, делаются многослойными. Их ёмкость примерно вдвое выше по сравнению с аналогичными по размеру литий-ионными батареями. Стоимость изготовления таких аккумуляторов ниже, а рабочий диапазон температур выше, чем у большинства других источников питания электромобилей.
Недостатком литий-сернистых АКБ является небольшое количество перезарядок (до 60). Это делает батареи непригодными для установки в серийных автомобилях. Однако над устранением недостатков уже работают специалисты нескольких компаний, включая OXIS Energy. Предполагается, что к 2020 году стоимость поездки на аккумуляторах Li-S будет ниже, чем у современных литий-ионных версий.
Металл-воздушные АКБ
Преимуществами металло-воздушных аккумуляторов являются:
- небольшой вес, благодаря которому снижается и масса автомобиля;
- большой пробег электромобилей, которые комплектуются такой батареей;
- сравнительно доступная стоимость;
- более простая утилизация по сравнению с литиевыми АКБ.
Минусами устройства является снижение производительности батареи при низкой температуре. Кроме того, такой батарее нужна система фильтрации, потребляющая почти треть общей мощности. Ещё один серьёзный минус – внезапный выход из строя металл-воздушных аккумуляторов из-за образовавшейся на их поверхности плёнки из пероксида лития. И, наконец, последний минус, из-за которого такие батареи не пользуются большим спросом – небольшое число циклов заряда/разряда – до 50-60.
Другие варианты
Кроме основных технологий производства аккумуляторов электромобилей, существует несколько видов, которые только находятся в разработке. Предполагается, что такие аккумуляторные батареи для электромобиля получат большую ёмкость и срок службы по сравнению с существующими версиями. Одной из таких разработок является аккумулятор на основе кремния и графита, способный накапливать в 5 раз больше энергии без заметного износа.
Южнокорейскими разработчиками создана технология, вообще не требующая зарядки. Вместо подключения к электросети после у электромобиля заменяется одна алюминиевая пластина, которой хватает на 700 км пробега. Алюминий идёт на переработку и используется повторно.
Ёмкость батареи электромобиля
Практически каждый электрический автомобиль использует свой тип батареи. Аккумуляторы отличаются ёмкостью и обеспечивают разный запас хода. И хотя максимальное расстояние, которое может проехать электромобиль, зависит ещё и от его конструкции и веса, эту цифру можно использовать для сравнения батарей.
Табл. 1. Сравнение аккумуляторов популярных электромобилей по ёмкости и запасу хода.
| Модель | Ёмкость аккумуляторной батареи, кВт-ч | Запас хода, км |
| Audi e-Tron | 95 | 400 |
| BMW i3 | 33 | 200 |
| Chevrolet Bolt EV | 60 | 300 |
| Chevrolet Spark EV | 19 | 132 |
| Detroit Electric | 37 | 280 |
| Hyundai Ioniq Electric | 28 | 200 |
| Hyundai Kona | 64 | 480 |
| 39 | 300 | |
| JAC iEV7S | 39 | 300 |
| Jaguar I-Pace | 90 | 480 |
| KIA Soul EV | 30 | 178 |
| 64 | 391 | |
| Nissan e-NV200 Combi | 40 | 170 |
| Nissan Leaf | 40 | 250 |
| 62 | 385 | |
| Renault Kangoo ZE | 33 | 270 |
| Renault Zoe | 41 | 367 |
| Smart ForTwo Electric Drive | 17,6 | 160 |
| Tesla Model 3 | 75 | 320 |
| Tesla Model S | 60 | 350 |
| 70 | 500 | |
| 100 | 600 | |
| Tesla Model X | 100 | 475 |
| Volkswagen e-Golf | 24,2 | 170 |
| Volkswagen e-Up | 18,7 | 160 |
Ресурс аккумулятора
Ещё один важный вопрос, возникающий у покупателей и владельцев электрического транспорта, касается срока службы аккумулятора. Стоимость этого источника питания достаточно высокая, и, чем реже его придётся менять, тем лучше. Ответить на вопрос можно попробовать, используя уже известную информацию о батареях электромобилей:
- средний срок эксплуатации аккумулятора составляет около 8-10 лет, хотя эти цифры пока не подтверждены из-за отсутствия достаточно количества старого электротранспорта;
- производители дают гарантию на аккумулятор в пределах 5-8 лет, что позволяет владельцу электромобиля рассчитывать на его замену при преждевременном выходе из строя;
- ёмкость большинства батарей постепенно снижается, и через несколько лет запас хода электромобиля окажется равным 70-80% от начального значения.
Характеристики некоторых видов аккумуляторов (например, литий-ионных) ухудшаются, независимо от количества циклов заряда/разряда. Срок службы других батарей зависит от условий использования, включая температуру окружающей среды. Ёмкость третьих АКБ становится меньше с каждым зарядом. Чтобы примерно представить снижение ресурса, следует рассмотреть конкретный электромобиль.
Ухудшение параметров в процессе эксплуатации
Наблюдения за аккумуляторными батареями популярных моделей Tesla Model S и Nissan Leaf показывают, что максимальное снижение ёмкости происходит в течение первых 5 лет. Причём, за первый и второй год мощность аккумулятора, а, значит, и запас хода уменьшаются в пределах 5-10%, а за три следующих года – ещё на 15-20%. После этого параметры АКБ остаются примерно на одном уровне до конца срока службы – ежегодное снижение ресурса не превышает 1-5%.
Такие особенности аккумуляторов электромобилей позволяют выпущенным больше 5 лет назад моделям Nissan Leaf проезжать до 130 км на одном заряде вместо 160 км начального ресурса. Первые Tesla Model S 2013 года до сих пор способны проехать не меньше 200 км – при 335 км в самом начале эксплуатации. Похожие результаты показывают модели других марок.
Сравнивая пробег электромобилей, можно получить примерно те же цифры – максимальное снижение ёмкости наблюдается в течение первых 70-80 тыс. км. Для обычного автовладельца, проезжающего не больше 15-20 тыс. км ежегодно, эти цифры будут примерно соответствовать 5 годам эксплуатации.
Срок службы батареи уменьшается, если автомобилист постоянно использует технологию быстрой зарядки. Заряжая аккумулятор с помощью устройств, которые восстанавливают до 80% заряда за 30-60 минут, можно в 1,5-2 раза ускорить процесс деградации источника питания. Для того чтобы батарея прослужила дольше, её рекомендуется оставлять подключенной к зарядному устройству на несколько часов – например, на ночь.
Замена аккумулятора
Вышедший из строя или использовавший большую часть своего ресурса аккумулятор следует заменить. И, если владельцы новых электромобилей практически не сталкиваются с необходимостью покупки новой батареи, покупателям первых электрических авто уже приходится задумываться об этом. При замене аккумулятора следует учитывать такие особенности:
- аккумуляторы автомобилей одной модели не всегда подходят друг другу – подбирать АКБ придётся практически индивидуально;
- после установки новой батареи требуется перепрограммирование электронных систем – «прописка» с помощью специальных программаторов;
- если аккумулятор не полностью вышел из строя, а только повреждён, можно выполнить его ремонт – модульная конструкция батарей позволяет заменить всего несколько блоков.
Покупать аккумуляторные батареи можно у официальных дилеров или у частных лиц. В первом случае меньше риск купить подделку или некачественный товар, но увеличивается цена. Если нужно сэкономить, батарею покупают по объявлению, однако качество и надёжность такого аккумулятора остаются под вопросом.
Утилизация отработанных АКБ
Старые батареи содержат большое количество опасных для окружающей среды элементов, поэтому выбрасывать их как обычные отходы не рекомендуется. Обычно производители принимают подержанные аккумуляторы у покупателей своих электромобилей и занимаются утилизацией самостоятельно. Одним из самых выгодных способов утилизировать старых АКБ считается создание с их помощью систем автономного электропитания для частного жилья.
Батареи используют для накопления электроэнергии, полученной от установленных на крыше солнечных батарей. Заряд расходуется на работу домашней техники – телевизоров, холодильников, насосов системы отопления и водоснабжения. Такие варианты «второй жизни» для отработанных аккумуляторов уже разработаны компаниями Tesla и BMW.
Зарядка батареи
Разобравшись с видами, характеристиками и ресурсами аккумуляторов, стоит перейти к вопросу их зарядки. Большинство производителей рекомендует использовать зарядные станции, которые работают уже по всей Европе, в Соединённых Штатах и других странах, где официально продаются электромобили. С другой стороны, владельцу электрокара приходится рассчитывать, хватит ли ресурса аккумулятора не только для поездки, но и для посещения электрозаправки.
В домашних условиях большинство электромобилей можно заряжать от встроенных зарядных устройств, преобразующих переменный ток сети 220В в постоянный, подходящий для батареи. Для использования обычной электрической розетки следует использовать «зарядки» мощностью от 3,6 кВт. Для защиты от перегрева и короткого замыкания зарядное устройство комплектуется специальным блоком, контролирующим напряжение и температуру.
Время зарядки
Главным недостатком зарядки аккумуляторной батареи от обычной электросети является увеличивающееся время зарядки. Так, электромобили Tesla Model S с ёмкостью АКБ 70 кВт-ч заряжаются на 80-100% в течение 15-18 часов. На зарядку батареи Nissan Leaf уходит до 7-8 часов.
При использовании официальных зарядных станций владелец Tesla потратит не больше 5 часов, а, если автомобиль используется не меньше 2-3 лет, достаточно всего 3 часов. Для нового Nissan Leaf среднее время составит около 2,5 часов, для подержанного – до 1,5-2 ч. При использовании режима быстрой зарядки батарея «Ниссан Лиф» заряжается на 80% всего за полчаса, «Теслы» – в течение 40 минут.
Расходы на зарядку аккумулятора
Стоимость обслуживания электромобиля, в основном, связана с расходами на электричество. Для современных моделей Nissan Leaf на зарядку одного аккумулятора требуется не меньше 24 кВт-ч. С учётом запаса хода батареи около 160 км, получается, что на 100 км пробега уходит около 15 кВт-ч или сумма, сравнимая с ценой 1 литра бензина.
Расходы на использование других автомобилей могут заметно отличаться. Тем более что заряд уменьшается быстрее, если ехать на большой скорости (примерно вдвое, если сравнивать показатели для 70 км/ч и 140 км/ч). Однако в среднем затраты на зарядку аккумуляторов получаются в несколько раз ниже по сравнению с заправкой топливного бака обычного автомобиля.
Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram и Viber
CATL представила первые натрий-ионные аккумуляторы для электромобилей — массовое производство стартует в 2023 году
Китайская компания CATL первой среди крупных производителей батарей для электромобилей анонсировала массовое производство натрий-ионных аккумуляторов. Старт поставок новинок намечен на 2023 год. От привычных литийионных аккумуляторов новинки отличаются материалом катода — здесь он выполнен из никеля, который гораздо более распространён в природе и обходится дешевле, чем литий.
Источник: reuters.com
По мере роста популярности электромобилей фиксируется резкий рост спроса на ключевые компоненты, необходимые для производства аккумуляторов, в первую очередь на кобальт. Это вынуждает производителей машин и батарей заниматься поиском альтернатив трём главным технологиям — решениям на базе никеля, кобальта и алюминия (NCA), никеля, кобальта и марганца (NCM), а также литиевым батареям с фосфатом железа (LFP).
Новое решение предложила китайская компания CATL, анонсировавшая источник питания, в котором сочетаются литийионные и натрий-ионные батареи. Несмотря на то, что данная технология предлагает более низкую плотность хранения энергии в сравнении с литиевыми аккумуляторами, заместитель главы исследовательского центра CATL Хуан Цисэнь (Huang Qisen) отметил, что натрий-ионные батареи демонстрируют более надёжную работу в условиях низких температур и обеспечивают более высокую скорость зарядки.
В текущем виде натрий-ионные аккумуляторы предлагают плотность хранения заряда на уровне 160 Вт·ч/кг, однако CATL уже разрабатывает решения следующего поколения, которые смогут предложить 200 Вт·ч/кг. Это сопоставимо со многими литийионными батареями. При этом себестоимость натрий-ионных элементов заметно ниже за счёт более доступных материалов, а это означает, что и автомобили с ними будут дешевле — всё же, батарея формирует до 30 % стоимости электромобиля. Помимо этого, натриевые аккумуляторы способны заряжаться до 80 % всего за 15 минут, а на морозе не так сильно теряют ёмкость — всего на 10 %.
В ходе посвящённой анонсу пресс-конференции глава компании Цзэн Юйцюнь (Zeng Yuqun) напомнил, что в штате CATL числятся более пяти тысяч исследователей, что позволяет бренду конкурировать с японской Panasonic и корейской LG Chem. В настоящий момент ведётся разработка даже такого нестандартного решения как интеграция аккумулятора непосредственно в раму электромобиля, что также позволит увеличить запас хода. В число клиентов CATL входят Tesla, Volkswagen и Geely.
Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
Литий-ионные батареи для электромобилей
Основой конструкции электромобиля является силовая установка. В ее состав входит несколько электродвигателей и аккумуляторных батарей. В отличие от автомобилей с ДВС, работающих на стартерных аккумуляторах, электромобили используют тяговые АКБ. Их главное отличие заключается в постоянном снабжении работающих двигателей запасенной электроэнергией.
Стартерные аккумуляторы работают только в момент включения мотора, а тяговые выдают меньшие токи, но работают в постоянном режиме. Они выступают непосредственными источниками питания электродвигателей и обеспечивают высокую эффективность преобразования полезной энергии – свыше 90%. Для сравнения, автомобили на ДВС получают от своих двигателей всего 40% полезной энергии.
Какие батареи используются в электромобилях?
Преимущественно современные электромобили ездят на Li-ion батареях. По прогнозам экспертов эта технология будет доминировать еще несколько лет, что подтверждают и инвестиции ведущих производителей экомобилей. Технологии развиваются, и весь мир ожидает революции в производстве аккумуляторных батарей. Но пока Li-ion аккумуляторы остаются вне конкуренции.
Некоторые изменения коснулись только химического состава катода. В частности, компания Tesla сейчас использует никель-кобальт-алюминиевые (NCA) аккумуляторы Panasonic и никель-марганцево-кобальтовые (NMC) ячейки LG Chem со сниженным содержанием кобальта. Использование катода с 80% Ni, 15% Co и 5% Al позволило повысить емкость элементов без ущерба для их температурной стабильности. Иногда применяется соотношение компонентов Ni:Mn:Co=8:1:1. Компания CATL производит NMC-аккумуляторы с 20% кобальта.
Особого внимания заслуживают литий-железо-фосфатные АКБ — LiFePO4. Эта разновидность Li-ion аккумуляторов минимум вдвое превосходит аналоги по циклическому ресурсу, имеет расширенный диапазон рабочих температур и максимально безопасна в эксплуатации. Такие батареи используются, например, в китайском электроседане BYD Han и обеспечивают ему пробег на 1 заряде до 605 км.
Емкость и запас хода
Пробег на 1 заряде зависит от энергоемкости используемых в электромобиле литиевых батарей и других факторов: силы и направления ветра, рельефа местности, загруженности автомобиля и т.д. В таблице приведены ориентировочные характеристики самых дальнобойных электромобилей:
|
Модель |
Энергоемкость, кВт·ч |
Максимальное расстояние пробега на 1 заряде, км |
|
Tesla Model S |
100 |
610 |
|
BYD Han EV |
77 |
605 |
|
Ford Mustang Much-E |
98,8 |
600 |
|
Tesla Model 3 |
75 |
560 |
|
Volkswagen ID.3 |
82 |
550 |
|
Tesla Model X |
100 |
507 |
|
Skoda Enyaq |
82 |
500 |
|
Hyundai Kona Electric |
67,1 |
480 |
|
Jaguar I-Pace |
90 |
470 |
|
Porsche Taycan |
93,4 |
462 |
|
Kia e-Niro |
67,1 |
455 |
|
Kia e-Soul |
67,1 |
452 |
|
Audi e-Tron |
95 |
446 |
|
BMW iX3 |
80 |
440 |
|
Volvo XC40 Recharge |
78 |
425 |
|
SEAT el-Born |
62 |
420 |
|
Mercedes EQC |
85 |
417 |
|
Renault Zoe |
55 |
395 |
|
Nissan Leaf |
62 |
385 |
|
Chevrolet Bolt |
60 |
380 |
|
Peugeot e-208 |
50 |
340 |
Многие модели электромобилей поставляются в разных вариантах комплектации – с АКБ различной емкости. Поэтому и дальность пробега на 1 заряде даже у автомобилей одной марки отличается.
Ресурс Li-ion батарей в электромобилях
Срок службы литий-ионных батарей для электромобилей составляет 1000–1500 циклов заряд-разряд, что в среднем соответствует 8–10 годам эксплуатации. Вдвое больший ресурс имеют АКБ типа LiFePO4. Производители электромобилей дают на свою продукцию гарантию 5–8 лет. Поэтому если при эксплуатации экомобиля какой-либо модуль батареи преждевременно выйдет из строя, покупатель может рассчитывать на его замену.
Срок службы литиевых АКБ сокращается при частом использовании технологии быстрой зарядки. Этот способ удобен, т.к. позволяет за полчаса или час восполнить 80% заряда, но он в 1,5–2 раза ускоряет естественную деградацию Li-ion аккумуляторов. Поэтому чтобы продлить срок службы батареи, ее нужно заряжать меньшими токами.
Стоит отметить, что батареи типа LiFePO4 менее чувствительны к быстрому заряду и более устойчивы к деградации, чем Li-ion АКБ остальных видов.
Зарядка АКБ электромобилей
Заряжать аккумуляторные батареи электромобилей можно на специальных зарядных станциях или в домашних условиях от сети 220 В. Встроенные зарядные устройства преобразуют переменный ток сети в подходящий для АКБ переменный ток нужного напряжения. Для зарядки от обычной розетки используются ЗУ мощностью от 3,6 кВт. Они обязательно имеют защиту от короткого замыкания, перезаряда и перегрева.
Зарядка от обычной электросети длится дольше, чем от специальной станции. Например, батарея емкостью 70 кВт·ч может заряжаться от обычной розетки 15–18 часов, а на зарядной станции – не более 5 часов. В режиме быстрой зарядки запас энергии восполняется всего за полчаса или час, но часто использовать этот способ не рекомендуется.
Снижение емкости АКБ
Емкость Li-ion батарей постепенно снижается, даже если они просто лежат на складе. Через несколько лет номинальная емкость АКБ уменьшается на 20–30%. Например, батареи популярных электромобилей Tesla Model S и Nissan Leaf на практике теряют 5–10% емкости за первые 2 года эксплуатации и еще 15–20% за следующие 3 года. В дальнейшем ежегодное снижение емкости у них составляет 1–5%.
В связи с этим сокращается и расстояние пробега на 1 заряде. Так, приобретенный более 5 лет назад Nissan Leaf может преодолевать без подзарядки до 130 км пути, хотя изначально проезжал 160 км. Выпущенные в 2013 году электромобили Tesla Model S и сейчас преодолевают на 1 заряде не менее 200 км, но изначально проезжали 335 км. Похожие тенденции наблюдаются и у экомобилей других марок.
Замена аккумуляторных модулей
Батарея электромобиля состоит из последовательно соединенных модулей, каждый из которых собирается по определенной схеме для получения необходимых значений напряжения и емкости. Если какой-либо модуль поврежден или преждевременно вышел из строя по другой причине, он подлежит замене. Модульная конструкция батарей электромобилей позволяет менять аккумуляторные блоки выборочно.
Но для эффективного применения Li-ion батарей в электромобилях и других видах техники важно, чтобы характеристики всех модулей были максимально идентичными. Если же использовать вместе с новыми модулями старые блоки со значительно меньшей емкостью, они быстрее выйдут из строя.
Утилизация и переработка литиевых АКБ
Для полноценного развития электротранспорта важно организовать безопасную утилизацию и эффективную переработку литиевых батарей. С одной стороны, это важно для экономного расходования природных ресурсов: лития, кобальта, никеля, алюминия и других минералов. С другой стороны, нельзя допустить загрязнения планеты опасными химическими отходами.
Батареи электромобилей подлежат замене в среднем через 8–10 лет эксплуатации, когда их начальная энергоемкость снижается на 30%. Такими аккумуляторами можно оснащать солнечные электростанции и другие системы.
Батареи, полностью отработавшие свой ресурс, подлежат переработке с извлечением и повторным использованием содержащихся в них компонентов. В дальнейшем их можно использовать не только для производства батарей, но и для других целей.
Важный плюс переработки литиевых батарей – возможность сократить добычу минералов, а также снизить стоимость химических элементов и самих аккумуляторов. Ожидается, что именно переработка отходов позволит минимизировать затраты и повысить доступность электромобилей. Пока еще мало батарей электромобилей отработали свой ресурс. Но постепенно их количество будет расти, поэтому переработка аккумуляторных отходов считается очень перспективным и необходимым направлением.
Ранее в блоге VirtusTec вышла статья о том, откуда берется литий для батарей, и почему он дорожает.
Что происходит на рынке сохранения энергии
Аккумуляторы принципиально важны для будущего электромобилей и энергетики в целом. РБК Тренды разбирались, как работает отрасль и в чем ее главная проблема
В традиционной энергетике (ТЭС, АЭС, ГЭС) самой важной составляющей систем была турбина, которая преобразовывала энергию источника в механическую для ее дальнейшего применения. Однако при развитии возобновляемых ветряной и солнечной энергетики на первый план выходят накопители энергии, которые позволят эффективно сохранять полученную энергию. Автомобили будущего тоже не смогут обходиться без эффективных батарей.
Типы энергетических систем
Для захвата энергии, ее сохранения и дальнейшего использования доступны разнообразные технологии. Самыми распространенными считаются системы аккумулирования электрической и тепловой энергии. Такие системы бывают нескольких типов:
- Электрооборудование
Наибольший темп роста хранения энергии за последнее десятилетие пришелся на электрические системы, такие как батареи и конденсаторы. Конденсаторы — это устройства, которые хранят электрическую энергию в виде заряда, накопленного на металлических пластинах. Когда конденсатор подключен к источнику питания, он накапливает энергию, а при отключении от источника высвобождает ее. Батарея же для хранения энергии использует электрохимические процессы. Конденсаторы могут высвобождать накопленную энергию с гораздо большей скоростью, чем батареи, поскольку для химических процессов требуется больше времени.
В системах хранения механической энергии используются базовые идеи физики, которые преобразуют электрическую энергию в кинетическую для хранения и затем преобразуют ее обратно в электрическую для потребления. Такие системы представляют собой большие гидроаккумулирующие плотины, механические маховики и накопители сжатого воздуха.
Плотина Братской ГЭС (Фото: wikipedia.org)
Накопители сжатого воздуха (Фото: electricalschool.info)
Накопление тепловой энергии позволяет хранить ее и использовать позже, чтобы сбалансировать потребность в энергии между дневным и ночным временем или при смене сезонов. Чаще всего это резервуары с горячей или холодной водой, либо расплавленными солями, ледяные хранилища и криогенная техника.
Проект накопителя тепловой энергии с водным хранилищем (Фото: Affiliated Engineers)
Используются обычно при хранении водорода. В них электрическая энергия применяется для выделения водорода из воды посредством электролиза. Затем газ сжимается и хранится для будущего использования в генераторах, работающих на водороде, или в топливных элементах. Этот метод является достаточно энергозатратным. Для конечного использования сохраняется всего 25% энергии.
В разных сферах промышленности и технологий используются различные типы аккумуляторов с отличающимся химических составом. Литий-кобальтовые батареи, более легкие и с высоким напряжением для быстрой зарядки, применяются в смартфонах и прочей бытовой технике. Более выносливые и габаритные литий-титанатные батареи устанавливают в общественном транспорте, в частности, в электробусах. На электростанциях используют малоемкие, но пожаробезопасные литий-фосфатные ячейки.
30-летняя технология
Самыми популярными аккумуляторами энергии по-прежнему остаются литий-ионные. В 2021 году исполнилось 30 лет с момента выхода в продажу первых таких аккумуляторов Sony.
Первые литий-ионные батарейки Sony (Фото: Sony)
Первые прототипы литий-ионных батарей появились еще в 1980-е годы. Тогда физик Джон Гуденаф предложил использовать в батарейках кобальтат лития. В 2019 году он получил за свою идею нобелевскую премию.
Читайте также: Батарея Нобеля: как Джон Гуденаф создал новые отрасли в химии и экономике
В 2000-х годах с ростом производства электромобилей спрос на батареи резко вырос. Тогда в аккумуляторах начали применять железофосфат, который обеспечивает меньшую емкость, но может работать на более высоких токах и не выделяет кислород при высокой температуре. Все это делает аккумуляторы более безопасными, но не решает всех их проблем.
В чем минусы литий-ионных аккумуляторов
- Высокая пожароопасность
При перегреве батарея может взорваться. Для этого достаточно повреждения ее оболочки. Так произошло со смартфонами серии Samsung Galaxy Note 7, в которых из-за тесноты корпуса оболочка аккумулятора со временем перетиралась, внутрь попадал кислород, и устройство загоралось. Именно это побудило авиакомпании требовать перевозить литий-ионные батареи только в ручной клади.
Возгорание смартфона Samsung Galaxy Note 7
- Чувствительность к температурам
Охлаждение и перегрев сильно влияют на параметры аккумулятора. Идеальной считается температура среды +20 °C. При любых отклонениях батарея отдает устройству меньший заряд.
В литий-ионных батареях невозможно хранить энергию годами. Литий-ионные ячейки в неактивном состоянии теряют по 3-5% заряда в месяц, то есть, треть заряда в год.
Литий-ионные батареи в неактивном состоянии подвержены старению. Их рекомендуют хранить заряженными до половины емкости.
Эксперименты в отрасли
Химические источники тока основаны на окислительно-восстановительной реакции между элементами. Литий идеально подходит для этой роли: он обеспечивает оптимальное сочетание напряжения, нагрузки тока и энергетической плотности.
Самыми востребованными являются литий-кобальтовые батареи для потребительской мобильной техники. Они имеют напряжение 3,6 В при сохранении высокой энергоемкости, чего достаточно для зарядки смартфонов. Другие виды литиевых батарей имеют меньшее напряжение, и запитать от них современный смартфон невозможно. Если же пытаться объединить батареи в ячейки, чтобы сделать их более мощными, то вырастут габариты.
Производители уже неоднократно пытались представить разработки-альтернативы литий-ионным батареям в смартфонах.
Так, в 2007 году американский стартап Leyden Energy решил использовать новый электролит и кремниевый катод для литий-ионных батареек. Это позволило увеличить устойчивость аккумуляторов к высоким температурам до 300 °C. Но компании так и не удалось создать аккумулятор со стабильными характеристиками — показатели энергоемкости и устойчивости менялись от экземпляра к экземпляру.
Стартап SolidEnergy, в который инвестировала GM, разрабатывает перезаряжаемые литий-металлические батареи. Они обладают удвоенной энергоемкостью по сравнению с литий-кобальтовыми. Но главной проблемой литий-металлических аккумуляторов остается безопасность. Поскольку в их состав входит чистый металлический литий, он действует активнее, чем ионы лития, а это повышает риск возгорания. Компания разработала специальный электролит, снижающий эту опасность. Но в смартфонах и бытовой электронике таких батарей мы пока не увидим.
Батареи Solid Energy (Фото: nikkei.com)
Toyota работала над серно-магниевыми батареями. Но оказалось, что их невозможно использовать более 50 циклов, так как емкость этих аккумуляторов после этого падает вдвое. Тогда в состав батареи внедрили литий-ионную добавку и довели срок ее службы до 110 циклов. Работы над аккумулятором продолжаются, и пока неясно, получится ли внедрить его в производство.
Компании, которые стремятся предложить аналог литий-ионных батарей, сталкиваются с трудностями.
Главная проблема при создании новых технологий хранения энергии заключается в том, что при улучшении какого-то одного параметра ухудшаются остальные.
Кроме того, крупные компании больше заинтересованы в производстве литий-ионных аккумуляторов, которые отвечают потребностям их продукции. Lux Research сообщала, что вложила в исследование хранения энергии около $4 млрд, а стартапам, создающим «технологии нового поколения», в среднем, досталось по $40 млн. Tesla вложила около $5 млрд в Gigafactory, занимающуюся литий-ионным производством. А США намерены дополнительно субсидировать такое производство, чтобы стать более независимой от внешних рынков страной.
Проблемы рынка
В 2021 году цена кобальта выросла на 40% из-за роста спроса со стороны производителей электромобилей. Основные месторождения кобальта находятся в Демократической Республике Конго. Однако в стране постоянно возникают перебои в цепочках поставок, а также зафиксированы случаи использования детского труда, что оттолкнуло многие компании.
По данным Fastmarkets, цены на самый дорогой в мире металл для производства аккумуляторов в марте 2021 года выросли до $42 за 1 кг. Аналитики предрекают, что к концу 2021 года они достигнут $57, а в 2024 году составят уже $80.
Международное энергетическое агентство отмечает, что в 2020 году продажи электромобилей подскочили на 40%, а в первом квартале 2021 года они выросли вдвое по сравнению с аналогичным периодом прошлого года.
Эндрю Миллер, директор по продуктам Benchmark Mineral Intelligence, говорит, что рынок пока наблюдает рост цен на кобальт, но к концу 2021 года может столкнуться с реальным дефицитом предложения.
Существует еще одна проблема, связанная с пандемией коронавируса и ее последствиями. В связи с сохраняющимся дефицитом чипов на глобальном рынке их также недополучают производители электромобилей.
Крупнейшие мировые автопроизводители признали дефицит микрочипов в начале 2021 года. Nissan, Honda и Ford были вынуждены сократить объемы выпускаемых автомобилей и закрыть некоторые свои заводы. Hyundai Motor был вынужден приостановить сборку автомобилей в Южной Корее. Позднее, в апреле, Ford и General Motors начали выпускать электромобили в некомплектном состоянии. Производители пообещали, что добавят нужную электронику в свои авто, когда появится такая возможность.
Гендиректор Tesla Илон Маск связал рост цен в цепочках поставок с удорожанием стоимости электромобилей Model 3 и Model Y. Однако, по его мнению, дефицит микрочипов продлится недолго.
Пути решения
Автоконцерн General Motors в сотрудничестве с SolidEnergy Systems организовал прроизводство аккумуляторов Ultium для своих электромобилей. Они будут включать жидкий электролит, аноды на базе графита и катоды с комбинацией никеля, кобальта, марганца и алюминия. Это снизит потребность в дефицитных металлах, а также позволит удвоить плотность хранения заряда в аккумуляторах без ущерба для безопасности. Цена аккумуляторов при этом опустится на 50‒60%, их масса сократится. GM рассчитывает снизить стоимость хранения 1 кВт‧ч электроэнергии с $150 до $100 к 2025 году.
В Китае появляется все больше электромобилей на альтернативных литий-железо-фосфатных аккумуляторах. Они дешевле и менее токсичные, однако имеют меньшую емкость. Их используют Tesla Model 3, китайский автопроизводитель BYD, а скоро начнет внедрять Volkswagen. Но пока на ЛЖФ-аккумуляторы приходится всего 14% рынка, а к 2030 году этот показатель составит от 15% до 20%.
Tesla и Volkswagen также обещают в ближайшие годы сократить использование кобальта. В 2020 году Илон Маск провел специальную онлайн-презентацию под названием Tesla Battery Day, в ходе которой он заявил, что в течение трех лет Tesla наладит серийное производство нового поколения аккумуляторов, которые будут существенно мощнее и долговечнее нынешних, а обойдутся вдвое дешевле (примерно в $25 000).
Новая аккумуляторная батарея Tesla 4680 имеет в шесть раз большую мощность, чем предшественники, и в пять раз большую энергоемкость. При этом ее размер составляет всего 46х80 мм. Tesla решила проблему терморегулирования, создав конструкцию цилиндрической формы, и внедрила новые технологии, чтобы сократить путь прохождения энергии внутри конструкции.
Новая батарея Tesla (Фото: Tesla)
Успешный гибрид
Пока ведутся разработки альтернатив литий-ионным аккумуляторам, компании ищут пути более эффективного сохранения энергии. Успешным вариантом использования усовершенствованных литий-ионных батарей стало их встраивание в гибридные энергетические системы.
В промышленной энергетике такие системы получили развитие в 2020-е годы. Они позволяют объединить преимущества нескольких способов аккумулирования и сохранения энергии. Одним из ярких примеров являются аккумуляторные станции Tesla.
Первую такую станцию построила Tesla в Южной Австралии в 2017 году. Строительство заняло всего три месяца. Компания обещала, что при превышении этого срока страна получит батарею бесплатно.
Станция Tesla в Южной Австралии (Фото: electrek.co)
Hornsdale Power Reserve построена на промышленных литий-ионных аккумуляторах Tesla Powerpack и инверторах, произведенных на Gigafactory. Она имеет мощность 100 МВт и может обеспечивать электричеством более 30 тыс. домохозяйств. Станция обеспечила снижение расходов на эксплуатацию сети региона примерно на 90%. За первые дни ее работы расходы на обслуживание сети снизились на $1 млн.
Южная Австралия получает энергию преимущественно из солнечных батарей и ветрогенераторов. Но иногда необходимо задействовать газогенераторы, подключенные к паровым турбинам, и вырабатывать недостающую часть энергии.
Аккумуляторная батарея Tesla накапливает энергию, когда она подается в сеть региона в избытке, а потом отдает ее обратно, когда возникает дефицит. Таким образом, потребность в газогенераторах отпадает.
Кроме того, батарея реагирует на перепады в электросети. Когда произошло внезапное отключение угольной электростанции Loy Yang A 3, станция Tesla среагировала на 4 секунды быстрее, чем резервный генератор частотного контроля и вспомогательных услуг (FCAS) в Квинсленде.
По расчетам чиновников, емкость батареи составляет около 2% от условной емкости всей сети, однако это дает 55% экономии на эксплуатационных расходах.
У системы есть и минусы. Станция включается всего на несколько минут, поэтому неизвестно, сколько циклов заряда выдержат ее батареи, прежде чем их придется заменить.
Тем не менее, в Австралии уже запланировано строительство подобных аккумуляторных систем в Южной Австралии, на Северной территории, в Квинсленде и Новом Южном Уэльсе.
Теперь Tesla собирается подключить гигантскую батарею к электросети Техаса. Компания строит станцию хранения энергии мощностью более 100 МВт в техасском Англтоне.
Батареи Tesla в Техасе (Фото: Tesla)
Батарея сможет обеспечивать энергией около 20 тыс. домов. Детали конструкции пока не разглашаются, а сам проект держится в секрете.
В Нидерландах в 2020 году была введена в эксплуатацию гибридная система накопления энергии из литий-ионных аккумуляторов производства швейцарской компании Leclanché и механических накопителей от голландского разработчика S4 Energy. Литий-ионные батареи имеют мощность 8,8 МВт и емкость 7,12 МВт·ч, они работают вместе с шестью маховиковыми системами KINEXT общей мощностью 3 МВт. Таким образом, объект аккумулирует 1 ГВт энергии, которую использует местный системный оператор TenneT для стабилизации энергосистемы. Маховики позволят продлить срок службы батарей как минимум до 15 лет.
В других странах подобные проекты находятся на стадии разработки и внедрения. Подробнее о них РБК Тренды расскажут в следующем материале.
Перспективы рынка аккумуляторов
Исследователи Европейского патентного ведомства и Международного энергетического агентства в 2020 году проанализировали зарегистрированные с 2000 по 2018 годы патенты на изобретения и разработки в сфере аккумуляторных батарей и накопителей энергии. Они сделали вывод, что за последние десять лет число патентов в сфере хранения электроэнергии росло существенно быстрее других сфер. Выяснилось также, что оно еще в 2011 году превысило число патентов из области батарей для мобильной бытовой электроники меньшей емкости.
Согласно подсчетам авторов работы, пристальное внимание к литий-ионным технологиям привело к тому, что с 2010 года аккумуляторы для электромобилей подешевели почти на 90%, а для стационарных установок в электроэнергетике — на две трети.
Девять из десяти крупнейших обладателей патентов — это азиатские компании. Семь из них во главе с Panasonic и Toyota базируются в Японии, а еще две — Samsung и LG — Electronics в Южной Корее. Единственный представитель другого региона — немецкий концерн Bosch — занял пятое место.
То, что в этом направлении активно идет развитие, подтверждает и исследование BloombergNEF, аналитики которого выяснили, что средняя цена литий-ионных аккумуляторов упала с $688 до $137 за киловатт-час за 2013−2020 годы. Они прогнозируют, что к 2023 году цены будут близки к $100 за кВт·ч.
Средняя цена литий-ионных аккумуляторов
Средняя цена на аккумуляторы для электромобилей составила $126/кВт·ч. Таким образом, стоимость батарейного блока в общей цене автомобиля снизилась до 21%.
К 2030 году стоимость аккумуляторов может снизиться до $58 за кВт·ч за счет новых технологических достижений.
Как работает литий-ионный аккумулятор электромобиля — Easy Electric Life
Впервые поступив в продажу в 1991 году, литий-ионный аккумулятор был первоначально создан для сектора бытовой электроники. Он быстро стал применяться в других приложениях и в конечном итоге стал стандартом для всех устройств, требующих портативной перезаряжаемой батареи. Он вытеснил никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металлогидридные (Ni-MH) технологии.
Работа литий-ионной батареи
Принцип, лежащий в основе литий-ионной батареи, заключается в циркуляции электронов путем создания разности потенциалов между двумя электродами, одним отрицательным и другим положительным, которые погружены в проводящую ионную жидкость, называемую электролит.Когда батарея питает устройство, электроны, накопленные в отрицательном электроде, высвобождаются через внешнюю цепь и перемещаются к положительному электроду: это фаза разряда. И наоборот, когда аккумулятор заряжается, энергия, поставляемая зарядным устройством, отправляет электроны обратно от положительного электрода к отрицательному.
Различные типы батарей различаются типами ионов, материалами электродов и соответствующими электролитами. В 12-вольтовой свинцово-кислотной батарее, которая традиционно использовалась для питания стартера автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, например, используется электролит, содержащий ионы свинца, и электроды на основе свинца.Что касается литий-ионного аккумулятора, в нем используются ионы лития (Li +): отсюда и название этой технологии.
Литий-ионный аккумулятор, такой как аккумулятор внутри автомобиля, например ZOE, спроектирован как сборка отдельных аккумуляторных блоков (ячеек), соединенных друг с другом и контролируемых специальной электронной схемой. Количество ячеек, размер каждой ячейки и способ их расположения определяют как напряжение, подаваемое батареей, так и ее емкость, то есть количество электричества, которое она может хранить.Обычно это выражается в ватт-часах (Втч) или в киловатт-часах (кВтч) в автомобильной промышленности.
Свойства литий-ионных аккумуляторов
Литий-ионные аккумуляторы можно найти как в бытовой электронике (телефоны, ноутбуки), так и в электромобилях. Основная причина такого масштабного успеха, по сути, заключается в плотности хранения, которую позволяет литий-ионная технология.
Это понятие плотности относится к соотношению между емкостью аккумулятора, обеспечиваемой аккумулятором, и его объемом или весом.Для сравнения: литий-ионный аккумулятор имеет плотность от 300 до 500 Втч / кг, то есть примерно в десять раз больше, чем свинцово-кислотный аккумулятор.
Пока мы ждем потенциального развития таких инноваций, как твердотельные батареи, литий-ионная технология сегодня представляет собой лучший компромисс между емкостью, объемом и массой в секторе электромобилей. Он предлагает высокое напряжение, легкую подзарядку и долговечность, которые поддаются сценариям использования, дополняющим друг друга на протяжении всего жизненного цикла, в соответствии с принципами циркулярной экономики .
Авторские права: Pagecran, Olivier Le Moal
Все электромобили в вашей стране
Откройте для себя наш ассортиментЧитайте также
Электромобиль
Различные способы хранения энергии
10 июня 2021
Посмотреть большеЭлектромобиль
Все, что нужно знать о подключаемом гибридном автомобиле
10 июня 2021
Посмотреть большеЭлектромобиль
Все, что нужно знать о зарядке гибридного автомобиля
09 июня 2021
Посмотреть больше| 1. | КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ И ВЫВОДЫ |
| 1.1. | Что такое электромобиль? |
| 1.2. | Цель данного отчета и обзора |
| 1.3. | Первичные выводы: рынки |
| 1.4. | Основные выводы: технические |
| 1.5. | Соответствие производственных обязательств LIB спросу на EV LIB без ограничения предложения |
| 1.5.1. | Пятерка крупнейших мегазаводов LIB 2019 |
| 1.6. | Сравнение основных категорий приложений электромобилей |
| 1.7. | Факторы успеха чистых электромобилей: значение LIB |
| 1.7.1. | Диапазон способствует успеху: требуются батареи большего размера |
| 1.7.2. | Оснащенные рынки увеличивают продажи |
| 1.8. | Очень большой LIB: сейчас растущий рынок |
| 1.9. | Анализ рынка электромобилей |
| 1.9.1. | Крупнейшие производители гибридных и чисто электрических электромобилей и их будущее |
| 1.9.2. | Прогноз основных категорий электромобилей — шт. |
| 1.9.3. | Подключаемый модуль для анализа легковых автомобилей |
| 1.10. | Анализ емкости Plug-in для легковых автомобилей |
| 1.10.1. | Ключевые производители электромобилей — требования к аккумуляторам |
| 1.11. | Прогноз спроса на литий-ионные батареи (ГВтч) |
| 1.11.1. | Прогноз спроса на LIB электромобилями |
| 1.12. | 100 Категории EV: прогнозные допущения, характеристики, лидеры |
| 1.12.1. | Прогнозы по автомобилям сильно разнятся |
| 1.13. | Как снизить стоимость электромобиля |
| 1.13.1. | Стоимость аккумуляторного блока LIB 2005-2030 гг. |
| 1.13.2. | Прогноз стоимости ячейки IDTechEx LIB по приложению |
| 1.13.3. | Убийственный удар — более низкая начальная цена, так как стоимость LIB снижается. |
| 1.14. | LIB пожары в электромобилях и пути к улучшению |
| 2. | ВВЕДЕНИЕ |
| 2.1. | Основы электромобилей |
| 2.1.1. | Обзор |
| 2.1.2. | Как силовые агрегаты влияют на потребности литий-ионных аккумуляторов |
| 2.2. | Аккумуляторная батарея, основные сведения |
| 2.2.1. | Как выглядит 1 киловатт-час (кВтч)? |
| 2.2.2. | Литий-ионные аккумуляторы пользуются огромным успехом |
| 2.2.3. | Основные параметры АКБ — разбивка производственных затрат ЛИА |
| 2.2.4. | Преимущества литий-ионных аккумуляторов |
| 2.2.5. | Проблемы с LIB |
| 2.3. | Китайская цепочка создания стоимости аккумуляторных батарей для электромобилей |
| 2.4. | Влияние политики субсидирования на литий-ионный рынок |
| 2.5. | Национальный план для батареи xEV в Китае: требуется гораздо лучшая производительность LIB |
| 2.6. | LIB являются частью тенденции к гораздо меньшей сложности |
| 2.7. | Сейчас необходимы более прочные версии |
| 2.7.1. | Новые рынки |
| 2.8. | Утилизация литий-ионных аккумуляторов |
| 2.9. | Прогресс до менее и без батареи |
| 2.9.1. | Бизнес-кейс Грузовик на топливных элементах Nikola |
| 2.9.2. | Для грузовиков класса 8 победит топливный элемент или аккумулятор? |
| 3. | ЛИТИЙ-ИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ |
| 3.1. | Генеалогическое древо аккумуляторов — литиевых |
| 3.2. | LIB-химикаты для электромобилей |
| 3.3. | Коммерческие технологии упаковки аккумуляторов |
| 3.4. | Сравнение коммерческих технологий упаковки аккумуляторов |
| 3.5. | Влияние химического состава аккумулятора на заряд / разряд |
| 3.6. | Полезные диаграммы для сравнения производительности |
| 3.7. | Литий-ионное сырье в перспективе |
| 3.8. | Как можно улучшить LIB? |
| 3.8.1. | Обзор |
| 3.8.2. | Толкающие и вытягивающие факторы в исследованиях литий-ионных аккумуляторов |
| 3.8.3. | Оценка изменения химического состава катода: никель вверх, кобальт вниз |
| 3.8.4. | Слишком быстрое изменение? |
| 3.9. | Производительность растет, стоимость снижается |
| 3.10. | Стоимость LIB |
| 3.10.1. | Взгляд General Motors на цены на аккумуляторы |
| 3.11. | Пытаемся поймать Tesla: форматы и типы автомобильных аккумуляторов |
| 3.12. | Зарядка при движении автомобиля и энергонезависимость означает меньший расход батареи |
| 3.13. | Конструкционные батареи? |
| 3.14. | Отсутствие стандартизации аккумуляторных блоков |
| 3.15. | Сухие процессы для более высокой плотности энергии |
| 4. | ПОВЫШЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ЭНЕРГИИ |
| 4.1. | Плотность энергии в контексте |
| 4.2. | Лучшие батареи с более широким напряжением ячеек |
| 4.3. | Увеличенная емкость электрода |
| 4.4. | Электрохимически неактивные материалы снижают плотность энергии |
| 4.5. | Улучшения анодов: чистый кремний, анодные материалы с преобладанием кремния, с высоким содержанием кремния и с преобладанием графита |
| 4.6. | Сравнительное сравнение 11 производителей кремниевых аккумуляторов |
| 4.7. | Beyond Li-ion: новый химический состав аккумуляторов |
| 4.8. | Новые некоммерческие аккумуляторные технологии |
| 4.9. | Оценка технологии: полимер, LLZO, LATP, LGPS |
| 4.10. | Что такое твердотельный аккумулятор (SSB)? |
| 4.11. | Как твердотельные батареи могут повысить производительность? |
| 4.11.1. | Сотрудничество / приобретение твердотельных аккумуляторов производителями оригинального оборудования |
| 4.11.2. | Закрытый штабель |
| 4.12. | Количественное улучшение плотности энергии |
| 4.13. | Требования к плотности энергии |
| 4.14. | NMC 811 выходит на дорогу |
| 5. | СУПЕРКОНДЕНСАТОР VS LIB |
| 5.1. | Суперконденсаторы и гибриды LIB |
| 5.2. | Еще лучшие батареи и суперконденсаторы — реальная перспектива: будущее Вт / кг против Втч / кг |
| 5.3. | Суперконденсаторы в автомобильной отрасли: примеры |
| 5.4. | Проникновение трансмиссии |
| 5.5. | Суперконденсаторы в автомобильной отрасли 2010-2030 гг. |
| 5.6. | Повышение производительности и универсальность |
| 5.7. | Суперконденсаторные автобусы |
| 5.8. | Погрузочные машины -LIB в США или суперконденсатор в Китае? |
| 5.9. | Конструкционные суперконденсаторы ZapGo, Lamborghini, Volvo: последует ли LIB? |
| 6. | ТЕПЛОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ПОЖАРА АККУМУЛЯТОРОВ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ |
| 6.1. | Управление температурным режимом батареи — Введение |
| 6.2. | Химический состав клеток влияет на вероятность теплового разгона |
| 6.3. | Анализ способов охлаждения АКБ |
| 6.4. | Охлаждение табуляции — решение проблемы? |
| 6.5. | Управление температурой — обзор блока и модуля |
| 6.6. | Thermal Interface Material (TIM) — обзор упаковки и модуля |
| 6.7. | TIM — Опции и сравнение рынков |
| 6.8. | TIM: силиконовая дилемма |
| 6.9. | TIM: проводящие игроки |
| 6.10. | TIM: альтернативные силиконы |
| 6.11. | Изоляционные пенопласты между ячейками |
| 6.12. | Теплораспределители или вкрапленные охлаждающие пластины — карманные и призматические |
| 6.13. | Активные решения для межэлементного охлаждения — цилиндрические |
| 6.14. | TIM: материалы для фазового перехода |
| 6.15. | Иммерсионное охлаждение |
| 6.16. | Противопожарная защита — введение |
| 6.16.1. | Текущие литий-ионные пожары и взрывы |
| 6.16.2. | Неправильная зарядка: Porsche, Smart |
| 6.17. | Следующие отказы литий-ионных аккумуляторов и задержки производства из-за срезания углов? |
| 6.18. | Предотвращение теплового разгона — обзор |
| 6.18.1. | Предотвращение теплового разгона — между ячейками цилиндрической формы |
| 6.18.2. | Предотвращение теплового разгона — между ячейками цилиндрической формы |
| 6.19. | Предотвращение короткого замыкания АКБ |
| 7. | ПРОИЗВОДСТВО LIB |
| 7.1. | Что отличает аккумуляторную промышленность |
| 7.2. | Различия между ячейкой, модулем и упаковкой |
| 7.3. | Цепочка поставок электромобилей — не только электрохимия |
| 7.4. | Производственная система LIB |
| 7.5. | Производственная система LIB — от ячейки к модулю |
| 7.6. | Производственная система LIB — от модуля к упаковке |
| 7.7. | Пилотная линия аккумуляторной батареи и вопросы расширения |
| 7.8. | Потребность в сухом помещении |
| 7.9. | Перемешивание электродной суспензии |
| 7.10. | Методы штабелирования |
| 7.11. | Мировой лидер: CATL China |
| 8. | БАТАРЕИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ |
| 8.1. | Списанные батареи электромобилей могут иметь вторую жизнь перед переработкой |
| 8.2. | Временная шкала реализаций второго использования батареи |
| 8.3. | Основные предприятия вторичного использования аккумуляторов |
| 8.4. | Нормативно-правовая база для вторичного использования аккумуляторов |
| 8.5. | Батарея вторичного использования соединяет цепочки создания стоимости электромобиля и утилизации батареи |
| 8.6. | Целевые рынки для вторичных аккумуляторов |
Являются ли литий-ионные батареи в электромобилях пожарной опасностью?
General Motors Co. расширила отзыв своих электромобилей Chevrolet Bolt из-за риска возгорания из-за литий-ионных аккумуляторных элементов карманного типа, произведенных южнокорейской LG.
Отзыв, второй по значимости, касается аккумуляторов, произведенных LG Energy Solution (LGES) LG Chem, подчеркивает проблемы, с которыми сталкиваются производители аккумуляторов при создании стабильного продукта для питания электромобилей.
КАК РАБОТАЕТ ЛИТИЙ-ИОННАЯ БАТАРЕЯ?
Ячейкибывают разных форм и размеров, но в большинстве из них есть три основных элемента: электроды, электролит и сепаратор.
Электроды накапливают литий. Электролит переносит ионы лития между электродами.Сепаратор предотвращает контакт положительного электрода с отрицательным электродом.
Энергия в форме электричества разряжается из аккумуляторного элемента, когда ионы лития текут от отрицательного электрода или анода к положительному электроду или катоду. Когда элемент заряжается, эти ионы текут в противоположном направлении, от катода к аноду.
ПОЧЕМУ ЛИО-ИОННЫЕ БАТАРЕИ ПРЕДСТАВЛЯЮТ ОПАСНОСТЬ ПОЖАРА?
Литий-ионные батареи, независимо от того, используются ли они в автомобилях или электронных устройствах, могут загореться, если они были изготовлены ненадлежащим образом или повреждены, или если программное обеспечение, управляющее батареей, неправильно спроектировано.
Основным недостатком литий-ионных аккумуляторов в электромобилях является использование органических жидких электролитов, которые являются летучими и легковоспламеняющимися при работе при высоких температурах. Внешняя сила, такая как авария, также может привести к утечке химикатов.
«Для пожаров электромобилей всегда было очень трудно определить точную первопричину пожара, потому что чрезвычайно сложно« воспроизвести »пожар в тех же условиях», — сказал Ким Пил Су, профессор автомобильной инженерии. в университете Даэлим.
Кроме того, органы власти, производители автомобилей и аккумуляторов часто не раскрывают точную степень риска для безопасности.
ЧТО ВЫЗЫВАЛО ПОЖАРЫ НА БОЛТАХ И КОНАСЕ?
В феврале министерство транспорта Южной Кореи заявило, что некоторые дефекты были обнаружены в некоторых аккумуляторных элементах, изготовленных на заводе LGES в Китае и используемых в электромобилях Hyundai Motor, включая Kona EV. Отзыв Hyundai стоил около 1 триллиона вон (854 миллиона долларов).
GM заявила, что батареи, поставляемые LG для Bolt EV и Bolt EUV, могут иметь два производственных дефекта — оторванный анодный язычок и сложенный сепаратор — присутствующие в одном и том же аккумуляторном элементе, что увеличивает риск возгорания.
БАТАРЕИ КАРМАННОГО ТИПА БОЛЕЕ УЯЗВИМЫ?
Все три типа литий-ионных аккумуляторов, используемых в настоящее время в электромобилях — цилиндрические, призматические и карманные — в основном одинаковы по функциональности, но у каждого есть свои плюсы и минусы.
Цилиндрические и призматические батареи выполнены из твердых материалов. В мешочках используется запаянная гибкая пленка и они защищены тонкими металлическими мешками.
Технология, используемая в цилиндрических батареях, устарела и дает стабильные результаты.Эти ячейки могут выдерживать высокое внутреннее давление без деформации. Кроме того, они дешевле, что делает их идеальными для массового производства. Но они тяжелее, и их форма не позволяет элементам упаковываться так же плотно, как и батареи других форм. Tesla Inc в основном использует цилиндрические батареи, некоторые из которых поставляются LGES.
Призматические батареи считаются более безопасными и легкими, чем цилиндрические элементы, и, поскольку они имеют прямоугольную форму, их можно упаковать более плотно. Они оптимизируют пространство лучше, чем цилиндрические элементы, но, как правило, дороже и имеют более короткий жизненный цикл.Также они могут набухать.
По сравнению с цилиндрическими и призматическими элементами, аккумуляторные элементы карманного типа позволяют изготавливать более легкие и тонкие элементы, а также гибкость конструкции для различных емкостей и требований к пространству для различных моделей транспортных средств. Однако они уязвимы для вздутия и более уязвимы при авариях, что создает большую опасность возгорания.
GM и Hyundai Motor используют карманные аккумуляторные элементы от LG Energy Solution (ранее LG Chem). Ранее в этом году Volkswagen заявил, что откажется от карманных ячеек, производимых LG и SK Innovation Co.ООО на призматическую технику.
ЕСТЬ ДРУГИЕ РЕШЕНИЯ?
Такие компании, как китайская BYD Co., производят аккумуляторные элементы для электромобилей, в которых используются катоды из фосфата лития и железа, которые менее подвержены возгоранию, но не способны накапливать столько энергии, как стандартные элементы, в которых используются никель-кобальт-марганцевые катоды.
Другие компании, включая GM, тестируют различные химические соединения, такие как никель-кобальт-марганец-алюминий (NCMA), в которых используется меньше кобальта, что делает элементы более стабильными и дешевыми.
Китайский производитель аккумуляторов CATL представил в прошлом месяце натриево-ионный аккумулятор, не содержащий лития, кобальта или никеля.
Ряд компаний, включая Toyota Motor Corp., также разрабатывают аккумуляторные элементы с твердотельными электролитами, которые могут свести к минимуму проблемы перегрева и риски возгорания, но коммерциализация может занять еще три-пять лет.
(1 доллар = 1170,5800 вон) (Репортаж Хикён Янга в Сеуле; сценарий Саятани Гош; редакция Дэвида Холмса)
Верхнее фото: Автономные испытательные автомобили Chevrolet Bolt EV собираются на заводе General Motors Orion Assembly в Орион Тауншип, штат Мичиган.(Фото Джеффри Согера для General Motors)
Натриевые батареимогут привести в действие ваш новый электромобиль
Натрий — распространенный элемент, который обычно добывают из кальцинированной соды, но его можно найти практически везде, в том числе в морской воде и в торфе с болот. Это также хорошо подходит для приложений, которые описывает Мэн. Ионы немного тяжелее и крупнее, чем у лития, а это значит, что вы не можете упаковать столько энергии в маленькое пространство, например, в брюхе автомобиля.«Там, где натриевые батареи могут оказать большое влияние, так это в электросети», — объясняет Нурия Тапиа-Руис, профессор Ланкастерского университета и директор инициативы Института Фарадея по натриевым батареям. Эти батареи могут быть немного больше или тяжелее, но это не имеет значения, потому что они просто должны сидеть плотно.
Исторически, по словам Тапиа-Руиса, натриевые батареи не использовались отчасти из-за химической стабильности. Хотя натрий и литий являются периодическими соседями, они существуют в параллельных химических вселенных, по-разному реагируя с различными элементами и соединениями.Это означает, что переход на натрий требует разработки новых материалов для катода и анода батареи, положительных и отрицательных электродов, которые захватывают и выделяют ионы по мере того, как батарея заряжается, а затем расходуется. Одна из особых проблем заключается в том, что химические реакции внутри батареи могут разъедать электролит, который находится между электродами, сокращая срок службы батареи или создавая риск образования металлического натрия, который может быть взрывоопасным. Другая проблема заключается в том, что энергоемкие натриевые батареи обычно содержат никель, как и многие литиевые батареи.Исключение этого металла — ключевая задача исследователей, хотя и трудная. «Но это правильно, потому что вы хотите создать экологически безопасную и экологически чистую технологию», — говорит Тапиа-Руис.
Но горстка лабораторий и стартапов, все еще работающих с натрием, за последние десятилетия добилась небольшого прогресса. Калифорнийский стартап Natron производит натриевые батареи в основном для резервного питания промышленных предприятий и центров обработки данных. Компания использует материал под названием берлинский синий в качестве основы для своих электродов, разновидность раннего синтетического пигмента, который использовался в культовых картинах, в том числе Under the Great Wave Off Kanagawa . Внутри батареи конструкция не особо энергоемкая даже по натриевым меркам. Но одно из преимуществ, по словам Джека Пуше, вице-президента компании по продажам, заключается в том, что «наша цепочка поставок может быть местной». Он содержит обычные элементы, такие как натрий, марганец и железо, а завод находится в Санта-Кларе, штат Калифорния. Из-за того, что ему не хватает накопителя энергии, аккумулятор может быстро заряжать и распределять эту энергию. Oomph за пределами диапазона. Компания надеется, что ее аккумуляторы можно будет использовать для быстрой зарядки электромобилей, когда электросеть сильно разряжена.По словам Пуше, Natron планирует установить такие устройства в Сан-Диего.
«Я думал, что у всех будет холодильник для электронов в вашем доме, как у вас есть холодильник для еды».
Ширли Мэн, специалист по аккумуляторным батареям, Калифорнийский университет в Сан-Диего
Другой шаг компании — безопасность. Пуше указывает на инциденты при хранении аккумуляторных батарей, в том числе на крупный пожар на аккумуляторном предприятии в Австралии и перегрев на другом предприятии в Калифорнии, которые вызывают озабоченность по поводу целесообразности установки аккумуляторов в общий дом, какими бы редкими ни были эти пожары.«Я бы не хотел, чтобы это было в моем гараже», — говорит он. На веб-сайте компании есть демонстрационные видеоролики о раздавливании и нагреве аккумуляторных батарей и стрельбе по ним из пистолета, и все это без видимых проблем.
Но в целом безопасность натриевых батарей «не идеальна», говорит Мэн, и это зависит от конкретной конструкции батареи. Все сводится к соединению правильного катода и электролита, а устранение риска возгорания труднее для более энергоемких аккумуляторов, таких как автомобильные, или аккумуляторов, предназначенных для распределения энергии в течение более длительного периода времени, таких как сетевые аккумуляторные батареи.
Объяснитель: Как твердотельные батареи улучшат электромобили?
Мужчина проходит мимо логотипа Toyota на Токийском автосалоне в Токио, Япония, 24 октября 2019 г. REUTERS / Edgar Su / File Photo
ТОКИО / СИНГАПУР, 7 сентября (Рейтер) — Твердотельные батареи могут быть игрой Чейнджер для электромобилей (EV), накапливая больше энергии, быстрее заряжаясь и предлагая большую безопасность, чем жидкие литий-ионные батареи, помогая ускорить переход от автомобилей, работающих на ископаемом топливе.
чем они отличаются от жидких литий-ионных аккумуляторов?
В твердотельных батареях используются тонкие слои твердых электролитов, которые переносят ионы лития между электродами.
Литий-ионные (литий-ионные) батареи используют жидкие электролиты и имеют сепараторы, которые предотвращают контакт положительного электрода с отрицательным электродом. подробнее
В настоящее время твердотельные батареи используются в таких устройствах, как кардиостимуляторы и умные часы.
По мнению экспертов, массовое производство этих аккумуляторов для электромобилей займет от трех до пяти лет.
КАКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ТВЕРДЫХ АККУМУЛЯТОРОВ?
Они, вероятно, будут более безопасными и стабильными, чем жидкие литий-ионные батареи, в которых электролит летуч и воспламеняется при высоких температурах. Это делает электромобили, в которых используются литий-ионные аккумуляторы, более уязвимыми к пожарам и утечкам химических веществ.
Повышенная стабильность означает более быструю зарядку и снижает потребность в громоздком защитном оборудовании.
Они могут удерживать больше энергии, чем жидкие литий-ионные аккумуляторы, помогая ускорить переход с бензиновых автомобилей на электромобили, поскольку водителям не нужно будет так часто останавливаться, чтобы зарядить свои автомобили.
ПОЧЕМУ ТРУДНО ПРОИЗВОДИТЬ ТВЕРДЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ?
Автопроизводители и технологические компании производили твердотельные литий-ионные аккумуляторные батареи по одному в лаборатории, но пока не смогли масштабировать их до массового производства.
Трудно сконструировать твердый электролит, который был бы стабильным, химически инертным и все же хорошо проводил бы ионы между электродами. Их производство дорого, и они склонны к растрескиванию из-за хрупкости электролитов, когда они расширяются и сжимаются во время использования.
В настоящее время производство твердотельного элемента обходится примерно в восемь раз дороже, чем жидкий литий-ионный аккумулятор, считают эксперты.
КТО ПЫТАЕТСЯ ИХ СДЕЛАТЬ?
Японская Toyota Motor Corp (7203.T) — один из лидеров по массовому производству твердотельных аккумуляторов. Он заявил, что борется с их коротким сроком службы, но все еще намерен начать их производство к середине 2020-х годов. подробнее
В дополнение к внутренним исследованиям Toyota она объединилась с японской Panasonic Corp (6752.T) для разработки этих блоков питания вместе со своим предприятием Prime Planet Energy & Solutions Inc.
Пройдя по пятам, немецкий Volkswagen (VOWG_p.DE) инвестировал в поддерживаемую Биллом Гейтсом американскую компанию по производству аккумуляторов QuantumScape Corp (QS.N), которая намерена в 2024 году представить свою батарею для электромобилей VW и, в конечном итоге, для других автопроизводителей.
VW заявляет, что аккумулятор будет предлагать на 30% больший запас хода по сравнению с жидким аккумулятором и заряжается до 80% емкости за 12 минут, что вдвое меньше, чем у самых быстрых литий-ионных аккумуляторов, доступных в настоящее время.
Stellantis (STLA.MI), образованная в январе в результате слияния итальянско-американского автопроизводителя Fiat Chrysler и французской PSA, имеет предприятие под названием Automotive Cells Co с TotalEnergies (TTEF.PA) и партнерство с китайской Contemporary Amperex Technology Co Ltd. (CATL) (300750.SZ). Stellantis намеревается представить твердотельные батареи к 2026 году. Подробнее
Ford Motor Co (FN) и BMW AG (BMWG.DE) инвестировали в стартап Solid Power, который заявляет, что его твердотельная технология может обеспечить на 50% больше удельной энергии чем нынешние литий-ионные батареи.Ford рассчитывает сократить расходы на аккумуляторные батареи на 40% к середине десятилетия. подробнее
Южнокорейский Hyundai Motor (005380.KS), инвестировавший в стартап SolidEnergy Systems, планирует массовое производство твердотельных аккумуляторов в 2030 году. подробнее
Samsung SDI Co Ltd (006400.KS), дочерняя компания Компания Samsung Electronics Co Ltd (005930.KS) работает над разработкой твердотельных аккумуляторов.
Лидер рынка электромобилей Tesla Inc (TSLA.O) до сих пор не заявила, что хочет разрабатывать или использовать твердотельные элементы в своих автомобилях.
Репортаж Саятани Гоша в Сингапуре и Тима Келли в Токио; Под редакцией Эдмунда Блэра
Наши стандарты: принципы доверия Thomson Reuters.
Миллионы аккумуляторов электромобилей выйдут из эксплуатации в следующем десятилетии. Что происходит с ними? | Окружающая среда
В богатых странах ожидается цунами электромобилей, поскольку автомобильные компании и правительства обещают увеличить их количество — по прогнозам, к 2030 году будет 145 метров дорог. Но, хотя электромобили могут сыграть важную роль в сокращении выбросов, они также содержат потенциальную экологическую бомбу замедленного действия: их батареи.
По одной из оценок, до 2030 года ожидается вывод из эксплуатации более 12 миллионов тонн литий-ионных батарей.
Не только эти батареи требуют большого количества сырья, в том числе лития, никеля и кобальта, добыча которого имеет климатические условия. , воздействие на окружающую среду и права человека — они также угрожают оставить гору электронных отходов, когда достигнут конца своей жизни.
По мере того, как автомобильная промышленность начинает трансформироваться, по мнению экспертов, настало время спланировать, что произойдет с батареями по окончании их срока службы, чтобы уменьшить зависимость от добычи полезных ископаемых и сохранить материалы в обращении.
Вторая жизньСотни миллионов долларов текут в стартапы и исследовательские центры по переработке отходов, чтобы выяснить, как разобрать разряженные батареи и извлечь ценные металлы в больших масштабах.
Но если мы хотим добиться большего с имеющимися у нас материалами, вторичная переработка не должна быть первым решением, — сказал Джеймс Пеннингтон, возглавляющий программу экономики замкнутого цикла Всемирного экономического форума. «Лучшее, что можно сделать вначале, — это продлить срок эксплуатации оборудования», — сказал он.
«В конце первого использования в электромобилях остается много емкости [батареи]», — сказала Джессика Рихтер, изучающая экологическую политику в Университете Лунда. Эти батареи могут больше не работать на транспортных средствах, но они могут иметь вторую жизнь, накапливая избыточную энергию, генерируемую солнечными или ветряными электростанциями.
Несколько компаний проводят испытания. Энергетическая компания Enel Group использует 90 аккумуляторов, снятых с производства автомобилей Nissan Leaf, в хранилище энергии в Мелилье, Испания, которое изолировано от национальной сети Испании.В Великобритании энергетическая компания Powervault в партнерстве с Renault оснастила бытовые системы накопления энергии устаревшими батареями.
Сотрудник устанавливает литий-ионный аккумулятор в систему тестирования в офисе Powervault в Лондоне. Фотография: Саймон Доусон / Bloomberg через Getty ImagesУстановление потока литий-ионных батарей от первой жизни в электромобилях до второй жизни в стационарных накопителях энергии даст еще один бонус: вытеснение токсичных свинцово-кислотных аккумуляторов.
Только около 60% свинцово-кислотных аккумуляторов используются в автомобилях, сказал Ричард Фуллер, возглавляющий некоммерческую организацию Pure Earth, еще 20% используются для хранения избыточной солнечной энергии, особенно в африканских странах.
Свинцово-кислотные аккумуляторы обычно служат всего около двух лет в более теплом климате, сказал Фуллер, поскольку из-за тепла они быстрее разлагаются, а это означает, что их нужно часто перерабатывать. Однако в Африке есть несколько предприятий, которые могут безопасно это сделать.
Вместо этого эти батареи часто треснуты и плавятся на заднем дворе. Процесс подвергает переработчиков и их окружение воздействию свинца — мощного нейротоксина, безопасный уровень которого неизвестен и который может повредить развитию мозга у детей.
Литий-ионные батареи могут предложить менее токсичную и долговечную альтернативу для хранения энергии, сказал Фуллер.
Гонка за переработку«Когда батарея действительно исчерпала свой ресурс, пора утилизировать ее», — сказал Пеннингтон.
Утилизация литий-ионных аккумуляторов имеет большой импульс. В своем отчете о воздействии, опубликованном в августе, Tesla объявила, что начала создавать мощности по переработке отходов на своей фабрике Gigafactory в Неваде.
Nearby Redwood Materials, основанная бывшим техническим директором Tesla Дж. Б. Штраубелем, которая работает в Карсон-Сити, штат Невада, в июле привлекла более 700 млн долларов и планирует расширить свою деятельность. Завод принимает разряженные батареи, извлекает ценные материалы, такие как медь и кобальт, а затем отправляет очищенные металлы обратно в цепочку поставок аккумуляторов.
Тем не менее, поскольку вторичная переработка становится все более распространенной, серьезные технические проблемы остаются.
Одна из них — это сложные конструкции, которые должны пройти переработчики, чтобы добраться до ценных компонентов.Литий-ионные батареи редко разрабатываются с учетом возможности вторичной переработки, сказал Карлтон Камминс, соучредитель Aceleron, британского стартапа по производству аккумуляторов. «Вот почему перерабатывающая компания борется. Они хотят выполнять свою работу, но они знакомятся с продуктом только тогда, когда он достигает их двери ».
Cummins и соучредитель Амрит Чандан устранили один недостаток конструкции: способ соединения компонентов. По словам Камминс, большинство компонентов свариваются друг с другом, что хорошо для электрического соединения, но плохо для вторичной переработки.
Батареи Aceleron соединяют компоненты с помощью зажимов, которые сжимают металлические контакты вместе. Эти соединения можно разжать и снять крепеж, что позволяет полностью разобрать или удалить и заменить отдельные неисправные компоненты.
Более простая разборка также может помочь снизить риски для безопасности. Неправильное обращение с литий-ионными батареями может привести к пожару и взрыву. «Если мы разобьем его на части, я гарантирую, что это никому не повредит», — сказал Камминс.
Изменение системыУспех не гарантируется, даже если технические проблемы будут решены. История показывает, насколько сложно может быть создание хорошо функционирующих предприятий по переработке вторсырья.
Свинцово-кислотные аккумуляторы, например, подвергаются частой переработке, отчасти из-за требований законодательства — до 99% свинца в автомобильных аккумуляторах перерабатывается. Но когда они попадают на ненадлежащие предприятия по переработке, они имеют токсичную стоимость. Отработанные батареи часто попадают в переработчики на заднем дворе , потому что они могут заплатить за них больше, чем официальные переработчики, которым приходится покрывать более высокие эксплуатационные расходы.
Литий-ионные аккумуляторы могут быть менее токсичными, но их все равно придется сдавать на предприятиях, где их можно безопасно переработать. «Продукция имеет тенденцию течь по пути наименьшего сопротивления, поэтому вы должны сделать путь, который проходит по формальным каналам, менее устойчивым», — сказал Пеннингтон.
Законодательство может помочь. В то время как США еще не внедрили федеральную политику, предписывающую переработку литий-ионных аккумуляторов, ЕС и Китай уже требуют, чтобы производители аккумуляторов платили за установку систем сбора и переработки.Эти средства могут помочь субсидировать официальных переработчиков, чтобы повысить их конкурентоспособность, сказал Пеннингтон.
В декабре прошлого года ЕС также предложил радикальные изменения в правилах использования батарей, большая часть которых касается литий-ионных батарей. К ним относятся целевые уровни 70% для сбора аккумуляторов, 95% восстановления для кобальта, меди, свинца и никеля и 70% для лития, а также обязательные минимальные уровни переработанного содержимого в новых аккумуляторах к 2030 году — чтобы обеспечить наличие рынков для переработчиков. и защитите их от неустойчивых цен на сырьевые товары или изменения химического состава батарей.
«Они еще не в окончательной форме, но существующие предложения амбициозны», — сказал Рихтер.
Данные также могут помочь. ЕС и Global Battery Alliance (GBA), государственно-частное сотрудничество, работают над версиями цифрового «паспорта» — электронной записи для батареи, которая будет содержать информацию обо всем ее жизненном цикле.
«Мы думаем о QR-коде или устройстве обнаружения [радиочастотной идентификации]», — говорит Торстен Фройнд, возглавляющий инициативу GBA по паспорту батарей.Он может сообщать о состоянии и оставшейся емкости аккумулятора, помогая производителям транспортных средств направлять его для повторного использования или на предприятия по переработке. Данные о материалах могут помочь переработчикам ориентироваться в бесчисленном количестве химических элементов литий-ионных батарей. А когда переработка станет более распространенной, в паспорте также будет указано количество переработанного содержимого в новых батареях.
По мере того, как автомобильная промышленность начинает трансформироваться, настало время заняться этими проблемами, сказала Майя Бен Дрор, ведущий специалист по городской мобильности на Всемирном экономическом форуме.Деньги, вливаемые в сектор, предлагают «возможность гарантировать, что эти инвестиции будут вкладываться в устойчивые новые экосистемы, а не только в новый тип автомобилей», — сказала она.
Также стоит отметить, что экологичный транспорт выходит за рамки электромобилей, — сказал Рихтер. По ее словам, нельзя упускать из виду пешие прогулки, езду на велосипеде или общественный транспорт. «Важно помнить, что мы можем иметь устойчивый продукт в неустойчивой системе».
Как работают аккумуляторы для электромобилей?
Последнее обновление 25.08.2021
Система накопления энергии в электромобилях представляет собой аккумулятор.Тип аккумулятора может варьироваться в зависимости от того, является ли автомобиль полностью электрическим (AEV) или подключаемым гибридным электрическим (PHEV). Современная технология аккумуляторов рассчитана на увеличенный срок службы (обычно около 8 лет или 100 000 миль). Некоторые батареи могут работать от 12 до 15 лет в умеренном климате или от 8 до 12 лет в экстремальных климатических условиях. В электромобилях используются четыре основных типа аккумуляторов: литий-ионные, никель-металлогидридные, свинцово-кислотные и ультраконденсаторы.
Сравните и откройте для себя новые электромобили
Типы аккумуляторов электромобилей
Литий-ионные аккумуляторы
Наиболее распространенным типом аккумуляторов, используемых в электромобилях, является литий-ионный аккумулятор.Этот вид батареи может показаться знакомым — эти батареи также используются в большинстве портативных электронных устройств, включая сотовые телефоны и компьютеры. Литий-ионные батареи имеют высокое отношение мощности к весу, высокую энергоэффективность и хорошие характеристики при высоких температурах. На практике это означает, что батареи содержат много энергии для своего веса, что жизненно важно для электромобилей — меньший вес означает, что автомобиль может путешествовать дальше на одной зарядке. Литий-ионные батареи также имеют низкую скорость «саморазряда», что означает, что они лучше, чем другие батареи, сохраняют способность сохранять полный заряд с течением времени.
Кроме того, большинство деталей литий-ионных аккумуляторов подлежат переработке, что делает эти аккумуляторы хорошим выбором для тех, кто заботится об окружающей среде. Эта батарея используется как в AEV, так и в PHEV, хотя точный химический состав этих батарей отличается от тех, что используются в бытовой электронике.
Никель-металлогидридные батареи
Никель-металлогидридные батареи более широко используются в гибридных электромобилях, но также успешно используются в некоторых полностью электрических транспортных средствах. Гибридные электромобили не получают энергию от внешнего подключаемого источника, а вместо этого полагаются на топливо для подзарядки батареи, что исключает их из определения электромобиля.
Никель-металлогидридные батареи имеют более длительный срок службы, чем литий-ионные или свинцово-кислотные батареи. Они также безопасны и терпимы к злоупотреблениям. Самая большая проблема с никель-металлогидридными батареями — их высокая стоимость, высокая скорость саморазряда и тот факт, что они выделяют значительное количество тепла при высоких температурах. Эти проблемы делают эти батареи менее эффективными для перезаряжаемых электромобилей, поэтому они в основном используются в гибридных электромобилях.
Свинцово-кислотные батареи
Свинцово-кислотные батареи в настоящее время используются в электромобилях только для дополнения других аккумуляторных нагрузок.Эти батареи являются мощными, недорогими, безопасными и надежными, но их короткий календарный срок службы и плохие характеристики при низких температурах затрудняют их использование в электромобилях. В разработке находятся свинцово-кислотные аккумуляторные батареи большой мощности, но сейчас они используются только в коммерческих транспортных средствах в качестве вторичного накопителя.
Суперконденсаторы
Ультраконденсаторы — это не батареи в традиционном понимании. Вместо этого они хранят поляризованную жидкость между электродом и электролитом.По мере увеличения площади поверхности жидкости увеличивается и емкость для хранения энергии. Ультраконденсаторы, как свинцово-кислотные батареи, в первую очередь полезны в качестве вторичных запоминающих устройств в электромобилях, потому что ультраконденсаторы помогают электрохимическим батареям выравнивать их нагрузку. Кроме того, ультраконденсаторы могут обеспечить электромобили дополнительной мощностью во время ускорения и рекуперативного торможения.
Как работают аккумуляторы электромобилей?
Полностью электрические автомобили оснащены тяговым электродвигателем вместо двигателя внутреннего сгорания, используемого в автомобилях с бензиновым двигателем.В AEV используется тяговый аккумулятор (обычно литий-ионный аккумулятор) для хранения электроэнергии, используемой двигателем для привода колес транспортного средства. Тяговая аккумуляторная батарея — это часть автомобиля, которую необходимо подключить и перезарядить, и ее эффективность помогает определить общий запас хода автомобиля.
В подключаемых к сети гибридных электромобилях тяговый электродвигатель питается от тягового аккумулятора, как и AEV. Основное отличие состоит в том, что аккумулятор также имеет двигатель внутреннего сгорания.PHEV работают на электроэнергии до тех пор, пока батарея не разрядится, а затем переключаются на топливо, которое питает двигатель внутреннего сгорания. Аккумулятор, обычно литий-ионный, можно заряжать, подключив его к электросети, с помощью рекуперативного торможения или используя двигатель внутреннего сгорания. Комбинация аккумулятора и топлива дает PHEV больший запас хода, чем их полностью электрические аналоги.
Способы зарядки аккумуляторных батарей электромобилей
| Электромобили | Подключаемые гибридные электромобили | |
|---|---|---|
| Зарядные станции для электромобилей | ✓ | ✓ |
| Рекуперативное торможение | ✓ | ✓ |
| Двигатель внутреннего сгорания | ✓ |
И для AEV, и для PHEV аккумулятор обычно заряжается через стандартный разъем и розетку, которая работает с любой вилкой уровня 1 (120 В переменного тока) или уровня 2 (240 В для жилого помещения / 208 В для коммерческого использования).Некоторые станции быстрой зарядки используют разные рецепторы (известные как рецепторы SAE или CHAdeMO), которые не стандартизированы. Тип приобретаемого вами автомобиля определяет, какую зарядную станцию вы можете использовать.
Аккумуляторы для электромобилей, солнечная энергия и вы
Зарядка вашего автомобиля электричеством дает вам возможность сократить выбросы парниковых газов за счет заправки вашего автомобиля возобновляемым источником, например солнечной энергией. В среднем 80 процентов зарядки электромобилей происходит дома, а солнечные батареи могут как компенсировать затраты на регулярную зарядку автомобиля, так и сократить использование невозобновляемых видов топлива в процессе подзарядки.Кроме того, многие общественные зарядные устройства используют солнечные батареи как способ сократить использование невозобновляемой энергии на протяжении всего процесса. Если вас интересует установка солнечных панелей и установка зарядной станции для электромобилей дома, просто присоединяйтесь к EnergySage Marketplace сегодня и укажите свой интерес к зарядке электромобилей при заполнении вопросов в профиле.