Две независимые исследовательские группы сообщили о достижении в области разработки литий-серных аккумуляторов, которое поможет значительно ускорить зарядку и продлить срок их службы. Одна команда сосредоточилась на улучшении катодного материала, а другая разработала инновационный твёрдый электролит.

Источник изображения: DGIST

Как пишет TechSpot, первая работа, проведённая под руководством профессора Чон Сун Ю (Jong-sung Yu) из Корейского института науки и технологий DGIST, сосредоточилась на создании азот-допированного пористого углеродного материала, который улучшает скорость зарядки аккумуляторов. Этот материал, полученный с использованием термического восстановления магнием, служит основой для удержания серы в катоде батареи. Итоговые испытания показали впечатляющий результат — батарея достигла ёмкости 705 мА·ч/г при полной зарядке всего за 12 минут.

Источник изображения: DGIST

Уникальная углеродная структура, сформированная реакцией магния с азотом при высоких температурах, позволила увеличить содержание серы и улучшить контакт с электролитом. Это привело к 1,6-кратному увеличению ёмкости по сравнению с обычными батареями при быстрой зарядке. Кроме того, азотное допирование эффективно подавляло миграцию полисульфидов лития, что помогло сохранить 82 % первоначальной ёмкости даже после 1000 циклов зарядки-разрядки.

Второе исследование, выполненное китайскими и немецкими учёными, касалось разработки твёрдого электролита, который решает проблему медленной химической реакции между ионами лития и элементарной серой. Этот стекловидный материал состоит из бора, серы, лития, фосфора и йода. Ключевой особенностью здесь стало добавление йода, который, благодаря своей способности к быстрому обмену электронами, ускорил реакции в электроде.

Результаты второй группы оказались не менее интересными — аккумулятор, на зарядку которого потребовалось чуть более минуты, сохранил половину своей ёмкости, в то время как аккумулятор с более медленной зарядкой потерял эту ёмкость гораздо быстрее. При средней же скорости зарядки батарея сохранила более 80 % первоначальной ёмкости даже после 25 000 циклов, что по итогам значительно превосходит литийионные аналоги, которые теряют ёмкость уже после 1000 циклов.

В совокупности оба достижения приближают практическое применение литий-серных аккумуляторов и их коммерциализацию. В то время, как исследование китайских и немецких учёных направлено на преобразующий потенциал твёрдых электролитов в повышении долговечности аккумуляторов и скорости зарядки, работа команды DGIST показала перспективность передовых катодных материалов в сценариях быстрой зарядки.

Китайская компания General New Energy (GNE) представила прототип перспективного литий-серного аккумулятора с рекордной плотностью запасания энергии на уровне 700 Вт·ч/кг. Это более чем в три раза превышает возможности среднестатистических литийионных аккумуляторов. Также литий-серные аккумуляторы безопасны при эксплуатации и содержат меньше дефицитного сырья. Осталось дождаться серийного производства чудо-аккумуляторов, но о нём пока неизвестно.

Источник изображений: General New Energy

Компания General New Energy основана в 2022 году на базе международной группы учёных во главе с исследователем из Китая. Компания имеет собственные производственные мощности и намерена сама заниматься выпуском перспективных аккумуляторов. Заявленная рекордная плотность энергии прототипа литий-серного аккумулятора на уровне 700 Вт·ч/кг просто меркнет на фоне перспектив достижения ими плотности энергии 2600 Вт·ч/кг, что особенно важно для развития электрической авиации.

Литий-серные аккумуляторы разрабатывают много именитых компаний и стартапов. Это крепкие орешки для исследователей. Соединения серы имеют низкую проводимость и это снижает потенциал мощности литий-серных батарей. Также соединения серы и лития повышают вязкость электролитов, что снижает электропроводность и даже ведёт к усадке аккумуляторов, что грозит их физическим разрушением. Учёным пришлось много поработать, создавая компенсирующие недостатки серы присадки для электролитов и покрытия для катодов, в которых используется сера, тогда как аноды литий-серных аккумуляторов по-прежнему изготавливаются из металлического лития.

К счастью, прогресс есть. Литий-серные аккумуляторы появились в виде прототипов и исследуются автопроизводителями во многих странах. Как и любая новая технология — это пока дорого, но перспективы у нового типа аккумуляторов есть и они востребованы.

Группа китайских учёных представила прототип литий-серного аккумулятора, устойчивого к повреждениям. Целью работы являлось создание более безопасной альтернативы литийионным аккумуляторам, которые подвержены воспламенению при повреждениях. Новый аккумулятор показал абсолютную надёжность, продолжая работать даже после того, как его перегнули пополам, а потом половину отрезали.

Согнули. Источник изображений: Журнал ACS Energy Letters

Для литий-серных аккумуляторов большой проблемой остаётся низкое число циклов заряда и разряда, что сдерживает их коммерциализацию. Учёные из Университета электронных наук и технологий Китая, Китайского института передовых технологий хранения энергии на озере Тяньму, Китайской академии наук и канадского университета Британской Колумбии включились в поиск соединений и решений, которые могли бы повысить цикличность этих перспективных батарей.

В основе катодов перспективных Li-S-аккумуляторов были использованы сульфиды переходных металлов. Основная проблема с такими соединениями в том, что при высоком нагреве полисульфиды начинали активно перемещаться по электролиту, что вело к вспучиванию аккумуляторов и затуханию электрохимических реакций. Отчасти эту проблему решали электролиты на основе карбонатов, но они также создавали другую проблему — вызывали появление осадка (пассивацию) на электродах аккумулятора, что быстро сокращало количество циклов его работы.

Для защиты катода из сульфида железа (FeS₂) и анода с высоким содержанием металлического лития от выпадения осадка исследователи использовали три разных покрытия электродов: полиакриловую кислоту (PAA), полиакриламид (PAM) и полиэтиленоксид (PEO). Все эти соединения обладали хелатным эффектом (связывали «нехорошие» ионы), что предупреждало выпадение осадка на электродах. Эксперименты показали, что покрытие электродов полиакриловой кислотой дало наибольший эффект.

И отрезали...

После 300 циклов перезарядки прототип аккумулятора формфактора «мешочек» сохранил 72 % первоначальной ёмкости, показав полное отсутствие снижения после первых 100 циклов. Сгибание аккумулятора пополам, а затем отрезание его половины не привели к отказу и взрыву батареи, что произошло бы в случае обычного литий-ионного аккумулятора, что доказывает абсолютную безопасность перспективных батарей. Однако над ними ещё предстоит немало работы до перехода к коммерческому производству. Возможно, с литий-серными аккумуляторами дела лучше обстоят у американских разработчиков, которые уже наладили их ограниченное массовое производство. Но это другая история.

Потребность в литии на Земле настолько велика, что вскоре это может стать проблемой глобального масштаба. Его ресурсы на планете крайне ограничены, тогда как спрос на это базовое сырьё для производства аккумуляторов постоянно растёт. Одним из решений проблемы дефицита лития может стать его извлечение из отработанных аккумуляторов. Однако пока это крайне затратный, грязный и очень длительный процесс. Но его можно ускорить, утверждают учёные.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Исследователи из Университета Райса работали над созданием «зелёной» технологии извлечения лития из бывших в употреблении батарей. Они начали с того, что позаимствовали рецепт растворителя из области «зелёной» химии. Химики, как и все остальные озабоченные экологией учёные, искали для реакций с растворителями что-то более безопасное для окружающей среды. Такой находкой стали открытые в начале 2000-х годов глубокие эвтектические растворители (ГЭР или DES, по-английски). Это экологически чистые жидкости, которые оказались способны осаждать литий и другие металлы из раствора.

«Скорость [традиционного] восстановления очень низкая, потому что литий обычно выпадает в осадок последним после всех других металлов, поэтому нашей целью было выяснить, как мы можем воздействовать конкретно на литий, — пояснила Сальма Алхашим (Salma Alhashim), которая является одним из ведущих авторов исследования. — Здесь мы использовали DES, представляющий собой смесь хлорида холина и этиленгликоля, зная из нашей предыдущей работы, что во время выщелачивания в этом DES литий оказывается в окружении хлорид-ионов из хлорида холина и выщелачивается в раствор».

Но это было лишь частичным решением проблемы ускоренного восстановления лития из раствора. В целом было известно о таком свойстве хлорида холина, как усиленное поглощение этим соединением микроволнового излучения. И это стало отличным катализатором процесса! Исследователи смогли выделить литий почти в 100 раз быстрее, чем в традиционной масляной ванне. Фактически, им потребовалось всего 15 минут, чтобы восстановить 87 % лития — процесс, который занял бы 12 часов при использовании масляной ванны.

«Это позволило нам избирательно выщелачивать литий по сравнению с другими металлами, — рассказала Сохини Бхаттачарья (Sohini Bhattacharyya ), другой ведущий автор работы. — Использование микроволнового излучения для этого процесса сродни тому, как кухонная микроволновая печь быстро разогревает пищу. Энергия передается непосредственно молекулам, благодаря чему реакция протекает намного быстрее, чем при обычных методах нагрева».

Поскольку химические составы DES-растворителей меняются достаточно гибко, их можно настраивать на извлечение других элементов из растворов, например, кобальта или никеля. Процесс оказывается настолько чистым и быстрым, что это может многое изменить в будущих цепочках поставок и утилизации литийсодержащих аккумуляторов.

На аккумуляторном заводе в Южной Корее недалеко от Сеула произошёл крупный пожар, который произошёл после взрыва литийионной батареи. Погибло более 20 человек, большинство из которых были гражданами Китая. Ещё двое рабочих находятся в тяжёлом состоянии, передаёт агентство Reuters.

Источник изображения: Reuters

Трагедия на заводе Aricell в Хвасоне, что недалеко от столицы Южной Кореи Сеула, унесла жизни 22 человек. Взрыв произошёл в понедельник утром, когда на заводе находилось около 100 рабочих. Большинство погибших были гражданами Китая, сообщили местные пожарные.

Источник изображения: Reuters

Пожар, последовавший за взрывом, продолжался более четырёх часов, прежде чем спасателям удалось взять пламя под контроль. Крыша здания была повреждена, а части верхнего этажа обрушились. На момент инцидента на заводе хранилось около 35 000 аккумуляторных батарей.

Источник изображения: Reuters

Президент Южной Кореи Юн Сук Ёль (Yoon Suk-yeol) призвал власти продолжать «концентрироваться на поиске и спасении людей». По словам профессора пожарной и аварийно-спасательной техники Ким Чжэ Хо (Kim Jae-ho), спасателям было трудно добраться до места происшествия быстро, поскольку никель и другие материалы, из которых изготовлены батареи, легко воспламеняются. Кроме того, в этих батареях сработала «цепная реакция», которая приводила к постоянным взрывам.

Источник изображения: Reuters

Точная причина трагедии на заводе Aricell пока не установлена, но эксперты полагают, что это могло быть вызвано физическим повреждением, какими-либо дефектами или электрическим повреждением батарей, также сообщает PCMag.

Известно, что литиевые батареи, которые используются в телефонах, ноутбуках и электромобилях, взрываются или загораются из-за явления, известного как тепловой разгон, которое может возникнуть при перегреве или повреждении батареи. Этот промышленный инцидент стал одним из самых серьёзных в Южной Корее за последние годы, вызвав широкий общественный резонанс. Власти Хвасона советуют населению оставаться дома и закрывать окна из-за дыма от пожара.

Сообщается, что молодая компания Lyten из США разослала производителям автомобильного оборудования из США и ЕС первые серийно выпущенные образцы литий-серных аккумуляторов (Li-S) для оценки их возможностей. Образцы также получила компания Stellantis, которая в мае 2023 года инвестировала в Lyten значительные средства и теперь надеется увидеть отдачу.

Источник изображения: Lyten

Литий-серные аккумуляторы обещают быть дешевле литий-ионных и, как минимум, не будут зависеть от таких дефицитных ископаемых, как никель, марганец и кобальт, которые традиционно используются для изготовления катодов литий-ионных аккумуляторов. Для США, которые вынуждены завозить эти ресурсы из-за границы, это важный момент для создания гарантированной цепочки поставок сырья.

Компания Lyten смогла адаптировать линии для выпуска литий-ионных аккумуляторов к производству литий-серных. При этом она изменила конструкцию и состав электродов аккумуляторов. Катод её литий-серной батареи представляет собой патентованную структуру из 3D-графена. Предложенное решение значительно повысило стабильность работы литий-серного аккумулятора, которые в альтернативных вариантах страдают от высокой скорости износа и быстрой потери ёмкости.

В качестве анода разработчики из Lyten вместо традиционного графита использовали литий-металлический композит, который также повысил стабильность работы литий-серного аккумулятора. В конечном итоге компания смогла приступить к мелкосерийному производству аккумуляторов ёмкостью 6 А·ч на своей опытной линии в Сан-Хосе, штат Калифорния. Именно эти аккумуляторы в формфакторе «мешочек» были разосланы заинтересованным производителям и компании Stellantis в частности. Литий-серные аккумуляторы в цилиндрическом формфакторе производитель обещает начать выпускать позже в текущем году.

Параллельно опытному производству революционных аккумуляторов компания Lyten проектирует крупномасштабный завод для их выпуска. На сегодняшний день компания Lyten привлекла более $410 млн долларов в виде акционерного капитала, включая деньги от Stellantis и даже $4 млн от Министерства энергетики США. Все они считают разработку Lyten очень и очень перспективной.

Компания Natron Energy запустила в серийное производство альтернативы литийионным аккумуляторам. Натрий-ионные батареи заряжаются на порядок быстрее традиционных литиевых, и при этом служат в 5 раз дольше. Но что ещё важнее, натрия на Земле гораздо больше, чем лития.

Источник изображения: Natron Energy

Американская компания Natron Energy, основанная в 2013 году, начала серийное производство инновационных натрий-ионных аккумуляторов, которые могут стать реальной альтернативой традиционным литий-ионным батареям. По сравнению с широко используемыми литийионными аккумуляторами, натрий-ионные обладают рядом преимуществ. В частности, запасы натрия на Земле превышают запасы лития в 500-1000 раз. Кроме того, добыча натрия не наносит столь серьезного ущерба окружающей среде. И наконец, в производстве натрий-ионных батарей Natron используются широкодоступные материалы — алюминий, железо и марганец, благодаря которым удастся минимизировать зависимость от поставок редкоземельных металлов вроде кобальта из нестабильных регионов.

Конечно, есть у натрий-ионных батарей и недостаток — по плотности хранения энергии они пока уступает литийионным. Зато натриевые аккумуляторы более безопасны, поскольку не воспламеняются, экологичны и менее подвержены колебаниям цен из-за геополитической нестабильности. В отличие от кобальта и никеля, используемых в литийионных аккумуляторах, все компоненты натриевых батарей Natron производятся в США.

Первыми потребителями инновационных батарей станут крупные центры обработки данных, ориентированные на задачи искусственного интеллекта. При этом быстрая зарядка позволит эффективно накапливать энергию в часы пиковой выработки от солнечных или ветровых электростанций и отдавать ее в периоды повышенного потребления.

В дальнейшем компания планирует расширять производство и завоевывать новые сегменты рынка. В частности, в качестве возможной отрасли были названы электромобили, где быстрая зарядка и безопасность придутся как нельзя кстати, а также на телекоммуникации. Уже к 2025 году Natron рассчитывает нарастить выпуск натрий-ионных аккумуляторов до нескольких гигаватт-часов в год. Это позволит сделать их конкурентоспособной и экологичной альтернативой литию.

Исследователям Стэнфордского университета удалось установить, что литийметаллические аккумуляторы способны увеличивать свой срок службы, если их время от времени полностью разряжать и оставлять в таком состоянии. Одновременно после такой манипуляции повышается фактическая ёмкость аккумулятора, как показало исследование.

Источник изображения: Samsung SDI

По информации Electrek, такими выводами в своей статье в журнале Nature делится студент Стэнфордского университета Вэньбо Чжан (Wenbo Zhang), который занимается материаловедением и инженерными дисциплинами. Авторами исследования был найден простейший и доступнейший способ улучшения эксплуатационного ресурса литийметаллических аккумуляторов. Оставляя их в разряженном состоянии на какое-то время, можно добиться не только восстановления утраченной ёмкости, но и эксплуатационного ресурса батареи. Реализовать этот эффект можно исключительно за счёт программного обеспечения, управляющего процессом заряда аккумуляторов, а потому экономический эффект от внедрения этого новшества будет весьма высоким.

Как правило, литийметаллические аккумуляторы способны на 30 % превосходить литийионные по удельной ёмкости в пересчёте на массу, но при этом они уступают им в эксплуатационном ресурсе, поэтому применять их на том же электротранспорте достаточно проблематично. Американские исследователи выяснили, что нивелировать этот недостаток частично можно за счёт изменения алгоритма зарядки. Правда, пользователь при этом должен понимать, что эксплуатируемое им устройство или транспортное средство в какой-то момент захочет «отдохнуть» с разряженной батареей, чтобы частично восстановить её ресурс. Программное обеспечение должно выбирать удобный для человека период для проведения подобных технических мероприятий. Впрочем, ПО можно настроить таким образом, чтобы ячейки в составе батареи «тренировались» поочерёдно, без ущерба для общей доступной пользователю ёмкости.

В процессе эксплуатации аккумуляторов литийметаллического типа формируются отдельные частички лития, которые не возвращаются обратно в электролит при регулярных циклах зарядки и разрядки, тем самым сокращая ресурс анода. Учёным в ходе эксперимента удалось частично вернуть эти крохотные кусочки лития в состав анода, оставив аккумулятор в разряженном состоянии всего на один час. Этим способом можно восстанавливать не только рабочую ёмкость литийметаллических аккумуляторов, но и увеличивать срок их службы. Поскольку типовая тяговая батарея электромобиля содержит до 4000 аккумуляторных ячеек, программным способом их можно реабилитировать поочерёдно, не создавая особых неудобств при эксплуатации.

Себестоимость литийионных аккумуляторных батарей, по данным Benchmark Mineral Intelligence, снизилась в августе на 10 % до $98,2 за кВт‧ч, что формально позволяет производителям электромобилей предлагать машины, сопоставимые по цене с аналогами на основе ДВС. Подобное снижение цен на батареи наблюдается впервые за два года.

Источник изображения: BYD

Как известно, в стоимости электромобиля до 40 % может занимать тяговая батарея, поэтому динамика цен на сырьё для изготовления аккумуляторов существенно влияет на доступность электромобилей в целом. По словам аналитиков Benchmark Mineral Intelligence, при стоимости хранения 1 кВт‧ч электроэнергии не более $100 у автопроизводителей появляется возможность не только предлагать машины на электротяге за сопоставимые деньги с автомобилями на ДВС, но и получать при этом сопоставимую прибыль, что важно для развития бизнеса и отрасли в целом. Конечно, такое утверждение справедливо лишь для машин определённых ценовых диапазонов, поскольку для электромобилей начального уровня оно обретёт актуальность гораздо позже.

Десять лет назад средняя стоимость хранения 1 кВт‧ч электроэнергии в тяговых батареях электромобилей достигала $668. К марту 2022 года она достигла $146,4, а к августу текущего года опустилась от этого уровня ещё на треть. По мнению аналитиков TrendForce, постепенно снижение цен на этом рынке будет наблюдаться как минимум до конца текущего года.

В этом году снижению цен на тяговые аккумуляторы во многом способствовала динамика цен на сырьё. С начала года стоимость лития опустилась более чем на 50 %, никель и кобальт тоже значительно упали в цене. С другой стороны, спрос на электромобили растёт не так активно, как рассчитывали производители. В США, например, производители по состоянию на июнь располагали складскими запасами готовых электромобилей на 100 дней, что более чем в три раза превышает прошлогодний показатель.

В августе геологам удалось обнаружить на границе штатов Орегон и Невада крупное месторождение соединений лития — до 40 млн т, по предварительным оценкам, что делает его крупнейшим из разведанных в мире. Только запасов лития в одном этом месторождении хватит, чтобы снабжать промышленность литиевыми аккумуляторами на протяжении нескольких десятилетий. Илон Маск (Elon Musk) не раз отмечал, что литий достаточно распространён на нашей планете, и проблемой электромобильной отрасли является не дефицит запасов сырья как таковых, а нехватка мощностей по его переработке. По мере расширения этого направления деятельности должны становиться доступнее и литиевые батареи в целом, что уже и наблюдается экспертами.

В последние пару лет чаще приходится слышать о стремлении немецких производителей перенести предприятия в США, но существует и обратная тенденция, пусть и не столь явно выраженная. Во всяком случае, американский стартап Group14 Technologies собирается перевооружить простаивающее предприятие в Германии под выпуск сырья для перспективных литий-кремниевых тяговых аккумуляторов.

Источник изображения: Group14 Technologies

Об этом сообщает издание Financial Times и напоминает о поддержке указанного стартапа немецкой маркой Porsche, надеющейся за счёт нового химического состава тяговых батарей увеличить плотность хранения заряда и поднять скорость его пополнения. Американский стартап не скрывает, что немецкий проект реализуется при поддержке местных автопроизводителей, заинтересованных в доступе к сырью «некитайского происхождения». В сфере поставок графита, который используется при изготовлении анодов литиевых аккумуляторов, Китай занимает доминирующее положение. Европейские автопроизводители пытаются подстраховать себя за счёт иных источников сырья, и в этом отношении переход на кремний в качестве одного из материалов изготовления анода является неплохой альтернативой.

Предприятие Group14 в Германии будет запущено на базе уже имеющегося завода по производству силана, который в настоящий момент простаивает. Запуск производства необходимого сырья должен состояться в максимально сжатые сроки, поскольку поставщики заинтересованы в снижении зависимости от Китая и переходе на тяговые аккумуляторы с более прогрессивным химическим составом. Помимо Porsche в качестве стратегического инвестора, стартап Group14 у себя на родине в США получает поддержку и от государства. Молодой компании удалось получить грант на развитие в сумме $100 млн.

Графит не только вынуждает производителей аккумуляторов зависеть от китайских поставок, но и оставляет серьёзный углеродный след при своей переработке, уступая в этом отношении только никелю. Переход на кремний для изготовления анодов позволяет уменьшить ущерб окружающей среде при производстве тяговых аккумуляторов. Правда, у этого материала есть и серьёзный эксплуатационный недостаток: при зарядке и разрядке аккумулятора он заметно расширяется и сжимается, сокращая эксплуатационный ресурс батареи. Аноды с содержанием кремния оказываются и дороже выпускаемых с использованием графита, поэтому на скорое распространение соответствующий батарей рассчитывать не приходится.

В интервью «Интерфаксу» вице-премьер, министр промышленности и торговли РФ Денис Мантуров сказал, что ожидает полного импортозамещения по литию в России к 2025 году. Эксперты считают более вероятным, что заместить импортное литиевое сырьё получится ближе к 2030 году, хотя в условиях санкций процессы действительно могут ускориться. В любом случае через несколько лет Россия будет иметь полный цикл избыточного производства лития от добычи до очистки.

Пример продукции «РЭНЕРА». Источник изображения: «Росатом»

С прошлого года перерабатывающие предприятия в России получают лишь около 30 % от необходимого объёма литиевого сырья. Основными поставщиками литиевого сырья (карбоната лития) были Чили (50 %), Аргентина (35 %) и Китай (12 %). Первые две страны отменили поставки из-за введённых в 2022 году санкций против России. Китай продолжает поставки, но сам испытывает дефицит этого сырья и, как минимум, не может увеличить объёмы отгрузки. Кроме Китая литиевое сырьё в Россию поставляет Боливия и сегодня, по-видимому, это основной поставщик этого материала.

Литий нужен для производства аккумуляторов для электромобилей и для выпуска электроники. Но в основном он расходуется на батареи для электромобилей, парк которых растёт не по дням, а по часам. На данный момент в России необходимые месторождения не разрабатываются, и это упущение власти надеются ликвидировать со всей возможной скоростью.

По словам Мантурова, в текущем году может начаться опытно-промышленная отработка техногенных отвалов Завитинского литиевого месторождения в Забайкальском крае. Другие проекты ожидают своей реализации на Талангуйской перспективной площади в Забайкалье и на Ярактинском нефтегазоконденсатном месторождении. Нынешнее заявление о полном импортозамещении литиевого сырья российским к 2025 году отличается от предыдущих высказываний представителей властей.

Так, в апреле директор департамента металлургии Минпромторга Владислав Васильев говорил журналистам, что закрыть потребности России в литии за счёт организации его производства внутри страны планируется к 2030 г. Как пояснили «Ведомости», он уточнял, что к 2026 г. планируется запустить первый проект по производству литиевого сырья, но к этому времени «еще импортонезависимости не будет» — она будет достигнута через три года после этого.

Стратегия развития металлургической промышленности РФ до 2030 года предполагает, что потребности России в литии должны быть обеспечены за счет добычи в 2023–2030 годах на Колмозерском («Полярный литий» — СП «Норникеля» и «Росатома»), Полмостундровском (разработчики — «ТД Халмек» и Химико-металлургический завод), Ковыктинском («Газпром»), Ярактинском (Иркутская нефтяная компания) и Завитинском месторождениях.

Месторождение Колмозерское в Мурманской области может считаться крупнейшим в России по запасам лития — до 75 млн т. Осваивать его будет «Полярный литий», который заплатил за это 1,7 млрд руб. Объект ежегодно будет выдавать 45 тыс. т карбоната и гидроксида лития, но выход на проектную мощность ожидается не ранее 2030 года. На Полмостундровском месторождении тоже в Мурманской области опытно-промышленная эксплуатация начнётся в этом году с добычи 1000 т карбоната лития в год. К 2026 году объёмы будут увеличены до 20 тыс. т в год. Всего потребности России в литии к 2030 году оцениваются в 85 тыс. т в год.

Переработкой литиевого сырья в чистый металл занимаются такие предприятия, как Химико-металлургический завод в Красноярске, Новосибирский завод химических концентратов (входит в «Росатом») и «Халмек» в Тульской области. Продукция в основном производилась на экспорт. Для потребления лития внутри России в Калининградской области структура «Росатома» «Рэнера» (входит в АО ТВЭЛ) собирается строить завод для производства литиевых аккумуляторных ячеек по южнокорейским технологиям. Завод будет потреблять около 3000–4000 т сырья в год в пересчёте на карбонат лития. До санкций Россия ежегодно завозила до 7500 т карбоната лития. Возможно, к 2025 году потребности калининградского завода действительно закроют отечественным сырьём.

С учётом планов реализации электромобилей потребность России в литии к 2030 году может достичь 30–50 тыс. т в год. Ещё 10 % спроса добавит производство электроники. Во всём мире спрос на литий будет просто огромный, что оставит пространство для продажи излишков за рубеж — в основном в Китай и страны Юго-Восточной Азии.

В Министерстве энергетики США подсчитали, что не менее 70 % литиевых месторождений в стране представлены в виде растворов солей лития. Добывать «аккумуляторный» металл из рассолов можно прямой добычей, что будет чисто и эффективно. Этой технологией начали интересоваться нефте- и газодобывающие компании в США, которые в процессе добычи ископаемого топлива часто сталкиваются с рассолами.

Персонал компании Standard Lithium готовится к извлечению рассолов с солями лития. Источник изображения: Pitts Media

Сегодня 92 % металлического лития из ежегодно добываемого во всём мире поступает из Австралии, Чили и Китая (добыча 2022 года — 130 тыс. т). В основном литий добывается из отвалов руды, но в Чили, например, он получается в процессе выпаривания рассолов в открытых бассейнах. Каждый из этих видов первичной переработки сырья наносит ощутимый вред экологии и в США не желают иметь с ним ничего общего.

Прямой метод добычи солей лития из рассолов подразумевает ту или иную фильтрацию содержащих соли лития жидкостей с извлечением до 90 % солей в противовес примерно 50 % при извлечении методом выпаривания в открытых бассейнах. А отфильтрованную таким образом воду можно закачать обратно в землю. Главный минус прямой добычи лития из рассолов — каждый раз его состав уникален и кроме ионов лития содержит соли множества других металлов. Поэтому универсального способа фильтровки нет, и пока не ожидается.

Нефтяники постоянно имеют дело с рассолами, в которых часто обнаруживается литий. Они вполне могут заняться его попутной добычей, а также его извлечением из исчерпавших себя нефтяных и газовых скважин. Ряд компаний уже занялись отработкой технологий по добыче в США лития из рассолов.

Так, в Арканзасе, который в настоящее время является незначительным производителем нефти и газа, компания Standard Lithium запускает демонстрационную установку по извлечению лития из рассола нефтяных месторождений. В Канаде компания E3 Lithium начала работать с местной нефтегазовой компанией над производством металла из истощённого нефтедобывающего месторождения. А в нефтеносном бассейне в Западном Техасе и Нью-Мексико буровая компания Devon Energy совместно с другими компаниями тестирует методы получения лития из загрязнённой воды, которую она качает вместе с нефтью и газом после разрыва пластов

В Канаде компания E3 Lithium намерена добывать металл в районе на одном из истощённых нефтяных месторождений (Leduc), где, по её оценкам, содержится около 16 млн т лития, что примерно в пять раз больше, чем в обычных месторождениях лития в Канаде. Компания получила канадские федеральные гранты на общую сумму более 30 млн канадских долларов (около $22 млн). В проекты E3 Lithium также инвестировала Exxon через подконтрольную компанию Imperial Oil, надеясь получить сырьё и технологии.

E3 Lithium планирует начать работу на экспериментальном заводе по добыче в третьем квартале 2023 года и надеется первоначально производить 20 000 т гидроксида лития в год. Она будет поднимать рассол с глубины 2,4 км как из существующих, так и из новых скважин. Затем жидкость будет направляться по трубопроводам на предприятие, где сорбирующий материал будет улавливать литий и отбрасывать примеси, создавая концентрированную жидкость, которая затем будет перерабатываться в материал для батарей.

Значительную концентрацию лития надеются найти в районе города Смаковер в южном Арканзасе. Компания Exxon Mobil в этом году приобрела права на бурение в этом регионе, который она намерена разрабатывать с целью извлечения лития. По некоторым оценкам, концентрация металла там может превышать 500 мг/л, по сравнению с примерно 75 мг/л на месторождении Leduc.

С 2020 года компания Standard Lithium совместно с немецким химическим производителем Lanxess эксплуатирует завод промышленного масштаба в районе Смаковера. Рассол, который Lanxess перерабатывает для получения брома, поступает на завод со скоростью около 11 тыс. л/мин. Используя тот же рассол, Standard Lithium рассчитывает производить на этом заводе чуть менее 6 000 т солей лития в год и планирует достичь производства 50 000 т по всем проектам компании в Арканзасе.

Растущая потребность в литии, обеспокоенность зависимостью от поставок из Китая, а также федеральные и частные инвестиции в передовые методы извлечения этого металла дают надежду, что это направление получит толчок в развитии и выйдет на интересные результаты.

Исследовательская группа Университета Тохоку разработала прототип металло-кальциевой (Ca) аккумуляторной батареи, способной выдержать 500 циклов заряда-разряда — это является эталонным показателем для практического использования. О прорыве было сообщено в журнале Advanced Science 19 мая 2023 года.

Источник изображения: pixabay

В связи с ростом использования электромобилей и крупномасштабных систем хранения энергии необходимость изучения альтернатив литийионным батареям как никогда высока. Одной из таких замен являются металлические батареи на основе кальция. Являясь пятым по распространённости элементом в земной коре, кальций широко доступен и недорог, а также имеет более высокий потенциал плотности энергии, чем литий. Также считается, что его свойства помогают ускорить перенос ионов и диффузию в электролитах и катодных материалах, что даёт ему преимущество перед другими альтернативами литийионным батареям, такими как магний и цинк.

Однако на пути коммерческой эксплуатации металло-кальциевых батарей остаётся много препятствий. Отсутствие эффективного электролита и катодных материалов с удовлетворительными условиями хранения элемента оказались основными камнями преткновения. Ещё в 2021 году члены нынешней исследовательской группы нашли решение первой проблемы, создав новый бесфторный электролит на основе кластера водорода (монокарборана). Электролит продемонстрировал заметно улучшенные электрохимические характеристики, такие как высокая проводимость и высокая электрохимическая стабильность.

Источник изображения: Kazuaki Kisu

«В рамках нашего текущего исследования мы протестировали длительную работу металлической батареи на основе кальция с катодом из наночастиц сульфида меди (CuS) и углеродного композита с электролитом на основе гидрида» — рассказал Казуаки Кису (Kazuaki Kisu), доцент Института исследования материалов (IMR) Университета Тохоку. Являясь природным минералом, CuS обладает благоприятными электрохимическими свойствами. Его слоистая структура позволяет ему хранить различные катионы, включая литий, натрий и магний. Его теоретическая ёмкость составляет 560 мА·ч на грамм — это в два-три раза больше, чем у существующих катодных материалов для литийионных батарей.

Благодаря наночастицам и композиту с углеродными материалами Кису и его коллегам удалось создать катод, способный накапливать большое количество ионов кальция. При использовании электролита гидридного типа они создали батарею с очень стабильными показателями циклической работы. Прототип батареи сохранит 92 % ёмкости после 500 циклов.

Группа уверена, что их открытие поможет продвинуть исследования в области катодных материалов для батарей на основе кальция.