Путеводитель GlobalData по конкурирующим технологиям электродвигателей
Батареи — это нефтяные бочки двадцать первого века.
За последнее десятилетие индустрия аккумуляторов продвинулась достаточно далеко, чтобы обеспечить портативную бытовую электронику, мобильный Интернет, первые электромобили и первоначальное внедрение прерывистого хранения и генерации возобновляемой энергии. Учитывая ускоряющуюся и расширяющуюся роль накопленной энергии в борьбе с изменением климата, в ближайшие десять лет она станет одной из наиболее важных отраслей в мире.
Хватит ли батареек?
Поскольку правительства во всем мире серьезно относятся к декарбонизации своей экономики, спрос на дешевые, безопасные, высокопроизводительные, долговечные и с низким уровнем выбросов углекислого газа аккумуляторы будет расти, особенно со стороны автомобильной промышленности.
Следовательно, в течение следующего десятилетия возникнут узкие места в цепочках поставок. Отсутствие дешевого и легко поддающегося очистке сырья для питания существующих и планируемых в мире аккумуляторных гигафабрик является самой большой угрозой безопасности поставок. Более того, сокращение инвестиций в важнейшие минеральные рудники – в сочетании с растущей важностью экологических, социальных и управленческих факторов (ESG) – будет ограничивать развитие новых мощностей.
К 2025 году, вероятно, возникнет серьезная, но временная глобальная нехватка аккумуляторов из-за резкого увеличения спроса на электромобили (EV) и нехватки добываемых и очищенных аккумуляторных металлов. Тем не менее, отрасль вкладывает значительные средства, чтобы предотвратить превращение этой угрозы в постоянную, сокращая использование дефицитных материалов, разрабатывая новые материалы и технологии производства аккумуляторов и, что наиболее важно, создавая глобальную индустрию переработки аккумуляторов.
Между тем, контроль Китая над всей глобальной цепочкой поставок, от шахт и нефтеперерабатывающих заводов до маркировщиков компонентов и производителей элементов питания, становится растущей геополитической проблемой. США и Европа предпринимают значительные шаги, чтобы уменьшить зависимость от Китая в своих цепочках поставок аккумуляторов к 2030 году. Утилизация аккумуляторов – это не только вопрос геополитики, но и экологической устойчивости. Экономика аккумуляторов замкнутого цикла будет иметь решающее значение для энергетического перехода, и страны (и компании) должны развивать внутреннюю переработку, поскольку объемы электромобилей и объемы выбытия из эксплуатации резко растут.
Химия – некоторые основные принципы
Технологии производства аккумуляторов охватывают множество химических процессов, различные типы элементов и альтернативные технологии.
Батарея представляет собой емкость, состоящую из одной или нескольких электрохимических ячеек, в которых химическая энергия преобразуется в электричество. Они используются в качестве источника энергии. Батареи являются важнейшим помощником во многих других технологиях. Они являются неотъемлемой частью современного мобильного образа жизни и массового производства электромобилей (EV). Технологии аккумуляторов и хранения энергии станут основой перехода к возобновляемым источникам энергии.
Существует два типа аккумуляторных элементов: первичные элементы и вторичные элементы.
- Первичные элементы производят электрический ток в результате необратимой химической реакции и называются одноразовыми батареями.
- Вторичные клетки создают этот электрический ток посредством обратимой химической реакции. Их часто называют перезаряжаемыми батареями или аккумуляторными элементами.
Топливный элемент — еще один источник энергии, но это не батарея. Батареи создают энергию, используя химические вещества, уже находящиеся внутри них. Напротив, топливный элемент использует непрерывную внешнюю подачу топлива, проходящего через него, в качестве источника химикатов для выработки электроэнергии. Топливные элементы используются в беспилотных космических зондах, автомобилях и для резервного аварийного энергоснабжения. Однако используемое топливо – обычно водород – считается слишком опасным для повседневного использования.
Батареи преобразуют химическую энергию в электрическую.
Батареи хранят химическую энергию и преобразуют ее в электрическую посредством электрохимической реакции. Они состоят из трех основных компонентов: положительного электрода (катода), отрицательного электрода (анода) и электролита. Оба электрода изготовлены из разных материалов. Электроды отделены друг от друга сепаратором, полупроницаемым для определенных химических веществ, а батарея помещена в кожух.
Когда аккумулятор подключается к электрической цепи, происходит электрохимическая реакция. Электроны текут от анода через провод для питания подключенного устройства и к катоду.
Каждый элемент батареи содержит ограниченное количество реактивного материала. В конце концов электрохимические процессы внутри батареи прекратят подачу электронов к отрицательному электроду, и электричество перестанет течь. По этой причине доступная мощность аккумулятора ограничена.
Перезарядка
Вторичные батареи можно заряжать с помощью внешнего источника, например солнечных батарей, ветряных турбин, автомобильных тормозов или электросети. Во время перезарядки электрохимические реакции происходят в обратном порядке, восстанавливая ячейку и ее компоненты почти до исходного состояния. Однако такие явления, как затвердевание батареи и образование дендритов, не позволяют батареям перезаряжаться бесконечное количество раз. Дендриты могут привести к опасному короткому замыканию, хотя разрабатываются керамические сепараторы, которые помогут решить эту проблему.
Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) являются доминирующей технологией аккумуляторов для подключенных устройств (например, ноутбуков и смартфонов), электромобилей (EV) и возобновляемых источников энергии в домашних условиях. Во всех этих случаях безопасность имеет первостепенное значение. Литий-ионные аккумуляторы выигрывают в этих областях благодаря своей безопасности. Поскольку спрос на более мощные батареи меньшего размера с более длительным жизненным циклом растет, исследователи активно пытаются решить проблемы короткого замыкания и перегрева, которые могут привести к опасным пожарам и взрывам.
Литий-ионные элементы хранят больше энергии при заданном весе (плотность энергии)
Литий-ионные элементы могут хранить больше энергии при заданном весе и объеме, чем свинцово-кислотные или NiMH-аккумуляторы, и обеспечивают более быструю перезарядку и разрядку. Эти свойства делают их идеальными для хранения энергии в электромобилях, где важна высокая плотность энергии в легком корпусе.
Литий-железо-фосфатные батареи (LFP) — это еще один тип батарей, используемый в современной портативной электронике. LFP имеют более низкую плотность энергии, чем литий-ионные батареи, поэтому последние являются типичным выбором для энергоемкой электроники, которая разряжает батареи с высокой скоростью. Однако LFP могут выдерживать высокие температуры с минимальной деградацией и подходят для объектов, которым необходимо работать в течение длительного времени перед зарядкой. Кроме того, аккумуляторы LFP обычно имеют больший жизненный цикл, чем литий-ионные аккумуляторы. То есть их можно заряжать и разряжать большее количество раз. Пожалуй, одним из самых больших преимуществ LFP перед литий-ионными батареями является безопасность. Улучшенная термическая и химическая стабильность означает, что LFP остаются прохладными при высоких температурах и являются негорючими (не воспламеняются) при неправильном обращении во время быстрой зарядки или разрядки, а также при коротком замыкании.
Также разрабатываются усовершенствованные химические составы аккумуляторов, которые могут иметь преимущества перед имеющимися в продаже аккумуляторами.
Преимущества производительности включают меньший вес, более высокую плотность энергии, более широкую температурную устойчивость, увеличенный срок службы и повышенную безопасность. Например, жидкий электролит в литий-ионных батареях может стать невероятно летучим при воздействии внешнего воздуха, например, во время аварии или разрушения структуры элемента. Возгорание литиевых батарей особенно сильное, и их трудно потушить: часто их приходится полностью погружать в воду на несколько дней, чтобы они стали полностью инертными. Нет никаких доказательств того, что пожары электромобилей случаются с большей частотой, чем пожары автомобилей внутреннего сгорания – более того, они могут быть даже статистически менее вероятны.
Однако производители электромобилей все равно должны заверить общественность в том, что их автомобили безопасны. Катастрофический запуск Samsung Galaxy Note 7, смартфона, страдающего от возгорания литий-ионных аккумуляторов, привлек внимание общественности к потенциальным опасностям этого химического состава аккумуляторов – ошибка, которую производители электромобилей не захотят повторять.
Твердотельные батареи являются следующим наиболее жизнеспособным вариантом.
Твердотельные элементы обычно используют ту же химическую реакцию на основе литий-ионов для хранения и разрядки энергии, что и обычные элементы. Разница заключается в электролите, используемом для разделения анода и катода. В обычных элементах используется жидкий электролит (обычно это соль лития, суспендированная в органическом растворителе), тогда как в твердотельных элементах он заменяется тонким твердым электролитом, обычно изготовленным из керамики, полимера или стекла.
Удаление жидкого электролита приносит много потенциальных преимуществ. Твердотельные элементы легче и компактнее, чем их жидкостные аналоги, а это означает, что вес упаковки можно уменьшить или увеличить энергоемкость. Они должны быть более устойчивы к образованию дендритов лития, что улучшит характеристики разряда и увеличит потенциальную скорость зарядки, а также продлит срок службы аккумуляторной батареи. Кроме того, как только будет достигнуто массовое производство, их производство станет проще и быстрее, чем обычные литий-ионные элементы, благодаря удалению промышленных растворителей.
Есть еще более выраженные преимущества твердотельных элементов в области безопасности аккумуляторов. Широко освещались пожары, вызванные дефектными или поврежденными литий-ионными элементами (например, Chevrolet Bolt и его аккумуляторы от LG). Во многих случаях эти пожары возникают из-за внутреннего сбоя или внешнего повреждения, из-за которого летучий литиевый электролит подвергается воздействию внешнего воздуха, вызывая его возгорание и запуская цепную реакцию, которая может разрушить весь аккумуляторный блок. Твердые электролиты полностью обходят эти проблемы и обладают высокой устойчивостью к возгоранию и взрыву – даже в случае прокола или удара.
Хотя они предлагают множество теоретических преимуществ, ни одна компания еще не продемонстрировала способность массового производства твердотельных элементов для легковых автомобилей, причем большинство из них все еще находится на стадии стендовых испытаний. Еще предстоит решить некоторые проблемы, в том числе спроектировать твердый электролит и электроды таким образом, чтобы они соприкасались равномерно по всей поверхности, поскольку любая деформация может создать зазоры, которые ограничивают эффективность элемента. Кроме того, было показано, что стабильность материала является проблемой: хрупкость электролита приводит к микроскопическим трещинам, которые ограничивают производительность элемента.
Blue Solutions, дочерняя компания французской компании Bolloré, выиграла контракт на поставку твердотельных элементов для сочлененного городского автобуса Daimler eCitaro G – первое зарегистрированное коммерческое соглашение о поставке этой технологии. Однако дополнительный твердотельный блок необходимо намеренно нагревать до относительно высокой рабочей температуры от 50°C до 80°C, что снижает некоторый диапазон температур в процессе и делает его непригодным для использования в легковых автомобилях с их непредсказуемыми схемами использования.
Топливные элементы (водород) – долгосрочная ставка
Электромобили на топливных элементах (FCEV) генерируют энергию на борту путем окисления топлива – обычно водорода – через мембрану топливного элемента, при этом единственным выбросом является вода. Эту мощность можно подавать непосредственно на электродвигатель или хранить в отдельной батарее для дальнейшего использования. FCEV можно быстро «заправить» так же, как и автомобили с двигателем внутреннего сгорания, заправив бак водородом, что исключает длительный период перезарядки, необходимый для BEV. Стимул к использованию водорода также частично обусловлен его потенциальной ролью в экономике замкнутого цикла. Здесь возобновляемая энергия ветра или гидроэлектроэнергия используется для получения водорода из морской воды. Затем водород действует как хранилище внепиковой энергии, генерируемой этими источниками.
Хотя у FCEV есть много потенциальных преимуществ, технология требует доработки, прежде чем она сможет конкурировать с BEV. Стоимость производства водорода в настоящее время превышает стоимость производства бензина, что делает заправку дорогостоящей. Кроме того, инфраструктура для поддержки FCEV еще не построена, а сети подзарядки электромобилей уже быстро растут.
FCEV могут иметь наибольшую ценность для тяжелых и коммерческих автомобилей. Аккумуляторы тяжелые, поэтому не очень подходят для грузовиков дальнего действия, поскольку сам вес необходимых аккумуляторов потребует слишком большой потенциальной грузоподъемности. Предсказуемые маршруты, по которым следуют грузовики дальнего следования, также требуют меньшего количества водородных заправочных станций для эффективной работы.
По сути, FCEV рассматриваются в отрасли как вероятное направление движения транспорта в долгосрочной перспективе – и их применение, скорее всего, первоначально будет применяться в тяжелых коммерческих автомобилях наряду с сетями зарядных станций с замкнутым контуром.
Источник из Просто автомобиль
Отказ от ответственности: информация, изложенная выше, предоставлена just-auto.com независимо от Alibaba.com. Alibaba.com не делает никаких заявлений и не дает никаких гарантий относительно качества и надежности продавца и продукции.
