Литиeвo-йoннитe бaтepии днес ce използват навсякъде. От cмapтфoнитe, през самобръсначките та чак дo eлeĸтpoмoбилитe. Тези батерии доминират най-вече заради своята висока енергийна плътност и относително добра надеждност. Дотук добре – факт е, че са доказали своята ефективност в най-различни приложения и ситуации. До момента, в който в играта обаче не се намеси „добрата стара“ автомобилна индустрия. И тогава относително редките метали – литий и кобалт, станаха още по-редки, по-скъпи и труднодостъпни.
Наред с това, когато става дума за движещи се обекти (автомобили), превърналите се в масови батерии, вече са подложени на неподозирани досега нови изпитания – сблъсъци с висока скорост, употреба при всякакви температури (супер ниски или високи) и др. Може би знаете, че дори лека деформация на клетките на една литиево-йонна батерия може да се окаже доста опасна. И да доведе до късо съединение, непредвидено нагряване или дори експлозия в най-лошия случай.
Макар да не са най-замърсяващото нещо на земята, леките автомобили са подложени на възможно най-трудните за справяне регулации. Колите трудно могат да се сравнят с CO2 си, спрямо други много по-големи замърсители, като електроцентралите с изкопаеми горива, сградите… кравите! Само че регулаторите, освен че са се свръхфокусирали върху колите, те дори не са си “написали” домашното за това как “панацеята” наречена Електрификация замърсява природата по други вектори. Възниква и въпроса дали има здрав разум в това да се заложи само на една-единствена технология? Да, тя може да е перфектна за едни сценарии за употреба, но и да е далеч от всякаква ефективност при други случаи.
На всичко отгоре „твърдата“ засега 2035-а година, през която трябва да пусне електрическото резе на всички леки автомобили, да сложи ДВГ на електрическия стол и да изпълни смъртното наказание на технологията, се оказа не чак толкова финална и сега присъдата е отчасти смекчена. Тук е момента приятелски и с намигване да вметнем, че двигателят с вътрешно горене е отговорен за развитието на човечеството през последните 150 години!
В същото време автомобилната индустрия продължава да бъде пресечна точка на всякакви логистични вериги, експертизи и т.н. Тя не може да се променя от днес за утре и да реагира на настроенията на бюрократи и политици. И когато почти всички производители се отдадоха на идеята за тотална електрификация, започна да изкристализира и идеята за евентуален недостиг на суровините – по-конкретно лития. Макар да има много находища на литий из целия свят, се оказа, че няма толкова мощности за добив. Тепърва ще се отварят мини, ще се разработват находища и др. Наскоро CEО-то на Stellantis, Carlos Tavares, надлежно информира, че ако тръгнем да заменяме всички автомобили към момента по света (1,3 милиарда) с електрички, няма да ни стигне литият. Ей така, да си знаем.
Правим тази скица на конюнктурата в автомобилната индустрия, защото мобилността ще бъде мерилото и ключовата апликация на новите батерии. Те ще трябва да докажат своята полезност и мащабируемост на производствени мощности в различни видове решения за мобилност, ако искат да бъдат приемани сериозно и да бъдат достойни заместници на литиево-йонната батерия.
Както и много други материали в наши дни, литият е рядък и скъп за добив.
В началото на 2022 г. той премина границата от 40 долара за килограм и продължава да поскъпва, до голяма степен заради увеличеното производство на електрически превозни средства. Също така е очевидно, че литиевите батерии имат проблем с безопасността при определени ситуации. Те могат да експлодират или да се запалят при неправилно боравене, и това да доведе до тежки наранявания и щети. Тези нещастни случаи са особено опасни, когато хората не успяват да ги рециклират правилно.
Литиевата руда се превръща в оскъден ресурс в световен мащаб под формата на солени езера и литиеви мини. Сред тях солените езера са разпространени в страните от Южна Америка, докато литиевите мини са разпространени главно в Западна Австралия. Според доклада за 2019 г. на Геоложката служба на САЩ запасите от литий на южноамериканските държави Аржентина, Чили и Боливия представляват 52,1% от световните запаси от литий, докато запасите от литий на Китай са едва 7,26%. Разпределението на ресурсите е изключително неравномерно. Повече от 60% от литиевите суровини, необходими на Китай, трябва да се внасят и той е силно зависим от чужди държави. В същото време Поднебесната е най-големият и най-бързорастящият пазар за електроавтомобили. Там се произвеждат и повечето електрички. Наскоро BYD задмина Tesla по продажби.
Мащабът на наличните към момента литиеви мини е малък и настоящата цена на литиевия карбонат остава висока. От 2022 г. насам средната единична цена на литиевия карбонат е по-висока от 400 000 EUR/тон. Това ще доведе до свиване на печалбите на производителите на литиеви батерии в средните автомобилни компании. Засягането на литиевите ресурси може да ни създаде големи неудобства.
Ще разгледаме няколко претенденти за титлата “Следващата литиево-йонна батерия”. Всички те имат своите плюсове и минуси. Нормално, батерии са. В зависимост от приложението различни видове химически състав изпъкват като по-подходящи. Отсега можем да направим едно информирано предположение. Няма да има абсолютен хегемон, както при моторизациите, така и при батериите. Spoiler alert. Няма да има и следваща литиево-йонна батерия със статут на дълголетен крал.
Алуминий-сярна батерия
Съставките на тази батерия: алуминий, сяра и хлоро-алуминиева сол са по-евтини и по-разпространени от лития. Въз основа изследвания на Масачузетския технологичен институт (MIT) алуминиево-сярната батерия ще струва само една шеста от подобна литиево-йонна батерия.
Съставките не са запалими, така че са безопасни за работа в нестабилна среда. Хлоро-алуминатната сол има ниска температура на топене и предотвратява образуването на дендрити в електродите на батерията, като по този начин предотвратява къси съединения и поддържа клетката в добро работно състояние.
Резултатите от тестовете на MIT показват, че този нов тип батерийна клетка може да издържи стотици зареждания, без да има спад в производителността. В някои случаи батериите се зареждат до 100% мощност за по-малко от минута. В процеса на работа те се нагряват, но инженерите установяват, че всъщност работят по-добре при по-високи температури. Резултатите от теста по-горе показват по-добра производителност и скорост на зареждане при 110° по Целзий отколкото при 21°.
Технологията не е достатъчно мощна, за да се използва за мрежови приложения. Тя би била по-полезна за отделни стопанства, малки предприятия, станции за зареждане на електромобили и други приложения с по-малък мащаб.
Натриевойонна батерия (Na-ion)
Катодът се прави от натрий. Това е елемент, който изобилства в природата. Ресурсите на натрий са широко разпространени по света под формата на натриев хлорид, точно както солта, която ядем у дома, която е натриев хлорид. Освен това натриевата сол е неизчерпаем ресурс в океана, който може да се добива в големи количества и не се влияе от международните отношения. Отношението между търсенето и предлагането на натриеви ресурси е стабилно и колебанията в цените са малки. Натрият се намира много високо в земната кора, повече от 1000 пъти е по-разпространен от лития. В сметката на цялото производство, като махнете лития и сложите на негово място натрий, може да се спестят до 40%.
Впечатляващото намаление се получава и заради липсата на кобалт в състава на Na-ion батерията. Липсата на кобалт и литий освен всичко е и морална победа. Има и значителна полза на природата.
Na-Ion батериите не са “зиморничави”, нямат загуба на заряд при студено време и не се загряват като Li-ion батериите, което ги прави по-безопасни. Могат да се произвеждат със същите производствени мощности като литиево-йонните батерии и дори да се комбинират с тях в един и същи пакет от батерии (battery pack). Нещо, което беше показано в последната разработка на CATL - водещ производител на батерии от Китай.
Подобен род батерии са перфектен вариант за складиране на енергия и back-up при спиране на тока. Натриево-йонните батерии имат няколко предимства пред конкурентните технологии за батерии. В сравнение с литиево-йонните батерии натриево-йонните батерии имат малко по-ниска цена, малко по-ниска енергийна плътност, по-добри характеристики на безопасност и сходни характеристики на доставка на енергия. Така че добивът на натрий е уникално предимство. Освен това цената на катодния материал на натриево-йонната батерия може да бъде намалена с 60 % в сравнение с тази на литиево-желязно-фосфатната батерия, а анодният материал може да бъде получен чрез преработка на по-евтин антрацит и цената може да бъде намалена със 70 %, а предимствата му са по-очевидни. Следователно, не само суровините са евтини, но и положителните и отрицателните електроди, от които се състои натриево-йонната батерия, са много по-евтини.
Първото поколение на натриево-йонните батерии беше с ниска енергийна плътност от 160 Wh/kg. Китайският гигант CATL готви второ поколение с около 200 Wh/kg плътност.
Литиево-сярна батерия (Li-S)
Li-S батерията е лека, но за сметка на това има висока енергийна плътност - 550 Wh/kg. За сравнение литиево-йонните батерии са в диапазона от 150 – 260 Wh/kg. Неслучайно е ползвана за най-дългия полет на самолет, който се зарежда от слънчева енергия и генерално е перфектна за авиацията и космонавтиката. В сравнение с нормалното електронно оборудване, като например мобилните телефони, има някои устройства, които се нуждаят от по-голяма енергийна плътност. Те се нуждаят от тази енергия, за да могат да работят правилно. В този случай литиево-сярната батерия доста изгодна, тъй като е в състояние да предложи енергийната плътност, необходима за такива приложения като автомобилите.
Себестойността ѝ е по-ниска в сравнение с литиево-йонната батерия, защото използва сяра за сметка на скъпия и проблематичен от логистична, политическа и морална гледна точка кобалт.
Себестойността ѝ е по-ниска в сравнение с литиево-йонната батерия, защото използва сяра за сметка на скъпия и проблематичен от логистична, политическа и морална гледна точка кобалт.
Саморазрядът е един от най-важните проблеми, които предлагат много батерии. Те се разреждат автоматично, дори ако не са свързани към някакво устройство. При това положение, ако останат неизползвани в продължение на няколко месеца, те се саморазреждат. Това явление не важи при литиево-сернистите батерии. Те не се саморазреждат.
Към момента жизненият цикъл на този род батерии е къс. Компонентите не са стабилни и полезното им действие бързо намалява. В лабораторни условия са достигнати 1500 цикъла на зареждане и разреждане още преди 5 години, но масово производство към момента няма.
Ако не искате да си губите времето с новини за поредния ултимативен и революционен химически състав на батерия, който сваля звезди, не се саморазрежда, има висока енергийна плътност и др., просто не се занимавайте с известия, които коментират “научен пробив” в лаборатория. Ключовият момент е преминаването към серийно производство. Ако дадена технология “го е докарала дотам”, значи може нещо повече от това да повдига вежди на нърдове.
Транспортирането на литиево-серни батерии е едно от основните ограничения. Заради използваните в тях химикали почти всички авиокомпании ограничават преноса на литиево-серни батерии в самолетите. Това блокира до голяма степен ползването им в устройства за лична хигиена например.
Литиево-серните батерии са доста скъпи в сравнение с другите батерии. Това е друго ограничение на тези батерии. Ще купите почти 2-3 литиево-йонни батерии, колкото ще получите една литиево-серниста батерия на същата цена.
Макар че твърдите електролити са открити за първи път през XIX век, няколко недостатъка са попречили на широкото им приложение. Развитията в края на 20-ти и началото на 21-ви век предизвикват подновен интерес към технологиите за твърдотелни батерии, особено в контекста на електрическите превозни средства, започвайки от 2010 г.
Тези батерии се отличават от класическите литиево-йонни по своя твърд електролит.
От Quantumscape (спонсорирани най-вече от Volkswagen) до BMW и Honda, които твърдят, че напредват сериозно със собствени разработки. В Китай също не спят.
Към момента няма автомобил, който да използва батерия с твърд електролит. Всички “точат лиги”, но за момента никой “не е намазал” от тази обещаваща технология.
Твърдотелната батерия е технология, която използва твърди електроди и твърд електролит вместо течните или полимерните гел електролити, които се срещат в литиево-йонните или литиево-полимерните батерии.
Рискът от запалване е намален до нула, което от своя страна отпада нуждата от всякакви допълнителни усложнения и утежнения, свързани с осигуряването на защита от огън в сравнение с Li-ion батериите.
Твърдотелните батерии имат до два пъти и половина по-висока енергийна плътност, заемат по-малко пространство, по-леки са и са по-евтини.
Заради електрохимичната стабилност тази батерия е по-надеждна.
Батериите с твърд електролит имат много по-дълъг жизнен цикъл на презареждания.
Материалът, от който да бъде направен електролитът, както и масовото производство на този род батерии, са неща, заради които много учени по целия свят не спят от години насам. Компанията Quantumscape с помощта на Volkswagen търси решения на тези задачи вече няколко години. Китайската производител на автомобили и батерии - BYD, наскоро обяви, че са намерили свещеното решение, а за самостоятелни разработки в напреднал стадий съобщават от Honda и Toyota.
Развитието на всяка технология среща различни choke points. Литиево-йонната батерия се справяше толкова добре с малки уреди, че беше поставена в автомобил и оттам започнаха проблемите. Изведнъж тази технология се изправи пред много по-сериозни и мащабни проблеми по вектор рециклиране, по вектор безопасност и др. И вместо да търсим победител измежду конкурентните химически състави, може би е по-интелигентно да видим какво ще се случва с най-големия бъдещ потребител на батерии – автомобилната индустрия. Плановете там са за по-малко на брой, по-скъпи автомобили. Плановете там са и за дългосрочно наемане от производителя – Peugeot и Renault са най-сериозни по тази линия на развитие.
И ако един тип батерия е подходяща за класическото изживяване на автомобил – купувате си го, ваш си е, пътувате наблизо и далеч и др., то съвсем друг тип батерия е подходяща за решения като споделена мобилност.
