Содержание
Тяговые литий-ионные батареи Tesla, что внутри?
Тяговые литий-ионные батареи Tesla, что внутри?
Тесла Моторс является создателем поистине революционных экомобилей — электромобилей, которые не только выпускаются серийно, но и обладают уникальными показателями, позволяющими их использование буквально ежедневно. Сегодня мы заглянем внутрь тяговой аккумуляторной батареи электромобиля Tesla Model S, узнаем, как она устроена и раскроем магию успеха этой аккумуляторной батареи.
Поставка батарей клиентам осуществляется в таких вот ящиках из ОСБ.
Самая крупная и дорогая запчасть для Tesla Model S – блок тяговой аккумуляторной батареи.
Блок тяговой аккумуляторной батареи находится в днище автомобиля (по сути это пол электромобиля — машины), за счёт чего Tesla Model S имеет очень низкий центр тяжести и великолепную управляемость.
Батарея крепится к силовой части кузова при помощи мощных кронштейнов (см. фото ниже) или выполняет роль силовой – несущей части кузова авто.
По данным североамериканского Агентства по защите окружающей US Environmental Protection Agency (EPA) одного заряда тяговой литий-ионной аккумуляторной батареи Tesla с номинальным напряжением 400В DC, ёмкостью 85 кВт·ч хватает на 265 миль (426 км) пробега, что позволяет преодолевать наибольшую дистанцию среди подобных электромобилей. При этом от 0 до 100 км/ч подобная машина разгоняется всего за 4,4 секунды.
Секрет успеха Tesla Model S – это высокоэффективные цилиндрические литий-ионные батареи высокой энергоёмкости, поставщик базовых элементов известная японская фирма Panasonic. Вокруг этих батарей ходит немало слухов.
Один из них – это не влезай, убьёт!
Один из владельцев и энтузиастов Tesla Model S из США решил полностью разобрать использованную батарею для Tesla Model S энергоёмкостью 85 кВт·ч, чтобы детально изучить её конструкцию.
Кстати, её стоимость, как запчасти, в США составляет 12 000 USD.
Сверху блок батареи размещено тепло и звука изоляционное покрытие, которое закрывается толстой полиэтиленовой плёнкой. Снимаем это покрытие, в виде ковра и готовимся к разборке. Для работы с батареей необходимо иметь изолированный инструмент и пользоваться резиновой обувью, и резиновыми защитными перчатками.
Батарея Tesla. Разбираем!
Тяговая аккумуляторная батарея Tesla (блок тяговой аккумуляторной батареи) состоит 16 батарейных модулей, каждый номинальным напряжением 25В (исполнение батарейного блока — IP56). Шестнадцать батарейных модулей соединены последовательно в батарею с номинальным напряжением 400В. Каждый батарейный модуль состоит из 444 элементов (аккумуляторов) 18650 Panasonic (вес одного аккумулятора 46 г), которые соединены по схеме 6s74p (6 элементов последовательно и 74 таких групп параллельно).
Всего в тяговой аккумуляторной батарее Tesla – 7104 таких элементов (аккумуляторов). Батарея защищена от окружающей среды посредством использования металлического корпуса с алюминиевой крышкой. На внутренней стороне общей алюминиевой крышки имеются пластиковые накладки, в виде плёнки. Общая алюминиевая крышка крепится винтами с металлическими, и резиновыми прокладками, которые герметизируются, дополнительно силиконовым герметиком. Блок тяговой аккумуляторной батареи разделен на 14 отсеков, в каждом отсеке размещен батарейный модуль. В каждом отсеке сверху и снизу батарейных модулей размещены листы прессованной слюды. Листы слюды обеспечивают хорошую изоляцию батареи электрическую, и тепловую от корпуса электромобиля. Отдельно спереди батареи под своей крышкой размещены два таких же батарейных модуля. В каждом из 16 батарейных модулей имеется встроенный блок BMU, который соединён с общей системой BMS, которая управляет работой, следит за параметрами, а так же обеспечивает защиту всей аккумуляторной батареи.
Общие выводные клеммы (терминал) находится в задней части блока тяговой батареи.
До того, как полностью её разобрать, было замерено электрическое напряжение (оно составили около 313,8В), что говорит о том, что батарея разряжена, но находится в рабочем состоянии.
Батарейные модули отличается высокой плотностью элементов (аккумуляторов) 18650 Panasonic, которые там размещены и точностью подгонки деталей. Весь процесс сборки на заводе Tesla проходит в полностью стерильном помещении, с использованием роботов, выдерживается даже определенная температура и влажность.
Каждый батарейный модуль состоит из 444 элементов (аккумуляторов), которые по виду крайне схожих с простыми пальчиковыми батарейками — это литий-ионные цилиндрические аккумуляторы 18650, производства компании Panasonic. Энергоемкость каждого батарейного модуля из таких элементов составляет 5,3 кВт·ч.
В аккумуляторах 18650 Panasonic положительный электрод — графит, а отрицательный электрод — никель, кобальт и оксид алюминия.
Тяговая аккумуляторная батарея Tesla весит 540 кг, а её размеры равны 210 см в длину, 150 см в ширину, и 15 см в толщину. Количество энергии (5,3 кВт·ч), вырабатываемой всего одним блоком (из 16 батарейных модулей), равно количеству, производимому сотней аккумуляторов от 100 портативных компьютеров. К минусу каждого элемента (аккумулятора) в качестве соединителя припаяна проволочка (внешний токовый ограничитель), который при превышении тока (или при коротком замыкании) сгорает и защищает цепь, при этом не работает только группа (из 6 аккумуляторов), в которой был этот элемент, все остальные аккумуляторы продолжают работать.
Тяговая аккумуляторная батарея Tesla охлаждается и подогревается с помощью жидкостной системы на основе антифриза.
При сборке своих батарей Тесла применяет элементы (аккумуляторы), произведенные компанией Panasonic в различных странах, таких, как Индия, КНР и Мексика. Финальная доработка и размещение в корпус батарейного отсека, производятся в Соединенных Штатах.
Компания Tesla предоставляет гарантийной обслуживание своей продукции (в том числе и аккумуляторной батареи) на срок до 8 лет.
На фото (сверху) элементы — аккумуляторы 18650 Panasonic (завальцовка у элементов со стороны плюса «+»).
Таким образом, мы узнали, из чего состоит тяговая аккумуляторная батарея Tesla Model S.
Благодарим за внимание!
Крупнейшие производители батарей для электромобилей
автомобильная промышленность, Зеленая мобильность, Автомобильные аккумуляторные батареи
21 февраля 2022
Развитие рынка литий-ионных элементов не замедляется. Совсем наоборот – с каждым годом создается все больше компаний, специализирующихся на производстве батарей для электромобилей. По предварительным оценкам, к 2040 году около 70% всех личных автомобилей будут работать на электричестве – производители батарей будут играть важную роль в этой трансформации.
Какие компании производят аккумуляторы для электромобилей?
Растущий спрос на литий-ионные аккумуляторы дает компаниям-производителям реальную возможность для интенсивного развития.
В настоящее время крупнейшими игроками на этом рынке являются, прежде всего, Китай, Япония, Корея и США – именно в этих странах расположены штаб-квартиры ведущих компаний, производящих батареи для электромобилей, таких как Panasonic, LG Chem, Samsung, Beijing Pride Power, SB LiMotive или Tesla. Полный список гораздо длиннее, и к нему постоянно присоединяются новые корпорации. Также стоит обратить внимание на дополнительные элементы, которые поддерживают работу батареи или защищают этот ключевой компонент – к ним относятся детали, связанные с изоляцией или амортизацией.
Читайте также: Системы изоляции автомобильных аккумуляторов и решения по управлению ударами, производимые компанией Knauf Automotive
Роль Европейского союза в производстве батарей для электромобилей
Согласно прогнозам, в ближайшие 20 лет спрос на батареи для электромобилей может увеличиться в пять раз. Европейский союз интенсивно поддерживает развитие рынка электромобилей и активно продвигает этот тип решений – именно поэтому в 2017 году Европейская комиссия запустила Европейский аккумуляторный альянс.
Всего через год после его запуска уже был достигнут значительный прогресс в области производства батарей в Европе. Компания Knauf Industries присоединилась к сообществу EBA в 2020 году в качестве одного из участников цепочки поставок батарей, производящих пластмассовые компоненты для аккумуляторных батарей.
Читайте также: Новые тенденции и разработки в мировой автомобильной промышленности против COVID-19
В Европе ведущим производителем батарей является шведская компания Northvolt. Важным конкурентом на азиатском рынке является Automotive Cell Company (ACC), совместное предприятие Saft/Total и PSA/Opel.
В контексте производителей батарей для EV стоит упомянуть и польские компании. Несмотря на то, что в Польше пока нет завода по производству автомобилей этого типа, уже реализуются крупные проекты, связанные с компонентами для производства батарей. Также существует множество польских филиалов международных компаний. Одним из примеров является LG Solution Wrocław – в настоящее время крупнейший европейский производитель литий-ионных батарей для автомобильной промышленности.
Читайте также: На заводе во Вроцлаве запущено производство автомобильных деталей из EPP
Стоимость производства батарей для электромобилей
Стоимость батареи электромобиля в настоящее время составляет более 30 процентов от общей стоимости транспортного средства. Причиной этого является высокая цена редкоземельных элементов, необходимых для изготовления батареи – лития, никеля, кобальта, магния и других. Расходы, связанные с добычей этих элементов, составляют более половины стоимости всей батареи. Кроме того, на цену батарей EV также влияет необходимость использования в конструкции дополнительных элементов, которые предназначены для предотвращения электрического пробоя и защиты чувствительных компонентов батареи.
LFP-батареи Tesla – образец инновационной EV-компании
Рост цен на сырье побуждает некоторые компании искать альтернативы – одним из примеров является Tesla, которая объявила, что в 2020 году планирует перейти на более дешевые литий-железо-фосфатные батареи.
Однако это будет касаться не всех моделей автомобилей, предлагаемых компанией. Современная компания Amperex Technology Co. – крупнейший в мире производитель батарей – работает над улучшением характеристик новых компонентов. Тем временем методы производства разрабатываются совместно со стартапами, такими как Our Next Energy из Нови, штат Мичиган. Илон Маск недавно объявил, что батареи LFP будут использоваться во всех недорогих моделях, в то время как батареи на основе никеля и марганца будут использоваться в автомобилях, ориентированных на дальние расстояния.
Читайте также: Инновационные полупроводниковые батареи в электромобилях
Одна лишь батарея – это еще не все, важны и дополнительные компоненты
Как и другие компоненты автомобиля, батарея электромобиля нуждается в надлежащей защите. Дорожное движение является довольно сложной средой для литий-ионных батарей – они подвергаются всевозможным ударам и довольно интенсивному использованию во время движения.
В результате их емкость и производительность могут постепенно снижаться, что приводит к уменьшению дальности хода автомобиля. Поэтому важно использовать такие компоненты, как сепараторы элементов, которые поглощают удары, или прочные изоляционные элементы.
Защита батареи и срок ее службы
Помимо самого производства, компании, выпускающие батареи для электромобилей, придают большое значение разработке новых технологий для увеличения срока службы и долговечности батарей. Учитывая высокую стоимость производства батарей, важно, чтобы они были эффективными и демонстрировали низкий уровень износа даже после длительного использования. Одним из решающих факторов срока службы батареи является то, как она используется – однако не менее важно, чтобы она была должным образом защищена. Knauf Automotive предлагает решения в этой области, специализируясь, в частности, на системах изоляции автомобильных аккумуляторов и компонентах, защищающих аккумулятор от ударов.
Для производства компонентов изоляции аккумуляторных батарей компания Knauf Automotive использует легкий и гибкий материал вспененный полипропилен (EPP), а также различные специальные вспененные материалы. Он используется для производства полных комплектов изоляции аккумуляторов, которые не только легки, но и устойчивы к различным механическим повреждениям. Кроме того, пенопласт EPP обладает теплоизоляционными свойствами, которые предотвращают передачу высоких температур между отдельными элементами. Он также устойчив к огню и жаре – это другие характеристики, которые важны в контексте батарей электромобилей.
Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас есть вопросы – мы подготовим решение, соответствующее вашим потребностям.
Разработка лучших аккумуляторов для электромобилей | Новости Массачусетского технологического института
Настоятельная необходимость сократить выбросы углерода побуждает к быстрому переходу к электрифицированной мобильности и расширенному использованию солнечной и ветровой энергии в электрической сети.
Если эти тенденции будут усиливаться, как ожидается, потребность в более совершенных методах хранения электроэнергии возрастет.
«Нам нужны все стратегии, которые мы можем получить, чтобы противостоять угрозе изменения климата», — говорит Эльза Оливетти, доктор философии 2007 года, адъюнкт-профессор Эстер и Гарольда Э. Эдгертон в области материаловедения и инженерии. «Очевидно, что разработка технологий для хранения на основе сетки в больших масштабах имеет решающее значение. Но для мобильных приложений — в частности, для транспорта — многие исследования сосредоточены на адаптации сегодняшней литий-ионной батареи, чтобы сделать ее более безопасной, компактной и способной хранить больше энергии для своего размера и веса».
Традиционные литий-ионные аккумуляторы продолжают совершенствоваться, но у них есть ограничения, которые сохраняются, отчасти из-за их структуры. Литий-ионный аккумулятор состоит из двух электродов — положительного и отрицательного — зажатых вокруг органической (углеродсодержащей) жидкости.
Когда батарея заряжается и разряжается, электрически заряженные частицы (или ионы) лития проходят от одного электрода к другому через жидкий электролит.
Одна из проблем этой конструкции заключается в том, что при определенных напряжениях и температурах жидкий электролит может стать летучим и загореться. «Батарейки, как правило, безопасны при нормальном использовании, но риск все же существует», — говорит Кевин Хуанг, доктор философии 15 года, научный сотрудник группы Оливетти.
Другая проблема заключается в том, что литий-ионные аккумуляторы не подходят для использования в транспортных средствах. Большие и тяжелые аккумуляторные батареи занимают место и увеличивают общий вес автомобиля, снижая эффективность использования топлива. Но оказалось трудно сделать современные литий-ионные батареи меньше и легче, сохранив при этом их плотность энергии, то есть количество энергии, которое они хранят на грамм веса.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи меняют ключевые характеристики литий-ионной батареи, чтобы сделать ее полностью твердотельной или «твердотельной» версией.
Они заменяют жидкий электролит в середине тонким твердым электролитом, который стабилен в широком диапазоне напряжений и температур. С этим твердым электролитом они используют положительный электрод большой емкости и отрицательный электрод большой емкости из металлического лития, который намного тоньше, чем обычный слой пористого углерода. Эти изменения позволяют значительно уменьшить общую емкость батареи, сохранив при этом ее емкость хранения энергии, тем самым достигнув более высокой плотности энергии.
«Эти функции — повышенная безопасность и большая плотность энергии — вероятно, являются двумя наиболее часто рекламируемыми преимуществами потенциальной твердотельной батареи», — говорит Хуанг. Затем он быстро поясняет, что «все эти вещи являются перспективными, ожидаемыми и не обязательно реализованными». Тем не менее, многие исследователи изо всех сил пытаются найти материалы и конструкции, которые могут выполнить это обещание.
Мышление за пределами лаборатории
Исследователи придумали много интригующих вариантов, которые выглядят многообещающе — в лаборатории.
Но Оливетти и Хуанг считают, что дополнительные практические соображения могут быть важны, учитывая безотлагательность проблемы изменения климата. «Всегда есть показатели, которые мы, исследователи, используем в лаборатории для оценки возможных материалов и процессов», — говорит Оливетти. Примеры могут включать емкость накопителя энергии и скорость зарядки/разрядки. При проведении фундаментальных исследований, которые она считает необходимыми и важными, эти показатели уместны. «Но если целью является внедрение, мы предлагаем добавить несколько показателей, специально учитывающих возможности быстрого масштабирования», — говорит она.
Основываясь на отраслевом опыте работы с современными литий-ионными батареями, исследователи из Массачусетского технологического института и их коллега Гербранд Седер, заслуженный профессор инженерии Дэниела М. Теллепа Калифорнийского университета в Беркли, предлагают три общих вопроса, которые могут помочь определить потенциальные ограничения на будущее масштабирование в результате выбора материалов.
Во-первых, с такой конструкцией батареи могут ли доступность материалов, цепочки поставок или волатильность цен стать проблемой при расширении производства? (Обратите внимание, что экологические и другие проблемы, связанные с расширением добычи, выходят за рамки этого исследования.) Во-вторых, будет ли изготовление батарей из этих материалов включать в себя сложные производственные этапы, во время которых детали могут выйти из строя? И, в-третьих, производственные меры, необходимые для обеспечения высокопроизводительного продукта на основе этих материалов, в конечном итоге снижают или повышают стоимость производимых аккумуляторов?
Чтобы продемонстрировать свой подход, Olivetti, Ceder и Huang изучили некоторые химические составы электролитов и структуры батарей, которые в настоящее время изучаются исследователями. Чтобы выбрать свои примеры, они обратились к предыдущей работе, в которой они и их сотрудники использовали методы анализа текста и данных для сбора информации о материалах и деталях обработки, описанных в литературе.
Из этой базы данных они выбрали несколько часто упоминаемых вариантов, которые представляют собой ряд возможностей.
Материалы и наличие
В мире твердых неорганических электролитов существует два основных класса материалов — оксиды, содержащие кислород, и сульфиды, содержащие серу. Olivetti, Ceder и Huang сосредоточились на одном многообещающем варианте электролита в каждом классе и рассмотрели ключевые элементы, вызывающие озабоченность для каждого из них.
Сульфидом, который они рассматривали, был LGPS, который объединяет литий, германий, фосфор и серу. Исходя из соображений доступности, они сосредоточились на германии, элементе, который вызывает опасения отчасти потому, что он обычно не добывается сам по себе. Вместо этого это побочный продукт, получаемый при добыче угля и цинка.
Чтобы выяснить его доступность, исследователи изучили, сколько германия производилось ежегодно за последние шесть десятилетий при добыче угля и цинка, а затем сколько можно было произвести.
Результат показал, что даже в последние годы можно было произвести в 100 раз больше германия. Учитывая этот потенциал предложения, доступность германия вряд ли будет ограничивать масштабирование твердотельной батареи на основе электролита LGPS.
Ситуация выглядела менее многообещающе с выбранным исследователями оксидом LLZO, который состоит из лития, лантана, циркония и кислорода. Добыча и переработка лантана в основном сосредоточены в Китае, и доступные данные ограничены, поэтому исследователи не пытались анализировать его доступность. Остальные три элемента доступны в изобилии. Однако на практике необходимо добавить небольшое количество другого элемента, называемого легирующей добавкой, чтобы облегчить обработку LLZO. Поэтому команда сосредоточилась на тантале, наиболее часто используемой легирующей примеси, как на главном элементе, вызывающем озабоченность в LLZO.
Тантал производится как побочный продукт добычи олова и ниобия. Исторические данные показывают, что количество тантала, полученного при добыче олова и ниобия, было гораздо ближе к потенциальному максимуму, чем в случае с германием.
Таким образом, доступность тантала больше беспокоит возможное масштабирование батареи на основе LLZO.
Но знание о наличии элемента в земле не относится к шагам, необходимым для доставки его производителю. Поэтому исследователи исследовали дополнительный вопрос, касающийся цепочек поставок критически важных элементов — добычи, переработки, переработки, доставки и так далее. Предполагая, что имеются обильные запасы, могут ли цепочки поставок, которые доставляют эти материалы, расширяться достаточно быстро, чтобы удовлетворить растущий спрос на батареи?
В ходе выборочного анализа они рассмотрели, насколько цепочки поставок германия и тантала должны будут расти из года в год, чтобы обеспечивать батареями планируемый парк электромобилей в 2030 году. Например, парк электромобилей часто называют целью к 2030 году потребуется произвести достаточное количество батарей, чтобы вырабатывать в общей сложности 100 гигаватт-часов энергии. Чтобы достичь этой цели, используя только батареи LGPS, цепочка поставок германия должна будет расти на 50 процентов из года в год — натяжка, поскольку максимальный темп роста в прошлом составлял около 7 процентов.
Используя только батареи LLZO, цепочка поставок тантала должна вырасти примерно на 30 процентов — темпы роста намного превышают исторический максимум примерно в 10 процентов.
Эти примеры демонстрируют важность учета доступности материалов и цепочек поставок при оценке различных твердых электролитов с точки зрения их потенциала масштабирования. «Даже когда количество доступного материала не вызывает беспокойства, как в случае с германием, масштабирование всех этапов цепочки поставок в соответствии с будущим производством электромобилей может потребовать буквально беспрецедентных темпов роста», — говорит Хуанг. .
Материалы и обработка
При оценке потенциала масштабирования конструкции батареи следует учитывать еще один фактор — сложность производственного процесса и то, как он может повлиять на стоимость. Изготовление твердотельной батареи неизбежно включает в себя множество этапов, и сбой на любом этапе увеличивает стоимость каждой успешно произведенной батареи.
Как объясняет Хуанг: «Вы не отправляете неисправные аккумуляторы; ты их выбрасываешь. Но вы все равно потратили деньги на материалы, время и обработку».
В качестве показателя сложности производства Olivetti, Ceder и Huang изучили влияние частоты отказов на общую стоимость выбранных конструкций твердотельных батарей в своей базе данных. В одном примере они сосредоточились на оксиде LLZO. LLZO чрезвычайно хрупок, и при высоких температурах, связанных с производством, большой лист, достаточно тонкий для использования в высокопроизводительной твердотельной батарее, может треснуть или деформироваться.
Чтобы определить влияние таких отказов на стоимость, они смоделировали четыре ключевых этапа сборки аккумуляторов на основе LLZO. На каждом этапе они рассчитывали стоимость на основе предполагаемого выхода — то есть доли от общего числа единиц, которые были успешно обработаны без сбоев. У LLZO выход был намного ниже, чем у других исследованных ими конструкций; и по мере того, как доходность снижалась, стоимость каждого киловатт-часа (кВтч) энергии батареи значительно росла.
Например, когда на последнем этапе нагрева катода вышли из строя еще 5 процентов блоков, стоимость увеличилась примерно на 30 долларов за кВтч — нетривиальное изменение, учитывая, что общепринятая целевая стоимость таких батарей составляет 100 долларов за кВтч. Ясно, что производственные трудности могут оказать сильное влияние на жизнеспособность конструкции для широкомасштабного внедрения.
Материалы и характеристики
Одна из основных проблем при проектировании полностью твердотельной батареи связана с «интерфейсами», то есть где один компонент встречается с другим. Во время производства или эксплуатации материалы на этих границах раздела могут стать нестабильными. «Атомы начинают перемещаться туда, куда не должны, и производительность батареи снижается», — говорит Хуанг.
В результате большое количество исследований посвящено поиску методов стабилизации интерфейсов в батареях различных конструкций. Многие из предложенных методов действительно повышают производительность; и в результате стоимость батареи в долларах за кВтч снижается.
Но реализация таких решений, как правило, требует дополнительных материалов и времени, что увеличивает стоимость кВтч при крупномасштабном производстве.
Чтобы проиллюстрировать этот компромисс, исследователи сначала исследовали свой оксид LLZO. Здесь цель состоит в том, чтобы стабилизировать поверхность раздела между электролитом LLZO и отрицательным электродом, вставив между ними тонкий слой олова. Они проанализировали влияние — как положительное, так и отрицательное — на стоимость внедрения этого решения. Они обнаружили, что добавление сепаратора олова увеличивает емкость накопления энергии и улучшает производительность, что снижает удельную стоимость в долларах/кВтч. Но стоимость включения слоя олова превышает экономию, так что окончательная стоимость выше первоначальной стоимости.
В другом анализе они рассмотрели сульфидный электролит под названием LPSCl, который состоит из лития, фосфора и серы с небольшим добавлением хлора. В этом случае положительный электрод включает в себя частицы материала электролита — метод обеспечения того, чтобы ионы лития могли найти путь через электролит к другому электроду.
Однако добавленные частицы электролита несовместимы с другими частицами в положительном электроде — еще одна проблема интерфейса. В этом случае стандартным решением является добавление «связующего», другого материала, который заставляет частицы склеиваться.
Их анализ подтвердил, что без связующего вещества производительность низкая, а стоимость батареи на основе LPSCl превышает 500 долларов США за кВтч. Добавление связующего значительно повышает производительность, а стоимость снижается почти на 300 долларов за кВтч. В этом случае стоимость добавления связующего во время изготовления настолько низка, что по существу реализуется все снижение стоимости от добавления связующего. Здесь метод, реализованный для решения проблемы интерфейса, окупается меньшими затратами.
Исследователи провели аналогичные исследования других многообещающих твердотельных батарей, о которых сообщалось в литературе, и их результаты были последовательными: выбор материалов батареи и процессов может повлиять не только на краткосрочные результаты в лаборатории, но также на осуществимость и стоимость производство предлагаемой твердотельной батареи в масштабе, необходимом для удовлетворения будущего спроса.
Результаты также показали, что рассмотрение всех трех факторов вместе — доступности, потребностей в обработке и производительности батареи — важно, поскольку могут иметь место коллективные эффекты и компромиссы.
Оливетти гордится широким кругом проблем, которые может исследовать подход команды. Но она подчеркивает, что это не предназначено для замены традиционных показателей, используемых для выбора материалов и обработки в лаборатории. «Вместо этого он призван дополнить эти показатели, также широко рассматривая вещи, которые могут помешать масштабированию» — важное соображение, учитывая то, что Хуан называет «срочным тиканьем часов» чистой энергии и изменения климата.
Это исследование было поддержано Программой начального фонда Энергетической инициативы Массачусетского технологического института (MITEI) Центр низкоуглеродной энергетики для хранения энергии; компанией Shell, одним из основателей MITEI; и Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США, Управлением транспортных технологий в рамках Программы перспективных исследований аккумуляторных материалов.
Работа по анализу текста поддерживалась Национальным научным фондом, Управлением военно-морских исследований и MITEI.
Эта статья опубликована в весеннем выпуске 2021 года Energy Futures , журнала MIT Energy Initiative.
Производители аккумуляторов для электромобилей соревнуются в разработке более дешевых материалов для элементов, минуя Китай , устранить надвигающиеся узкие места в поставках и привести к массовому рынку электромобилей (EV).
Современные электромобили работают на ионно-литиевых батареях, в основном из лития, кобальта, марганца и высококачественного никеля, цены на которые резко выросли. Западные производители изо всех сил пытаются догнать своих азиатских конкурентов, и автопроизводители ожидают, что узкие места в поставках затронут автомобильное производство примерно в середине десятилетия.
Электромобили будущего — те, что появятся после 2025 года — могут перейти на ионно-натриевые или литий-серные аккумуляторные батареи, которые могут быть на две трети дешевле, чем сегодняшние ионно-литиевые элементы.
Но их обещания зависят от потенциальных прорывов в области электрохимии таких стартапов, как берлинская Theion и британская Faradion, а также Lyten в США.
У новых химических элементов аккумуляторов есть проблемы, которые необходимо решить. Натрий-ионные батареи еще не хранят достаточно энергии, в то время как серные элементы имеют тенденцию быстро подвергаться коррозии и недолговечны.
Тем не менее, более дюжины стартапов привлекли миллионы долларов инвестиций, а также государственные гранты для разработки новых видов аккумуляторов.
На данный момент Китай доминирует в производстве аккумуляторов, включая добычу и переработку сырья.
Benchmark Mineral Intelligence, британская консалтинговая компания, оценивает, что Китай в настоящее время имеет 75% мировых мощностей по переработке кобальта и 59% своих мощностей по переработке лития.
«Мы по-прежнему зависим от цепочки поставок материалов из Китая», — сказал Джеймс Куинн, исполнительный директор британского стартапа по производству ионно-натриевых аккумуляторов Faradion, который получил более 1 миллиона долларов в виде государственных субсидий от Innovate UK, прежде чем его купил индийский конгломерат. Reliance (RELI.NS) в прошлом году за $117 млн. «Если вы посмотрите на глобальные геополитические последствия этого, это вызов для энергетической безопасности, экономической безопасности и национальной безопасности».
Азиатские гиганты по производству батарей также работают над новыми химическими веществами. Китайская компания CATL (300750.SZ) заявила, что планирует начать производство натрий-ионных элементов в 2023 году. Корейская компания LG Energy Solution (373220.KS) планирует начать производство литий-серных элементов к 2025 году. элементом аккумуляторной батареи электромобиля является катод, на долю которого приходится до трети стоимости элемента аккумуляторной батареи.
Сегодня в большинстве аккумуляторов для электромобилей используется один из двух типов катодов: никель-кобальт-марганцевый (NCM) или литий-железо-фосфат (LFP). Катоды NCM способны хранить больше энергии, но используют дорогостоящие материалы (никель, кобальт). Катоды LFP обычно не удерживают столько энергии, но они более безопасны и, как правило, дешевле, поскольку в них используются более распространенные материалы.
Стоимость основных катодных материалов, таких как никель и кобальт, резко возросла за последние два года.
Вот почему так много компаний надеются заменить их более дешевыми и распространенными материалами, такими как натрий и сера, если удастся преодолеть их технические ограничения.
«Ионам натрия определенно есть место, особенно для стационарных складов и недорогих автомобилей на чувствительных к стоимости рынках, таких как Китай, Индия, Африка и Южная Америка», — говорит консультант Прабхакар Патил, бывший руководитель LG Chem.
«Стоимость внедрения серы лития, вероятно, будет выше, даже несмотря на то, что она потенциально может быть самой низкой стоимостью, что делает бытовую электронику первоначальным применением», — сказал Патил. AMTE.L) разрабатывают натрий-ионные аккумуляторы с использованием хлорида натрия — в основном поваренной соли — в качестве основного катодного ингредиента. Им не нужны литий, кобальт или никель — три самых дорогих ингредиента аккумуляторов.
Джефф Пратт, управляющий директор, Великобритания Центр индустриализации батарей — финансируемый государством завод стоимостью 130 миллионов фунтов стерлингов (153 миллиона долларов США), который сдает свои производственные линии в аренду стартапам для тестирования химического состава батарей — сказал, что он пытается вписать элементы стартапа, работающего с ионами натрия, в плотный производственный график, потому что это «стратегически важно» для надежд Британии быть в авангарде разработки новых, лучших аккумуляторов.
0003
Американские фирмы Lyten и Conamix, немецкая Theion и норвежская Morrow разрабатывают литий-серные катоды, для которых по-прежнему требуется литий в меньших количествах, но не никель или кобальт.
Используя вездесущие катодные материалы — сера широко используется в удобрениях, поэтому она дешева, как соль — эти стартапы утверждают, что стоимость аккумуляторов может быть сокращена до двух третей, что потенциально сделает электромобили доступными за пределами среднего класса.
Современные аккумуляторные батареи для электромобилей обычно стоят от 10 000 до 12 000 долларов.
«Если мы сможем достичь целей, которые мы определили с некоторыми из крупнейших мировых автопроизводителей, тогда мы отправимся в гонки», — сказала генеральный директор Conamix Шарлотта Гамильтон.
НА ДОРОГЕ
Стартапы по производству аккумуляторов говорят, что ведут переговоры с крупными автопроизводителями, некоторые из которых активно тестируют новые аккумуляторы, которые могут появиться на дорогах массовых электромобилей до конца десятилетия.
Автомобильные компании стремятся сохранить свои возможности открытыми.
«Со временем появится больше (аккумуляторных) химикатов», — сказала Линда Чжан, главный инженер электрического пикапа Ford (F.N) F150 Lightning. «Было бы глупо не воспользоваться этими химическими веществами».
На мероприятии Tesla (TSLA.O) 2020 Battery Day генеральный директор Илон Маск заявил, что для создания «действительно доступных» электромобилей потребуется «трехуровневый подход» к литий-ионным батареям с использованием различных материалов — в основном с аккумуляторными элементами LFP на основе железа. — а также более крупные, мощные и дорогие электромобили с использованием элементов NCM или NCA на основе никеля с катодом из кобальта или алюминия.
Разработчики аккумуляторов надеются, что смогут добавить натрий-ионные и литий-серные аккумуляторы в ассортимент, открытый для автомобильной промышленности.
Дункан Уильямс, управляющий директор консультационной компании Nomura Greentech, сказал, что недавние открытия сокращают разрыв в таких вопросах, как плотность энергии и срок службы, «поэтому мы ожидаем, что обе эти альтернативы займут долю рынка в будущем».
Мичиганская компания Amandarry уже производит натрий-ионные элементы на своем заводе в Хайнине, Китай, поэтому на эти элементы не распространяются льготы в соответствии с Законом США о снижении инфляции.
Компания заявляет, что также построит завод в Северной Америке.
Партнер Эми Чен говорит, что первым транспортным средством Amandarry, скорее всего, будут электрические двухколесные транспортные средства.
Чен говорит, что помимо преимущества в цене, аккумуляторы Amandarry могут заряжаться очень быстро — на 80% за 15 минут.
Генеральный директор AMTE Power Кевин Брандиш сказал, что компания первоначально запускает аккумуляторы для стационарных систем накопления энергии, таких как те, которые используются сетевыми операторами, где плотность энергии менее важна.
Куинн из Faradion сказал, что батареи компании также уже конкурируют с элементами LFP, и она создала совместное предприятие по хранению энергии с гигантом агробизнеса ICM Australia.
Куинн сказал, что в относительно небольших масштабах батареи Faradion должны быть на треть дешевле, чем батареи LFP на основе железа.
Он сказал, что Фарадион провел переговоры с «почти всеми крупными автомобильными компаниями».
«В ближайшие три-пять лет вы увидите (наши аккумуляторы) на дорогах».
БЕЗ РАЗМЫШЛЕНИЙ
Сера — это «жесткая химия», заставляющая аккумуляторы работать, говорит Селина Миколайчак, главный технический директор калифорнийского стартапа Lyten, который привлек 47,5 млн долларов от инвесторов, согласно инвестиционному веб-сайту. Питчбук.
Но, по ее словам, это «химия будущего, химия, которая делает аккумуляторы массовым рынком».
Ульрих Эмес, генеральный директор компании Theion (сера на древнегреческом языке) говорит, что проблема с серой заключается в том, что она настолько коррозионная, что убивает батарею после 30 зарядок.
Но он сказал, что базирующаяся в Берлине компания, которую поддерживает горстка бизнес-ангелов и частных инвесторов, разработала способ обработки и покрытия литий-серного электрода, который должен продлить срок службы электромобиля.
Компания Theion планирует начать поставку батарей в конце этого года для питания насосов коммерческих ракет во время запуска. Эмс сказал, что компания планирует начать отправку тестовых элементов производителям автомобилей в 2024 году, а первые серийные приложения для электромобилей ожидаются примерно в 2027 году. аккумуляторная батарея стоит на две трети, примерно до 34 долларов за киловатт-час.
«Он дешевый, у него высокая плотность энергии, так что это не проблема», — сказал Эмес.
Тони Харпер, директор Faraday Battery Challenge, программы британского правительства, которая инвестирует в развитие новых аккумуляторных технологий, сказал, что автомобильная промышленность все больше беспокоится о поставках лития, кобальта, марганца и никеля, поэтому новые химические вещества жизненно важны.