Аккумуляторы: новые технологии
28 апрель 2023
Спрос на хранилища электроэнергии постоянно растет, только в 2023 году эксперты предсказывают удвоение мощностей накопителей энергии. Вопрос становится все более актуальным по мере перехода на альтернативные источники энергии, главный недостаток которых – нестабильность генерации. Современные стратегии хранения энергии основаны на использовании литий-ионных накопителей, технология производства аккумуляторов этого типа отработана и оптимизирована. Но при этом компании постоянно экспериментируют, пытаясь найти все более легкие, более мощные и емкие, но главное – более дешевые варианты производства аккумуляторов.
Технология изготовления аккумуляторов: новые подходы
По прогнозам аналитиков, уже в самые ближайшие годы литий ионная технология производства аккумуляторов с использованием нынешних материалов и конструкции достигнет своего предела энергопотребления. Еще одной существенной проблемой стал резкий рост стоимости самого лития и ограниченный доступ по его добыче. Выходом может стать использование новых семейств активных материалов, которые могут стать прорывом и значительно усовершенствовать уже существующие технологии. Но пока они находятся на стадии лабораторных исследований, компании-производители активно внедряют принципиально новые подходы к производству накопителей электроэнергии.
Твердотельные аккумуляторы
Они представляют собой практически полный отказ от используемых сейчас технологий. В современных литий-ионных накопителях перемещение ионов от одного электрода к другому происходит в жидком электролите. В твердотельных АКБ жидкий электролит заменен на твердое специальное соединение, в котором происходит свободное перемещение ионов. Эта особенность была открыта довольно давно, но возможность практической реализации появилась относительно недавно, когда были открыты твердые электролиты с очень высокой проводимостью, которые обеспечивают стабильную проводимость. Преимущества этого типа аккумуляторов:
- высокие эксплуатационные показатели – большее число циклов заряда/разряда (по сравнению с традиционными литий ионными батарея, срок службы увеличен почти в 7 раз), минимальный саморазряд, устойчивость к глубокому разряду (почти до нулевых показателей);
- безопасность – твердый электролит, в отличие от жидкого, стабилен, не горюч и не воспламеняется при нагревании. При повреждении корпуса нет опасности пролива экологически небезопасного электролита;
- высокая плотность заряда – это позволяет получить батареи более компактного размера и меньшего веса по сравнению с аналогичными АКБ с жидким электролитом;
- при производстве не используются такие дефицитные и дорогостоящие металлы, как литий или кобальт. Это позволит дополнительно снизить стоимость накопителя;
- экологическая чистота – отказ от тяжелых металлов и токсичных материалов позволяет организовать экологически нейтральное производство. Кроме того, утилизация таких аккумуляторов будет значительно проще технологически и существенно дешевле.
В настоящее время пока не удалось масштабировать технологию для массового использования. Но уже в этом году компания BMW объявила, что начинает тестирование твердотельных аккумуляторов на своих электромобилях. Одновременно появились сообщения, что китайская CATL – безусловный лидер на рынке аккумуляторов – начнет массовое производство твердотельных накопителей уже к концу 2023 года, но их характеристики пока не известны. Известные на сегодня образцы используются в нескольких типах кардиостимуляторов и смарт-часах.
Натрий-ионные батареи
Технология изготовления аккумуляторов этого типа очень точно копирует процесс изготовления литий-ионных АКБ, только в качестве электролита используется соленая вода. Технологии настолько близкие, что для перехода на производство натрий-ионных батарей не придется перенастраивать производственные линии. Главное преимущество этого типа накопителей – их дешевизна, натрий дешевле лития почти в 40 раз. Кроме того, можно отметить и другие достоинства:
- очень высокая скорость заряда – у опытных образцов восстановление заряда до уровня 80% происходило в течение 15 минут;
- стабильная работа при низких температурах, чем у литий-ионные аналогов;
- экологическая чистота и низкая стоимость утилизации.
Проблемным вопросом остается недостаточная плотность энергии, она почти на 25% ниже, чем у литий-ионных батарей. Поэтому при равной емкости натрий-ионные АКБ будут значительно больше и тяжелее, что особенно сказывается на их перспективах использования в электрокарах. На сегодня они уже достаточно активно устанавливаются на электро байках. Кроме того, они рассматриваются как оптимальный вариант в качестве батарей для солнечных электростанций, где габариты и вес не играют принципиального значения. При этом китайская CATL заявила, что их технология производства аккумуляторов на основе натрия позволит наладить массовое производство батарей для электрокаров уже в середине 2023 года. Другой китайский производитель – Hina Battery – уже в середине марта выпустила тестовый автомобиль (совместная разработка Volkswagen и JAC) с натрий-ионным аккумулятором, заявленный запас хода – около 250 км.
