Явление лития народу и рынку

Одна из перспективных областей применения батарей на основе лития – электронная таможня. фото с сайта www.customs.gov.ru

Во всем мире идет активный поиск все более эффективных накопителей энергии. До недавнего времени самым распространенным типом накопителя энергии являлся свинцово-кислотный аккумулятор. У него умеренная цена и неплохой ресурс (от 500 циклов и более), высокая удельная мощность. Основные области применения: стартерные аккумуляторные батареи в транспортных средствах, аварийные источники электроэнергии, резервные источники энергии. Строго говоря, аккумулятором называется один элемент аккумуляторной батареи, но в просторечии «аккумулятором» называют аккумуляторную батарею (сколько бы в ней ни было элементов).

Литий против свинца

Но батареи на основе лития сегодня повсюду, и они вытесняют остальные виды аккумуляторов. Они компактные, легкие, к тому же их можно использовать в любом положении. Они применяются для мобильных телефонов, фотокамер, планшетов, квадрокоптеров, наушников, power bank, поскольку обладают высоким циклическим ресурсом (более 2000 циклов), высокой скоростью заряда и не нуждаются в своевременном заряде. Также литий-ионные аккумуляторы можно хранить в полуразряженном состоянии, разряжать малыми токами довольно длительное время. Поэтому они отлично подходят не только для портативных устройств, но и для тяговой техники (самоходные тележки, поломоечные машины, погрузчики, инвалидные коляски и др.).

С каждым днем системы автономного энергоснабжения от возобновляемых источников энергии становятся популярнее. И как правило, в таких системах используют свинцово-кислотные аккумуляторы (СКА). Но в любой автономной системе энергоснабжения от возобновляемых источников энергии аккумуляторы всегда находятся в недозаряженном состоянии, разряжают малой нагрузкой длительное время, что является крайне тяжелыми условиями эксплуатации для СКА.

Литий-ионные аккумуляторы, напротив, достаточно легко могут переносить подобные условия работы, не будет происходить дополнительного снижения ресурса аккумулятора из-за неблагоприятных условий эксплуатации. Таким образом, можно заключить что литий-ионные аккумуляторы – лучшее решение для систем автономного энергоснабжения от возобновляемых источников энергии.

Преимущества литий-ионной системы очевидны и в других отраслях, например в таких, как центры обработки данных, их срок службы в среднем составляет 10–15 лет. В большинстве случаев за этот период происходит 2–3 замены свинцово-кислотных аккумуляторов. В свою очередь, замена литий-ионных аккумуляторов может вовсе не понадобиться. К тому же системы литий-ионных аккумуляторов занимают гораздо меньше места – на 50–80%, следовательно, можно продуктивнее использовать оставшееся пространство.

Широкий диапазон положительных рабочих температур делает литий-ионные аккумуляторы привлекательными для использования в системах бесперебойного питания в телекоммуникационном оборудовании. Диапазон рабочих температур литий-ионного аккумулятора дает возможность снизить мощность и уменьшить стоимость системы кондиционирования, а также в летний период использовать систему фрикулинга без дополнительной установки охлаждения. Это позволит сократить эксплуатационные затраты. Важно отметить, что высокая температура не влияет на срок службы литий-ионного аккумулятора, поэтому срок службы такого аккумулятора не будет зависеть от региона, где происходит эксплуатация.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов не оставляют сомнений. Даже стоимость, которая чуть выше, чем у свинцовых аналогов, не снижает их популярности. К 2025 году российский рынок систем накопления энергии достигнет 100 млрд руб., и основную часть из них составят именно литиевые батареи.

Li-ion третьего поколения

Наиболее популярный формат мощного литиевого аккумулятора – литий-ионные батареи. Они бывают разного объема и с различным током разряда. Литий-ионные аккумуляторы пришли на смену никель-кадмиевым и никель-металлгидридным. Одна из причин замены – большая емкость по сравнению с «конкурентами». Они превосходят NiCd-аккумуляторы в 4–5 раз, а NiMH – в 3–4 раза. Кроме того, никель-кадмиевые батареи считаются экологически небезопасными, а никель-металлгидридные отстают по числу циклов заряда и разряда. У свинцово-кислотных аккумуляторов низкая энергоемкость и большой вес.

Одна из причин, подстегнувших развитие рынка литий-ионных батарей, – интерес к электромобилям. Если изначально использовали никель-кадмиевые аккумуляторы, то с развитием технологий и производства Li‑ion третьего поколения изменили вектор. Первой компанией, которая выпустила на рынок электромобиль с питанием от литий-ионной батареи, стала Tesla: в 2006 году представили полностью электрическое спортивное авто Tesla Roadster. Уже в 2010 году на Пекинском автосалоне ни один производитель не презентовал авто с никель-кадмиевым аккумулятором. К 2017 году два самых продаваемых электрокара – Nissan Leaf и Tesla Model S – питались уже от литий-ионных батарей.

Еще несколько лет назад стоимость аккумуляторов составляла до половины стоимости авто, и именно это считали главным минусом технологии. Но цены на литиевые батареи снижаются, а благодаря новым разработкам улучшаются характеристики. Удалось преодолеть и плохую устойчивость к избыточному заряду.

Интерес к литий-ионным батареям связан прежде всего с их сроком службы. Эти аккумуляторы могут работать 15–20 лет – в три раза дольше, чем свинцовые. Например, если средний запас хода электрокара – 250 км, то через 5 лет батарея уменьшится лишь на 27 км запаса хода.

Помимо относительно долгого срока службы литий-ионные батареи ценятся за большую емкость и низкий саморазряд – до 6% за месяц и до 20% за год. Почти полностью отсутствует «эффект памяти», из-за которого батареи другого типа надо «тренировать», используя циклы заряда и разряда. Среди других положительных характеристик – высокая плотность накапливаемой энергии, сравнительно длительный срок эксплуатации (минимум 10 тыс. циклов, или 10 лет), более высокое напряжение по сравнению с другими аккумуляторными батареями (АКБ).

Еще одним важным преимуществом литий-ионных батарей является их работоспособность при высокой температуре – они, как и остальные узлы источников бесперебойного питания (ИБП), нормально функционируют при температурах до 60°С. Ресурс свинцово-кислотных АКБ снижает даже повышение температуры в помещении до 27°С. А при аварийных ситуациях с отключением кондиционеров срок службы подобных решений уменьшится в разы. При 10-летнем сроке эксплуатации литий-ионные аккумуляторы окажутся уже не в два, а в четыре-пять раз экономичнее, чем свинцовые. ИБП с литий-ионными батареями только еще ищут путь на рынок дата-центров. Литиевые АКБ используются в сложных инженерных системах, где цена ошибки обходится очень дорого. Например, Таможенная служба России – единственное ведомство, которое работает реально в режиме онлайн. Ранее частыми были жалобы на сбои в работе службы из-за отказов оборудования. В 2019 году правительство РФ запустило программу «Электронная таможня». В таможенном управлении в Екатеринбурге проект по организации единой отказоустойчивой системы реализован на базе литиевых шкафов Delta UPS Lithium Xpert. Аккумуляторы обеспечивают бесперебойную работу дорогостоящего оборудования и критических объектов инфраструктуры.

Сегодня литиевые аккумуляторы ассоциируют прежде всего с ноутбуками и мобильными телефонами. АКБ устанавливают в электронных записных книжках, фотоаппаратах, портативных радиостанциях. Батареи применяют также и в автомобилестроении, альтернативной энергетике как источники бесперебойного питания в системах накопления энергии. А еще аккумуляторы используются на железнодорожном, водном и воздушном транспорте и даже для космической техники.

В связи с широкой областью применения значение литиевых аккумуляторов будет возрастать. Ведь прогнозируют, к примеру, что к 2025 году продажи электромобилей достигнут 12 млн, а к 2030-му – около 20 млн. Если сейчас доля авто в общем спросе на литий составляет около 50%, то к концу десятилетия превысит 75%.

По оценка экспертов, к 2021 году в мире будет действовать 26 крупных фабрик по производству литий-ионных аккумуляторов (за год создают аккумуляторы общей производительностью 1 ГВт-ч). Причем если в 2014 году зарегистрировали лишь 3 проекта по строительству мегафабрик, то в 2017 году – в 9 раз больше. А значит, 26 комплексов – не предел. Большинство мощностей сейчас сосредоточено в Китае (до 48%), Евросоюзе (23%) и США (15%).

Рост производств происходит в том числе благодаря господдержке. Например, промышленная политика Китая рассматривает батареи как важную отрасль. К 2021 году страна намерена увеличить свою долю до 65%. В отличие от остального мира в Китае нет ведущих производителей аккумуляторов – работают отдельные компании, но их планируют консолидировать. Это гонка не ради спортивного интереса. Одна из причин, почему КНР ориентирована на литий-ионные аккумуляторы, – активный рост количества электромобилей и подзаряжаемых гибридов. С 2014 по 2018 год число «новых энергоэффективных транспортных средств» увеличилось в 12 раз – до 1,2 млн. В среднем на КНР приходится 60% от общего числа проданных электромобилей в мире. Именно поэтому страна лидирует также по объемам производимых литий-ионных аккумуляторов.

Европа старается не отставать. В 2021 году начнет работать новый крупномасштабный завод в Европе (на севере Швеции) – North Volt, основанный бывшими сотрудниками Tesla. К 2024 году планируют увеличить годовую мощность до 32 ГВт-ч, а позже – до 40 ГВт-ч. Крупные автомобильные концерны тоже инвестируют в фабрики по производству литий-ионных аккумуляторов: Volkswagen, например, выделил 1 млрд долл. для возведения аккумуляторного завода в Германии. Планируется, что мощность производства составит 16 ГВт-ч в конце 2023 года.

Суммарная мощность накопителей энергии уже в 2018 году достигла 221 ГВт-ч во всем мире. Примерно через 10 лет показатель увеличится почти на 400%. Прогнозируют, что к 2028 году, например, он составит 900 ГВт-ч.

Спрос на литий и его значение для отраслей народного хозяйства сложно переоценить. По прогнозу Bloomberg New Energy Finance, потребность в металле с 2018 по 2025 год вырастет в 4 раза. Основной спрос наблюдается со стороны производителей электротранспорта и бытовой электроники с литий-ионными АКБ. Именно эти отрасли и будут определять развитие мирового рынка металла.

Улучшать можно до бесконечности

Пока литий-ионные аккумуляторы остаются лучшим вариантом, но поиск более эффективных технологий продолжается. Например, литий-железо-фосфатные аналоги более термоустойчивы и обладают преимуществом в ресурсе работы, но плотность заряда у них меньше. Литий-полимерные более тонкие, их чаще используют для смартфонов. Отличие литий-титанатных АКБ – в быстрой зарядке, но есть недостаток – низкое напряжение одного элемента (3,2 В).

Постоянно происходит поиск новых технологий – каждые 6–12 месяцев появляются литий-ионные аккумуляторы с немного иными химическими соединениями и внутренней конструкцией, что влияет и на их характеристики. Новыми разработками занимаются лучшие специалисты мира. Для улучшения удельных показателей батареи наращивают слой электродной массы на фольге, корректируют толщину электрода или сепаратора, экспериментируют с материалами для производства.

Например, в сентябре 2020 года во время презентации Tesla Battery Day рассказали об улучшениях, внесенных в конструкцию батарей и их производство. По словам представителей компании, новый подход позволит снизить стоимость электромобиля – в итоге снизится и стоимость электрокаров. Чтобы изменить характеристики литий-ионных батарей, компания вложила в разработки около 5 млрд долл.

Повышение возможностей литий-ионных батарей пока считается лучшей идеей, но ученые не теряют оптимизма и предлагают миру совершенно новые разработки. Представители компании SolidEnergy Systems, где на протяжении 10 лет создавали литий-металлический аккумулятор (анод металлический, а не графитовый, как в обычных литий-ионных батареях), заявили: главная проблема при продумывании новых технологий в том, что с улучшением одного параметра часто ухудшаются остальные.

Кроме того, стартапу не так просто найти финансирование. Крупные компании могут позволить вложить в исследования большие деньги – например, в SolidEnergy Systems потратили около 4 млрд долл., но для стартапов, создающих технологии нового поколения, из них выделили по 40 млн долл. Небольшим компаниям приходится искать финансирование самостоятельно. При этом лишь создание небольшой производственной линии и решения сопутствующих вопросов требует около 500 млн долл.

На литии свет клином не сошелся

В мире техники нет ничего вечного. Поэтому такое техническое совершенство с точки зрения накопления и хранения энергии, как литиевая батарея, завтра уже может отправиться на свалку истории.

Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) вместе с коллегами из Австрии, Великобритании, Турции, Словакии и России (МИСИС, МГУ) придумали, как насыщать тонкие слои металлических стекол водородом при комнатной температуре, что сильно расширяет диапазон недорогих, энергоэффективных и высокопроизводительных материалов и методов, пригодных для развития водородной энергетики. Статья об этом опубликована в Journal of Power Sources.

Ученые разработали аморфную наноструктуру (металлическое стекло на основе FeNi), которую можно применять в водородной энергетике в качестве накопителя и хранилища водорода, в том числе в миниатюрных системах с водородным питанием, где такой накопитель сможет заменить литий-ионную батарею. Функционально металлическим стеклом можно заменить дорогостоящий палладий, применяемый в водородных системах сегодня. Таким образом, разработчики подошли к решению проблемы производства экономически целесообразных накопителей, отсутствие которых – главная преграда для развития водородной энергетики в промышленных масштабах.

«Водород – самый распространенный химический элемент во вселенной, чистый возобновляемый источник энергии, которым можно заменить используемые сегодня виды топлива. Однако хранение водорода – одна из главных технологических проблем. Один из ключевых материалов, используемых для хранения и катализа водорода, это палладий. Его высокая стоимость и умеренное сродство к окислительным или восстановительным средам при экстремальных условиях создают большие барьеры для промышленного применения, – объясняет Юрий Иванов, доцент кафедры компьютерных систем Школы естественных наук ДВФУ, один из участников исследования. – Проблему можно решить с помощью металлических стекол, непрозрачных сплавов аморфных металлов, которые не обладают кристаллической структурой. Эти сплавы имеют более высокую по сравнению с кристаллическим палладием стойкость к агрессивным средам, а их стоимость заметно ниже. Кроме того, в металлических стеклах есть так называемый свободный атомный объем, пространство между атомами, что позволяет в гораздо большей степени «пропитывать» их водородом по сравнению с материалами, имеющими кристаллическую структуру».

По словам ученого, металлическое стекло имеет огромный потенциал в энергетическом секторе благодаря аморфной структуре и отсутствию типичных дефектов, характерных для поликристаллических металлов (таких, например, как межзеренные границы), а также высокой стойкости к окислению и коррозии.

Уникальность исследования заключается еще и в том, что методы электрохимии применили для обогащения водородом (гидрирования) металлических стекол и одновременно для определения их способности поглощать водород. Стандартные методы обогащения материалов водородом (газовая адсорбция) требуют высоких температур и давлений. Это, во-первых, ухудшает характеристики металлических стекол, а во-вторых, в принципе ограничивает диапазон материалов, доступных для исследования.

В отличие от газовой адсорбции электрохимическое гидрирование приводит к взаимодействию водорода с поверхностью электрода из металлического стекла на основе FeNi при комнатной температуре, как в случае с палладием. Предлагаемый электрохимический метод может быть использован в качестве альтернативы общепринятому методу реакции «газ – твердое тело» для сплавов с низкой емкостью или низкими скоростями «пропитки»/«высвобождения» водорода.

Ученые также предложили новую концепцию – «эффективный объем», – с помощью которой будут определять, насколько эффективно металлические стекла впитывают и отдают водород. Для этого будут измерять толщину и состав области взаимодействия металлического стекла с водородом с помощью высокоразрешающей электронной микроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Цель будущих исследований научной группы – разработать и оптимизировать новые композиции металлических стекол для конкретных энергетических приложений.

Ранее ученые-материаловеды из ДВФУ, Кембриджа (Великобритания) и Китайской академии наук разработали методику «омоложения» объемных металлических стекол, наиболее интересных для практического применения. Их сделали более пластичными и устойчивыми к сверхкритическим нагрузкам. Доработанные металлические стекла можно применять во множестве областей – от гибкой электроники, разнообразных датчиков и сердечников трансформаторов до медицинских имплантов и защиты спутников.