Американская компания Nanotech Energy пообещала наладить в начале 2024 года производство невоспламеняемых литиевых аккумуляторов формфактора 18650. Выпуском будет заниматься местный производитель — компания Voltaplex, которая уже начала принимать заказы. Батареи Nanotech Energy никогда не подожгут дом, автомобиль или скутер, поскольку им не страшны физические повреждения и перегрев.

Источник изображения: Nanotech Energy

Массовые литийионные аккумуляторы подвержены возгоранию, если в их структуре произошли дефектные изменения или нагрев превысил допустимое значение. Дефекты ведут к короткому замыканию с воспламенением электролита. Самое неприятное, что в процессе штатной работы батарей на электродах нарастают так называемые дендриты — осаждается литий и растёт подобно иглам, пока не протыкается сепаратор и не возникает замыкание. Чего только ни придумано, чтобы ликвидировать или хотя бы уменьшить опасность пожаров, но электромобили, велосипеды и повербанки продолжают гореть и даже уносить с собой жизни людей.

Компания Nanotech Energy стала одной из многих, кто обещает производство пожаробезопасных литиевых батарей. Она разработала технологию с использованием графена и патентованного электролита. В серии роликов компания показывает, что разрушение её литиевых элементов не сопровождается воспламенением.

Утверждается, что аккумуляторы Nanotech Energy производятся в США и рассчитаны на работу при температуре от -40 °C до +60 °C. Элементы не загораются при температуре 180 °C. Формфактор батарей может быть любым для разнообразного коммерческого использования.

Компания Toshiba не идёт в первых рядах производителей литиевых аккумуляторов, но может стать пионером в области выпуска высоковольтных литийсодержащих батарей. Представленный сегодня прототип такой батареи выдаёт напряжение 5 В и обладает ёмкостью 1,5 А·ч, а также поддерживает быструю зарядку и обещает 6000 циклов заряд/разряд. Электроинструмент и электромобили получат более мощные источники автономного питания.

Прототип литиевого элемента класса 5 вольт. Источник изображения: Toshiba

Современные литиевые аккумуляторы обладают рабочим напряжением ниже 4 В. С самого начала изобретения литиевых элементов питания шла борьба за повышение напряжения, что обеспечило бы повышение мощности и ёмкости. Шаг вперёд с 4 до 5 В и со временем ещё дальше сделает батареи ещё привлекательнее с точки зрения практической ценности.

В основе революционной батареи Toshiba лежит катод без содержания кобальта и с низким содержанием никеля. Анод изготовлен из оксида ниобия-титана (NTO). Катоды изготовлены таким образом, что подавляют газообразование в аккумуляторе, которое стало основным препятствием на пути появления высоковольтных литиевых аккумуляторов.

Прототип демонстрирует впечатляющую износостойкость — допуская без значительной потери ёмкости до 6000 циклов заряда и разряда. «В ходе испытаний батарея продемонстрировала высокое напряжение свыше 3 В, быструю зарядку до 80 % емкости за 5 минут, высокие показатели мощности и отличные характеристики срока службы даже при температуре 60 ℃», — заявили в Toshiba.

Высоковольтные литиевые элементы вдохнут новую жизнь в электроинструмент, электромобили и другие устройства, для которых важны будут высокая мощность в сочетании с длительным временем работы. Для электромобилей, уточняют в компании, будет разработана аккумуляторная ячейка большего размера, чем показанная в качестве прототипа. Однако в продаже новинка появится не раньше 2028 года, поэтому её придётся подождать.

Прошлогодний рост цен на материалы для изготовления литийионных аккумуляторов сменился затяжным падением в этом году. По крайней мере, цены на соединения лития, применяемые при изготовлении тяговых батарей электромобилей и аккумуляторов мобильных устройств, с начала текущего года снизились на 75 %, и даже не думают останавливаться.

Источник изображения: Kumpan Electric, Unspash

Крупнейшим переработчиком лития остаётся Китай, хотя эта страна зависит и от импортируемого сырья, а не только полагается на собственное. Цены на карбонат лития, который используется для получения этого металла после переработки, в Китае только за четверг снизились на 2,3 %, а всего они с начала месяца опустились на 20 %. Рост цен был в последний раз зарегистрирован 25 октября, когда одна из добывающих сырьё в Австралии компаний сообщила о двукратном сокращении объёмов поставок.

По прогнозам Benchmark Mineral Intelligence, мировой рынок лития не вернётся к состоянию дефицита до 2028 года. В следующем году объёмы добычи соединений лития вырастут дополнительно, лишь усилив тенденцию к снижению цен. Тем более, что спрос на электромобили в отдельных регионах не растёт теми темпами, на которые рассчитывали участники рынка. Второй по величине в мире поставщик лития SQM на прошлой неделе предупредил инвесторов о возможности снижения цен на продукцию в оставшееся до конца года время. Крупнейший поставщик лития Albemarle в этом месяце предупредил о снижении активности добывающих компаний в связи с приближением цен на сырьё к границе рентабельности.

Кобальт является не только дорогим и относительно редким элементом, но и идеологически токсичным, поскольку при его добыче в Конго, как принято считать, страдают люди. Японским учёным удалось создать литийионные аккумуляторы без кобальта, которые обладают более высокой плотностью хранения заряда и при этом могут выпускаться на существующих производственных линиях.

Источник изображения: Токийский университет, Nikkei

Последнее обстоятельство подразумевает, что производить аккумуляторы нового типа можно будет на уже существующих предприятиях без их серьёзной модернизации, а это позволит сэкономить деньги. Традиционно литийионные аккумуляторы с содержанием никеля одновременно использовали в своём составе кобальт и марганец. Аккумуляторы на основе фосфата железа обходились без кобальта, что позволяло выпускать их со сниженными на 30 % затратами. Помимо дороговизны, кобальт представляет угрозу для окружающей среды при неправильной утилизации, поэтому поводов для его замены накопилось немало.

Учёные Токийского университета, как поясняет Nikkei Asian Review, разработали литийионные аккумуляторы, которые содержат никель, марганец, кремний и кислород, помимо самого лития, разумеется. Такое сочетание элементов, как показали эксперименты, допускает работу с более высокими напряжениями. Для электромобилей это хорошо тем, что скорость зарядки тяговой батареи можно будет увеличить за счёт использования более мощных зарядных станций.

Предыдущие прототипы таких аккумуляторов при этом страдали от низкого ресурса по циклам зарядки и разрядки. Японским учёным удалось решить проблему за счёт усовершенствования состава электролита. Созданный ими прототип аккумуляторной ячейки в формфакторе «монетки» смог по итогам испытаний с 1000 циклов разрядки сохранить 80 % своей номинальной ёмкости. У аккумуляторов такого типа на 60 % выше оказалась плотность хранения заряда по сравнению с LFP-аккумуляторами, которые на сегодня считаются самой жизнеспособной версией батарей без кобальта. Теоретически, у новых аккумуляторов плотность хранения заряда может оказаться даже выше, чем у содержащих кобальт. Сейчас перед разработчиками стоит задача по изучению сокращения ресурса аккумуляторов нового типа с течением времени. Если технология производства таких аккумуляторов себя зарекомендует, её можно будет заполучить по лицензии.

Специалисты разных стран мира ведут поиск новых химических составов аккумуляторов, которые позволили бы улучшить потребительские качества тяговых батарей электромобилей сразу по нескольким критериям. Китайским учёным удалось усовершенствовать состав литий-серных батарей, увеличив их эксплуатационный ресурс без ущерба для остальных характеристик.

Источник изображения: Reuters

Как поясняет Nikkei Asian Review, в литий-серных аккумуляторах катоды изготавливаются из серы, что позволяет снизить себестоимость производства и увеличить ёмкость аккумулятора в два раза по сравнению с литийионными аналогами. При этом существовавшие до этого прототипы литий-серных батарей страдали от низкого эксплуатационного ресурса, поскольку выдерживали лишь ограниченное количество циклов зарядки и разрядки. Версии с жидким и твёрдым электролитом в равной мере с трудом преодолевали тысячу таких циклов.

По данным первоисточника, представителям Китайской академии наук удалось создать литий-серный аккумулятор, способный после 1400 циклов зарядки и разрядки сохранить до 70 % своей изначальной ёмкости. Данное открытие приближает литий-серные аккумуляторы к коммерческой пригодности. Новшество, предложенное китайскими исследователями, заключается в сочетании угольных нанотрубок с серой, поскольку такая структура способствует лучшему перемещению в ней ионов и электронов, ибо чистая сера плохо проводит электричество. Данное открытие должно приблизить создание практичных высокоэффективных литий-серных батарей с твердым электролитом.

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.

Доктор Джон Гудинаф (John Goodenough), известный как создатель литийионных аккумуляторов, ушёл из жизни в возрасте ста лет, сообщил Техасский университет в Остине (США). Батареи этого типа продолжают широко использоваться в смартфонах, ноутбуках и электромобилях.

Источник изображения: utexas.edu

Учёные исследовали литиевые батареи и раньше, но только доктору Гудинафу удалось добиться крупного прорыва в 1980 году, когда он работал в Оксфордском университете — он изготовил катод со слоями оксида лития и кобальта, что помогло обеспечить высокое напряжение и приемлемый уровень безопасности. Аккумуляторы нового типа оказались более ёмкими в сравнении со своими предшественниками — свинцово-кислотными (продолжают использоваться в автомобилях) и никель-кадмиевыми (применяются в портативной электронике).

Технология не получила достаточного распространения, пока доктор Акира Йошино (Akira Yoshino) не заменил необработанный литий его более безопасными ионами. Он построил проект аккумулятора нового типа для корпорации Asahi Kasei, а массовое производство этих батарей в 1991 году наладила компания Sony. В результате стало возможным создание более компактных телефонов и ноутбуков с более продолжительными временем автономной работы; реальностью стали и электромобили.

Одними только аккумуляторами заслуги доктора Гудинафа не ограничиваются. Во время своей работы в Массачусетском технологическом институте он участвовал в разработке технологии, на основе которой была создана оперативная память компьютеров. Профессор продолжал работу до 90 лет, и последние годы посвятил технологии аккумуляторов нового поколения, которая обещала очередной прорыв в области возобновляемых источников энергии и электротранспорта.

В широких кругах его имя оставалось малоизвестным, но его заслуги были отмечены многочисленными наградами, в том числе Нобелевской премией по химии в 2019 году. Через несколько лет автопроизводители планируют отказаться от технологии литийионных аккумуляторов в пользу более ёмких, мощных и безопасных твердотельных батарей.

Полезные свойства литиевых аккумуляторов омрачает тот факт, что они иногда взрываются. И пусть такое случается нечасто, но знать о «бомбе» в кармане, в комнате или в гараже — удовольствие ещё то. Учёные десятилетиями работают над невоспламеняющимися литиевыми батареями. Возможно, в этом поможет новая работа учёных из Стэнфордского университета.

Источник изображения: Jian-Cheng Lai/Stanford University

Исследователи провели работу по увеличению живучести литиевых аккумуляторов при нагреве, о чём рассказали в статье в журнале Matter. Они пошли по двум путям: заменили раствор для электролита на менее горючие полимерные растворители вместо органических и повысили концентрацию солей лития в электролите, что тоже понизило горючесть раствора.

В обычных литийсодержащих аккумуляторах электролит (растворитель) начинает испаряться при нагреве элемента примерно до 60 °C. Жидкость переходит в газовую фазу, и батарея раздувается до разрушения оболочки и воспламенения. Учёные смогли вместо легко испаряющегося органического растворителя подобрать такой полимер, который сохранил бы проводимость ионов лития на максимально возможном уровне и при этом обеспечил бы надёжный каркас для удержания молекул вещества. Впрочем, проводимость ионов лития полимерным растворителем всё равно была хуже, чем при использовании органического растворителя, и это пришлось исправлять иным способом.

Обычно соли лития (LiFSI) в электролите литиевых аккумуляторов растворяются в соотношении меньшем, чем один к двум (менее 50 % по весу). Чтобы компенсировать меньшую подвижность ионов лития в полимерном растворителе учёные начали постепенно увеличивать концентрацию солей. Наилучшей концентрацией оказался состав с 63 % солей. Молекулы в таком составе хорошо «липли» друг к другу и это препятствовало испарению при нагреве. Найденный состав с повышенной концентрацией солей лития легко выдерживал нагрев до 100 °C. Электролит позволял батарее оставаться рабочей даже при такой температуре и не воспламенялся.

«Этот очень интересный новый электролит для батарей совместим с существующей технологией [производства] литий-ионных аккумуляторов и окажет большое влияние на бытовую электронику и электротранспорт», — с уверенностью заявил один из авторов исследования.

Группа учёных из Школы химической и биомолекулярной инженерии Университета Сиднея разработала недорогую аккумуляторную батарею, которая позволит значительно снизить стоимость перехода к безуглеродной экономике. Предложенный учёными аккумулятор обладает в четыре раза большей энергоёмкостью, чем литиевый. Прототип батареи прошёл всесторонние испытания и готов к дальнейшим улучшениям характеристик.

Источник изображения: Pixabay

Группа под управлением доктора Шэньлун Чжао (Shenlong Zhao) взялась усовершенствовать натриево-серные аккумуляторы (Na-S). Такие аккумуляторы известны более полувека, но они так и не попали в электромобили. Давным-давно считалось, что в основе массовых электромобилей будут лежать натриево-серные накопители энергии. Сырьё для них стоит копейки, а также они обладают относительно высокой надёжностью, как и отдаваемой мощностью — это нивелировало минусы в виде сравнительно низкой энергоёмкости и ограниченного числа рабочих циклов.

Австралийские учёные поставили перед собой задачу увеличить энергоёмкость натриево-серных аккумуляторов и добились своей цели. По крайней мере, прототипы Na-S-аккумуляторов сравнительно небольшой ёмкости оказались по этому параметру в четыре раза лучше обычных литиевых аккумуляторов. Иначе говоря, на единицу объёма батареи они запасали в четыре раза больше энергии.

В то же время стоит сказать, что разработка сверхъёмких натриево-серных аккумуляторов велась с прицелом на стационарные объекты хранения электрической энергии. Это не электромобили, которые входят в моду, но не менее важные элементы программы перехода к декарбонизации экономики. Австралия, кстати, несколько лет назад показала миру пример, первой создав у себя парк буферных батарей на основе аккумуляторных блоков компании Tesla.

Учёные намерены довести разработку перспективных Na-S-аккумуляторов до коммерческой стадии. Если опираться на прототип, то это будут аккумуляторы типа «мешочек» класса А·ч. Других подробностей нет.

В настоящее время Panasonic поставляет литиевые аккумуляторы для нужд Tesla как с совместного предприятия в штате Невада, так и из Японии. Производственные линии компании в этой стране обладают более высоким КПД, и теперь Panasonic хочет заняться оптимизацией своих производственных процессов в США, чтобы местные предприятия не отставали от японских в своей эффективности. Имеются резервы для повышения производительности на 10 %.

Источник изображения: Panasonic

Как сообщает Nikkei Asian Review, в первом полугодии десятки специалистов из Японии отправились в Неваду, чтобы повысить производительность местного предприятия по производству тяговых аккумуляторов. В перспективе это предприятие должно наладить ежегодный выпуск тяговых батарей совокупной ёмкостью 43 ГВт‧ч. В США сейчас Panasonic собирается увеличить объёмы выпуска литиевых ячеек типоразмера 2170, которые применяются довольно давно и в перспективе должны постепенно уступить место более современным ячейкам типа 4680. Последние Panasonic уже производит на своей пилотной линии в Японии, а в США потребности в них Tesla покрывает собственными силами. На позапрошлой квартальной конференции Илон Маск (Elon Musk) признался, что в текущем году возможности Tesla не будут ограничиваться количеством доступных ячеек типоразмера 4680, но в следующем году эта проблема может обрести актуальность.

В прошлом месяце корпорация Panasonic заявила, что собирается построить в штате Канзас новое предприятие по производству аккумуляторных ячеек, но произойдёт это не ранее 2024 года. Китайские СМИ на прошлой неделе активно обсуждали возможность использования компанией Tesla на своём предприятии в Берлине пакетных батарей производства китайской компании BYD. Электромобили Tesla сейчас используют цилиндрические аккумуляторные ячейки, и переход на аккумуляторы пакетного типа сильно усложнил бы производственные процессы в Берлине, поэтому к таким слухам следует относиться настороженно. Не исключено, однако, что в каких-то будущих моделях электромобилей Tesla предусмотрит использование батарей другой компоновки, особенно в Китае, где она сильно зависит от местных поставщиков.