Я довольно внимательно слежу за технологией производства аккумуляторных батарей, поскольку это ключевая технология для перехода к экологически чистой энергетике. Наиболее очевидное применение – в электромобилях с аккумуляторными батареями (BEV). Второе по значимости применение – в сетевых накопителях. Но есть и другие электронные устройства, от которых мы все больше зависим изо дня в день. Та же технология аккумуляторов, которая питает ваш Tesla, также обеспечивает питание вашего ноутбука и смартфона.
Как я уже говорил ранее, полезная технология создания аккумуляторов должна одновременно обладать набором функций (с различными приоритетами в зависимости от области применения) – хорошей плотностью энергии (накопление энергии в расчете на объем), удельной энергией (энергия на массу, также называемая гравиметрической плотностью), стабильностью, быстрой зарядкой и разрядкой, длительным сроком службы -циклы, пригодные для использования в широком диапазоне температур и изготовленные из материалов, которые идеально нетоксичны, пригодны для вторичной переработки, дешевы и доступны в большом количестве. Современные литий-ионные аккумуляторы на самом деле очень хороши. За последние два десятилетия они постепенно совершенствовались, что позволило совершить настоящую революцию в области энергосбережения.
Но у них есть и недостатки. Они находятся на пределе энергопотребления для применения в авиации. В них используются такие труднодоступные материалы, как никель и кобальт. Иногда они могут воспламеняться (хотя становятся все более безопасными). И они по-прежнему довольно дороги. Кроме того, мы действительно расширяем цепочку поставок лития, если хотим производить миллионы автомобилей и множество сетевых хранилищ. К счастью, в отрасли широко ценится ключевая роль аккумуляторных технологий в “зеленой революции”, и были вложены огромные средства в ускорение разработки аккумуляторов. Вот несколько потенциальных достижений, за которыми я следил.
Первое из них на самом деле не является потенциальным, но уже находится в производстве. На этой неделе я взял интервью для SGU (выпуск выйдет в субботу) у главного операционного директора Amprius, который начал производство (фактическое производство) литий–ионной батареи с удельной энергией, в два раза превышающей плотность энергии и удельный вес используемых в настоящее время батарей BEVs – 500 Вт*ч/кг, 1300 Вт*ч/л против примерно 240/650 для текущей батареи Tesla. Так что да, удвоим. Это не постепенный прогресс, это довольно большой скачок. Эти цифры были проверены независимыми экспертами, поэтому они кажутся достоверными.
Впервые я услышал об этом нововведении более десяти лет назад (именно столько времени требуется лабораторным разработкам, чтобы внедриться в технологический процесс). Большое изменение заключается в использовании кремниевых анодов вместо графитовых. В современных батареях количество ионов лития, которые может содержать графит, практически ограничено. Однако кремний обладает в 10 раз большей емкостью, чем графит. Проблема заключалась в том, что кремний разбухает и трескается, когда накапливает заряд в виде ионов лития, но Amprius потратила около 14 лет на то, чтобы выяснить, как решить эту проблему, и они это сделали. Их литий-ионные аккумуляторы с кремниевым анодом обладают в два раза большей емкостью для хранения энергии, и у этой технологии все еще есть потенциал. По их оценкам, со временем они смогут удвоить этот показатель.
По мере наращивания производства они в первую очередь продают эти аккумуляторы авиационной промышленности (в основном для беспилотных летательных аппаратов), где более высокая плотность энергии имеет первостепенное значение. Но это также может оказать существенное влияние на внедрение электрических самолетов для коммерческих полетов на короткие расстояния. Они также строят новый завод и ожидают, что их аккумуляторы найдут свое применение в электромобилях примерно в 2026 году. По сути, переход на кремниевые аноды позволит технологии создания литий-ионных аккумуляторов продолжать совершенствоваться как минимум в течение десятилетия и позволит нам не только удвоить плотность энергии тока, но и увеличить ее в 3-4 раза, что более чем достаточно для того, чтобы BEV имели весь необходимый диапазон с меньшими по размеру и более легкими батареями. Надеемся, что они также будут дешевле, но это будет зависеть от массового производства.
Потенциально конкурирующей технологией для BEV являются твердотельные литиевые аккумуляторы. В них по-прежнему используется литий в качестве носителя заряда, но в твердом состоянии, а не в жидком. Это делает аккумуляторы более стабильными – они не склонны к возгоранию. Предполагается, что после запуска они будут обладать в два раза большей емкостью для хранения энергии, чем существующие литий-ионные аккумуляторы. Теперь, когда Amprius выпускает свои батареи, это уже не так впечатляет, но все же отсутствие возгорания – это плюс. Большая стабильность при более высокой температуре означает, что батареи можно упаковывать плотнее, увеличивая их потенциальную плотность энергии. Кроме того, они могут использовать преимущества той же кремниевой технологии, что и аккумуляторы Amprius.
Однако твердотельные литиевые аккумуляторы по–прежнему сталкиваются с некоторыми технологическими трудностями, и еще неизвестно, сколько времени потребуется, чтобы наладить их массовое производство. До тех пор, пока этого не произойдет, возможно, что это приведет к снижению эффективности данной технологии. Эту проблему необходимо решать быстро, иначе ее могут просто затмить существующие литий-ионные аккумуляторы с развитой производственной инфраструктурой.
Третий возможный прорыв в области создания аккумуляторов – это аккумуляторы на основе натрия (вместо лития). Натрий является более дешевым и распространенным материалом, чем литий, а также относительно легким элементом. В настоящее время большая часть исследований в области технологии создания натриевых аккумуляторов проводится в Китае, но, опять же, пока они не завершат производство, трудно предсказать, какими будут результаты этой технологии.
Большое преимущество натриевых аккумуляторов заключается в сырье. Как я уже говорил, в них используется больше натрия, который также легче перерабатывать. Кроме того, они не зависят от кобальта или никеля, поэтому имеют значительные преимущества по сравнению с литиевыми батареями в качестве сырья. Однако их основным недостатком является то, что они менее энергоемки, чем литиевые батареи. Это означает, что мы, вероятно, никогда не увидим аккумуляторы на основе натрия в автомобилях или самолетах.
Однако они могут быть идеальными для сетевых накопителей, где плотность энергии гораздо менее важна. Для сетевого хранилища важнее всего стоимость и сырье, а не энергоемкость. Для сетевого хранения можно использовать батареи размером со здание. Даже в вашем доме, в подвале или гараже, теоретически, может быть установлена батарея размером с холодильник. Главное, что они относительно недорогие, – это размер.
Если промышленность сможет вывести натриевые аккумуляторы на финишную прямую, то мы сможем наметить путь к внедрению экологически чистых технологий, при которых во всех сетевых накопителях на основе аккумуляторов будут использоваться натриевые батареи. Это позволило бы снизить нагрузку на поставки лития, никеля и кобальта, которые затем можно будет использовать исключительно для транспортных средств и портативных устройств. На мой взгляд, гораздо более приемлемым вариантом становится сетевое хранилище на основе аккумуляторов.
Существует множество других направлений исследований аккумуляторных батарей, но это те три, которые, на мой взгляд, с наибольшей вероятностью окажут влияние на отрасль в краткосрочной перспективе. Неожиданный ход событий всегда может изменить ход игры, но, поскольку коммерческое развитие новых технологий занимает около десяти лет, мы, как правило, видим, что эти новые технологии появляются. Отрадно видеть, что развитие аккумуляторных батарей не стоит на месте, поскольку они имеют решающее значение для революции в области зеленой энергетики.
