На каких батареях поедем в будущее? Новейшие альтернативы литий-иону

Привет! На связи Илья, автор крупнейшего Telegram-канала EV Forum про электромобили. Здесь и в канале рассказываю о новых и старинных марках электромобилей, делюсь новостями со всех континентов, и выкладываю аналитику.

В области электромобильных аккумуляторов назревает революция. В компании Toyota заявили в прошлом году, что в 2027-28 годах планируют выпустить автомобиль с твердотельным аккумулятором, который сможет проехать 1000 километров и зарядиться всего за 10 минут. Китайские производители объявили о выпуске бюджетных автомобилей к 2024 году с батареями не из привычного лития, а на основе дешевого натрия - одного из самых распространенных элементов в земной коре. А в одной из лабораторий США и вовсе создали идеальную топливную ячейку — она частично работает на воздухе и может содержать достаточно энергии для питания аэропланов.

Эксперты считают, что хотя литий-ионные батареи трудно превзойти, на рынке скоро появятся различные альтернативы: одни будут более доступными, другие – более мощными. «Мы увидим диверсификацию рынка», — говорит Гербранд Седер, материаловед из Калифорнийского университета в Беркли.

Поиски идеальной батареи вызваны, в первую очередь, ростом рынка. Более десятка стран объявили о полном переходе на электрические автомобили к 2035 году или раньше. По прогнозам Международного энергетического агентства, количество электромобилей на дорогах по всему миру вырастет с 16,5 млн в 2021 году до почти 350 млн к 2030 году.

К автомобильным батареям предъявляется ряд жестких требований. Они должны вмещать большое количество энергии в как можно меньшие габариты и вес, обеспечивать достаточную мощность, быстро заряжаться, долго служить (общепринятый стандарт - выдерживать 1000 полных циклов перезарядки, чего должно хватить на 10-20 лет), исправно работать в широком диапазоне температур, быть безопасными и доступными. «Очень сложно обеспечить все сразу», — говорит Линда Назар, исследователь аккумуляторов из канадского Университета Ватерлоо.

Сложно определить, на какой стадии находится та или иная технология. Компании в своих заявлениях часто делают акцент на одних показателях и замалчивают другие. Очевидно, что десятилетия работы над такими вариантами, как твердотельные и натриевые батареи, наконец-то приносят свои плоды, считает Назар. «Теперь, когда все признали, что разработка батарей действительно важна, мы стараемся изо всех сил», — говорит она.

Батареи — это «химические сэндвичи», которые работают за счет перемещения заряженных ионов с анода на катод через промежуточный материал (электролит), в то время как электроны текут по внешней цепи. Перезарядка батареи означает возвращение ионов обратно к аноду.

Сегодня большинство электромобилей работают на литий-ионных батареях, впервые выпущенных в 1991 году. За три десятилетия эту технологию значительно улучшили: плотность энергии элементов выросла почти в три раза, а цены стали на порядок ниже. «Литий-ионные батареи — это грозный соперник. Учитывая дальнейшие возможности для совершенствования, полагаю, что литий-ион будет править бал еще долгое время», — отмечает Седер. «Я думаю, что литий-ион будут ставить в электромобили еще очень долго, – возможно, десятилетия», – считает Винфрид Вильке, ученый из Лос-Альтоса, штат Калифорния, который с 2009 по 2015 год возглавлял проект IBM Research по разработке аккумуляторов.

До недавних пор все улучшения литий-ионных батарей добивались за счет изменения материала катода, что привело к появлению нескольких типов элементов. В одном из них, популярном в ноутбуках, используется оксид кобальта лития, из которого получаются относительно легкие, но дорогие батареи. В другом, чаще применяемом в автомобилях, используется смесь никеля и кобальта с алюминием или марганцем в качестве стабилизатора (NCA и NCM). Есть еще литий-железо-фосфат (LFP), который обходится без дорогостоящих кобальта и никеля, но пока имеет относительно низкую плотность энергии. LFP отличается низкой стоимостью, и многие компании работают над его улучшением; так Tesla решили в 2021 году использовать батареи LFP в автомобилях среднего класса.

Между тем для анода единственной опцией пока остается замена графита на кремний — материал, который может хранить в десять раз больше атомов лития на единицу веса. Проблема в том, что кремний расширяется и сжимается примерно на 300% во время циклов заряда-разряда, что создает большую нагрузку на батарею и ограничивает срок ее службы.

Еще лучше, чем кремниевый анод, просто сам литий. Помимо снижения веса, это позволяет ускорить зарядку, поскольку не нужно ждать, пока ионы лития пройдут между слоями (технически это изменение превращает конструкцию в литий-металлическую, а не литий-ионную батарею). Но тогда возникает другая проблема: во время перезарядки литий имеет тенденцию неравномерно оседать на аноде, образуя горячие точки — дендриты, — которые могут проникать через электролит и вызывать короткое замыкание батареи.

Теоретически литиевые батареи с улучшенными электродами могут достигать огромных плотностей энергии, но зато они проигрывают в сроках годности элементов и безопасности. В прошлом году группа исследователей из Китая сообщила о создании элемента с литий-металлическим анодом (и катодом с высоким содержанием лития), который в лабораторных условиях выработал более 700 Вт/кг. Еще одна перспективная идея, предлагающая высокую плотность энергии, — литий-серная (LiS) батарея с литий-металлическим анодом и серным катодом. Но сера вступает в реакцию с литием, образуя растворимые продукты, которые могут оседать на аноде и медленно убивать батарею. LiS «пытались создать в течение 30 лет, и до сих пор ничего стоящего не получилось», — отмечает Седер.

Многие считают, что лучшим решением будет замена жидкого электролита на твердый. Идея твердотельных батарей состоит в использовании керамики или твердого полимера в качестве электролита, который обеспечивает прохождение ионов лития, но помогает предотвратить образование дендритов. Это не только упрощает использование полностью литиевого анода — с соответствующим преимуществом в плотности энергии, — но и позволяет избавиться от легковоспламеняющейся органики. Архитектура ячеек твердотельных батарей проще, чем у жидкостных. Кроме того, в теории такие батареи должны быть лучше как при низких температурах (потому что нет жидкости, которая становится более вязкой на холоде), так и при высоких (потому что интерфейсы с электродами не пострадают на жаре).

Некоторые производители аккумуляторов, уже развивают твердотельные технологии. Например, компания Solid Power из Колорадо в Луисвилле (сотрудничает с BMW и Ford) начала опытное производство твердотельного элемента с анодом на основе кремния, который, по их словам, достигает плотности 390 Вт\кг. А калифорнийская компания QuantumScape (заключившая сделку с Volkswagen) разработала твердотельный аккумулятор, который обладает преимуществами литиевого анода, при этом имеет еще меньший вес и не требует анода. Многие детали этой технологии засекречены: QuantumScape опубликовала часть данных о производительности прототипа, но не говорит, из чего сделан электролит и какова плотность энергии батареи.

Автомобили на твердотельных батареях все никак не появятся на дорогах, хотя прорыва можно ожидать уже в ближайшее время, ведь технологию изучают амбициозные китайские компании. В их число входит крупнейший в мире производитель батарей Contemporary Amperex Technology (CATL).

Над твердотельными аккумуляторами уже сегодня работает множество специалистов. Так химик Дженнифер Рупп из Мюнхенского технического университета в Германии основала компанию QKera, также расположенную в Мюнхене, которая производит керамические электролиты при температуре в два раза ниже обычной — 1000 °C. Это позволяет снизить выбросы углекислого газа в процессе производства и решить некоторые проблемы связывания электролита с катодом.

Но настоящей «золотой жилой» может стать литий-воздушная батарея. В таких батареях используется литий-металлический анод, а катод основан на связывании лития с кислородом, который забирается из воздуха и снова выделяется при зарядке батареи. Это звучит невероятно – в батарее можно использовать обычный воздух с влагой, углекислым газом и другими примесями. Многие до сих пор относятся к этой идее со скепсисом, поскольку неясно, как она будет работать на практике — как, например, впускать и выпускать воздух, и можно ли сделать ее больше и заставить работать с большими мощностями.

Пока продолжаются поиски чудо-батарей, способных вместить в себя все больше энергии, некоторые ученые утверждают, что наиболее актуальной проблемой является необходимость выбора такого состава батарей, который был бы дешевым и устойчивым в долгосрочной перспективе.

«Самые большие проблемы связаны с ресурсами», — говорит Седер, который подсчитал, что для производства 14 ТВт/ч, необходимых для автомобилей к 2050 году, потребуется 14 миллионов тонн металла. Это очень много; для сравнения: сегодня мировая добыча лития составляет около 130 000 тонн в год, кобальта — почти 200 000 тонн, а никеля — 3,3 миллиона тонн; и это для всех целей, включая аккумуляторы для неэлектрических автомобилей и, в случае никеля, нержавеющую сталь. Это обстоятельство заставляет выбирать распространенные металлы, добыча которых не наносит чрезмерного ущерба окружающей среде.

Множество исследователей и компаний пытаются создать батареи, в которых не используются никель, кобальт и другие дорогие металлы. Например, компания QuantumScape утверждает, что сумела добиться этого, равно как и создатели литий-воздушных батарей. Возможно, в конечном итоге производители захотят избавиться от самого лития — металла, на который наблюдаются резкие колебания цен. Исследователи пытались заменить литий другими носителями заряда — например, магнием, кальцием, алюминием и цинком, но вариант с натрием является самым передовым.

Натрий находится непосредственно под литием в периодической таблице, поэтому его атомы тяжелее и крупнее, но имеют схожие химические свойства. Это также значит, что многие наработки в производстве литиевых батарей можно перенести на натрий. К тому же натрий гораздо легче добывать: его в земной коре в 1000 раз больше, чем лития. «Натрия просто невероятно много», — говорит Седер, который считает, что стоимость натриевых батарей может составить около 50 долларов за кВтч.

Натриевые батареи уже производятся. Китайская компания BYD, которая в начале 2024 года может вытеснить Tesla в качестве крупнейшего в мире производителя электромобилей, заложила первый завод по производству натрий-ионных батарей. А китайские автопроизводители Chery, JMEV и JAC объявили о выпуске бюджетных автомобилей на натрий-ионных батареях в Китае в этом году. Ожидается, что цена на эти компактные авто составит около $10 000.

Но более тяжелый вес натрия по сравнению с литием не позволяет получить высокую плотность энергии: этот показатель у натрий-ионных батарей сейчас примерно соответствует плотности энергии лучших литий-ионных батарей десятилетней давности. CATL предлагает натриевую батарею, которая достигнет заявленной плотности энергии 160 Вт/кг в 2021 году при заявленной цене 77 долларов за кВтч; компания утверждает, что в следующей модели этот показатель будет увеличен до 200 Вт/кг. Ультракомпактные автомобили, которые, как ожидается, будут работать на натриевых батареях, имеют заявленный запас хода около 250-300 км, по сравнению с почти 600 км для Tesla Model S на литиевых батареях. Однако химикам придется постараться, чтобы угодить потребителям в США, где привыкли к большим машинам и длительным поездкам.

Разработка аккумуляторов — сложная задача, поскольку поведение материалов не всегда предсказуемо. Например, сегодняшним исследователям требуется 8-15 лет, чтобы придумать новые конструкции твердотельных электролитов и оптимизировать их характеристики, включая то, какие добавки использовать и как упаковать литий с высокой плотностью.

На помощь приходят искусственный интеллект (ИИ) и автоматизированный синтез, которые помогут быстрее изучить больше данных. Например, Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория Министерства энергетики в Ричленде сотрудничает с Microsoft, чтобы быстро находить новые материалы для аккумуляторов.

Но действия искусственного интеллекта ограничены информацией, которую он получает от химиков. Поэтому ученым еще многое неизвестно о том, что на самом деле происходит на атомном уровне на границе раздела материалов электродов и электролитов.

Уже вскоре, считают эксперты, мы увидим куда большее разнообразие батарей в автомобилях — примерно так же, как сегодня мы имеем 2-, 4- и 6-цилиндровые двигатели. Например, мы можем увидеть натриевые батареи или LFP для малолитражных автомобилей, погрузчиков или другой рабочей техники. Затем в автомобилях среднего класса могут появиться улучшенные литий-ионные батареи — возможно, с кремниевыми анодами или катодами из горных пород, а может, и твердотельные литиевые батареи перейдут в этот класс. Затем в автомобилях премиум-класса могут появиться литиевые или даже литиево-воздушные элементы. Но предстоит еще много работы. У каждого варианта, включая те, которые еще не поступили в продажу, есть свои минусы и плюсы. Задача сегодняшних ученых — свести эти минусы на нет.