Мир все больше зависит от аккумуляторов. В 2022 году доля электромобилей (EV) в мировых продажах пересекла отметку в 10%, и, по прогнозам, к концу этого десятилетия она может достигнуть 30% согласно прогнозам Международного энергетического агентства.
Глобальная политика только ускорит этот рост. Недавнее климатическое законодательство в США направляет миллиарды на развитие производства аккумуляторов и стимулирование покупок электромобилей. Европейский Союз, а также ряд штатов США, приняли решения о запрете автомобилей с двигателями внутреннего сгорания с 2035 года.
Этот переход требует огромного количества, и при этом — более совершенных и дешевых аккумуляторов.
Большинство современных электромобилей используют литий-ионные батареи — технологию, существующую десятилетиями. Она же питает наши ноутбуки и смартфоны. Годы разработок позволили снизить их стоимость и улучшить характеристики: сегодня электромобили приближаются по цене к бензиновым аналогам и способны проезжать сотни километров на одном заряде. Литий-ионные батареи также находят новое применение в системах накопления энергии для электросетей, помогая сглаживать непостоянство возобновляемых источников, таких как ветер и солнце.
Тем не менее, потенциал для улучшений огромен. Академические лаборатории и компании активно ищут способы усовершенствовать технологию: повысить емкость, ускорить зарядку и сократить расходы. Конечная цель — еще более доступные батареи для энергосетей и аккумуляторы, позволяющие электромобилям покрывать значительно большие расстояния.
Одновременно с этим, опасения по поводу поставок ключевых материалов — кобальта и лития — подталкивают исследователей к поиску альтернатив стандартной литий-ионной химии.
На фоне растущего спроса на электромобили, возобновляемую энергетику и бума разработок в области аккумуляторов, одно можно утверждать наверняка: батареи сыграют ключевую роль в переходе к чистой энергетике. Вот что стоит ожидать в 2023 году.
Радикальное переосмысление
В 2023 году можно ожидать прогресса в разработке радикально новых подходов к созданию аккумуляторов для электромобилей, хотя их коммерческое влияние, вероятно, проявится позже.
Одним из прорывов, за которым стоит следить, являются так называемые твердотельные аккумуляторы. Литий-ионные батареи и их аналоги используют жидкий электролит для переноса заряда; в твердотельных же батареях эта жидкость заменена керамикой или другими твердыми материалами.
Эта замена открывает возможности для более плотного размещения энергии в меньшем пространстве, что потенциально увеличит запас хода электромобилей. Твердотельные батареи также могут быстрее переносить заряд, сокращая время подзарядки. Более того, поскольку некоторые растворители, используемые в жидких электролитах, могут быть огнеопасными, сторонники твердотельных решений заявляют о повышении безопасности за счет снижения риска возгорания.
Твердотельные аккумуляторы могут использовать разнообразные химические составы, но одним из ведущих кандидатов для коммерциализации является литий-металлический. Например, компания Quantumscape, сосредоточенная на этой технологии, привлекла сотни миллионов долларов до выхода на биржу в 2020 году. У компании есть соглашение с Volkswagen о возможном внедрении ее батарей в автомобили к 2025 году.
Однако полная перестройка аккумуляторной индустрии оказалась сложной задачей. Литий-металлические батареи сталкиваются с проблемами деградации со временем и трудностями в производстве. Quantumscape объявила в конце декабря об отгрузке образцов автомобильным партнерам для тестирования — это важный шаг на пути к внедрению твердотельных батарей в серийные авто. Другие игроки, такие как Solid Power, также работают над созданием и тестированием своих прототипов. Но даже если они достигнут значимых результатов в этом году, их батареи не появятся на дорогах в 2023 году.
Твердотельные аккумуляторы — не единственная новая технология, заслуживающая внимания. Натрий-ионные аккумуляторы также резко отклоняются от распространенной литий-ионной химии. Их конструкция схожа с литий-ионными, включая жидкий электролит, но вместо лития в качестве основного компонента используется натрий. Китайский гигант CATL сообщил о планах начать их массовое производство в 2023 году.
Натрий-ионные батареи, возможно, не улучшат производительность, но они могут снизить стоимость, поскольку используют более дешевые и доступные материалы, чем в литий-ионных аналогах. Однако пока неясно, смогут ли они удовлетворить требования к запасу хода и времени зарядки электромобилей. Поэтому ряд компаний, работающих над этой технологией, вроде американской Natron Energy, для начала ориентируются на менее требовательные области: стационарное хранение энергии или микромобильность (например, электровелосипеды и скутеры).
Объем рынка аккумуляторов для стационарного хранения энергии сегодня невелик — по оценке Яёи Сэкине, руководителя направления накопителей энергии в исследовательской фирме BloombergNEF, он составляет около десятой части рынка батарей для электромобилей. Однако спрос на хранение энергии растет по мере увеличения доли возобновляемых источников, поскольку основные генераторы, такие как ветер и солнце, непостоянны, а батареи могут запасать энергию для использования по мере необходимости.
Литий-ионные аккумуляторы не являются идеальным решением для стационарного хранения, хотя именно их часто используют сейчас. В то время как требования к батареям для электромобилей диктуют миниатюризацию, снижение веса и скорость, для сетевого хранения главным фактором является снижение затрат. Размер и вес менее критичны для стационарных систем, поэтому здесь, вероятно, доминировать будут другие типы химии.
Восходящей звездой в сегменте стационарного хранения становится железо, и две компании могут продемонстрировать значительный прогресс в наступающем году. Form Energy разрабатывает железо-воздушный аккумулятор с водным электролитом, по сути, запасающий энергию за счет обратимого процесса ржавления. Компания недавно объявила о строительстве производственного комплекса за 760 миллионов долларов в Виртоне, Западная Вирджиния, запуск которого запланирован на 2023 год. Другая компания, ESS, строит другой тип железной батареи с похожей химией; она уже начала производство на своей штаб-квартире в Уилсонвилле, штат Орегон.
Сдвиги внутри стандарта
Литий-ионные аккумуляторы постоянно совершенствуются и дешевеют, но исследователи продолжают дорабатывать технологию, чтобы выжать максимум производительности и снизить затраты.
Частично это обусловлено волатильностью цен на материалы, что подталкивает компании к смене химических составов. «Все вращается вокруг стоимости», — отмечает Сэкине.
Катоды — как правило, одна из самых дорогих частей батареи. Сегодня доминирующим типом катода в EV-аккумуляторах является NMC (никель-марганец-кобальт). Поскольку эти три элемента, помимо лития, дороги, их сокращение или полная замена может помочь снизить себестоимость.
Этот год может стать прорывным для одной из альтернатив: литий-железо-фосфатных (LFP) катодов — недорогого материала, который уже использовался в литий-ионных батареях.
Недавние улучшения в химии LFP и производстве помогли повысить производительность этих батарей, и компании активно переходят на эту технологию: доля LFP на мировом рынке электромобилей стремительно растет — с примерно 10% в 2018 году до около 40% к 2022 году. Tesla уже использует LFP батареи в части своих транспортных средств, а автопроизводители вроде Ford и Volkswagen объявили о планах предлагать некоторые модели электромобилей с этой химией.
Хотя исследования часто фокусируются на катодах, аноды также готовы к модернизации.
Большинство анодов в современных литий-ионных батареях, независимо от типа катода, используют графит для удержания ионов лития. Однако альтернативы, такие как кремний, могут увеличить плотность энергии и ускорить зарядку.
Кремниевые аноды являются предметом исследований уже много лет, но исторически их срок службы был слишком мал для коммерческого внедрения. Сейчас компании начинают наращивать производство этих материалов.
В 2021 году стартап Sila начал производить кремниевые аноды для фитнес-трекеров. Недавно компания получила грант от Министерства энергетики США на сумму 100 миллионов долларов для строительства производственного объекта в Мозес-Лейк, штат Вашингтон. Завод будет обслуживать партнерство Sila с Mercedes-Benz, и, как ожидается, начнет выпускать материалы для EV-аккумуляторов с 2025 года.
Другие стартапы работают над смешиванием кремния и графита для создания анодов. OneD Battery Sciences, которая сотрудничает с GM, и Sionic Energy могут сделать дополнительные шаги к коммерциализации в этом году.
Политика, формирующая продукты
Закон об инфляционном снижении (Inflation Reduction Act, IRA), принятый в конце 2022 года, выделяет почти 370 миллиардов долларов на климатические и чистые энергетические инициативы, включая миллиарды на производство электромобилей и аккумуляторов. «Все озабочены IRA», — говорит Йет-Минг Чианг, исследователь материалов из Массачусетского технологического института (MIT) и основатель нескольких аккумуляторных компаний.
IRA предоставит кредиты и гранты производителям аккумуляторов в США, наращивая производственные мощности. Кроме того, налоговые льготы на электромобили в этом законе стимулируют автопроизводителей закупать материалы в США или в странах, с которыми у США есть соглашения о свободной торговле, а также производить батареи в Северной Америке. В результате, под влиянием как финансирования IRA, так и ограничений налоговых кредитов, автопроизводители продолжат объявлять о создании новых производств в США и искать новые пути для обеспечения поставок материалов.
Все это означает рост спроса на ключевые ингредиенты литий-ионных батарей, включая литий, кобальт и никель. Одним из возможных последствий стимулов IRA станет усиление уже растущего интереса к переработке аккумуляторов. Хотя в ближайшее время от электромобилей не поступит достаточно материалов для полного удовлетворения спроса, рециклинг набирает обороты.
Лидеромми в переработке аккумуляторов пока являются CATL и другие китайские компании, но в этом году отрасль может значительно вырасти и на других ключевых рынках электромобилей, таких как Северная Америка и Европа. Компания Redwood Materials из Невады и Li-Cycle из Торонто строят заводы и работают над разделением и очисткой ключевых металлов, таких как литий и никель, для повторного использования в батареях.
Li-Cycle планирует запустить в эксплуатацию свой основной перерабатывающий завод в 2023 году. Redwood Materials уже начала производство своей первой продукции — медной фольги — на заводе под Рино, штат Невада, и недавно объявила о планах начать строительство второго объекта в Чарлстоне, Южная Каролина, начиная с этого года.
Поток финансирования от IRA и других мировых политических инициатив, стимулирующий спрос на электромобили и их батареи, делает 2023 год годом, за которым определенно стоит следить.
Этот материал является частью серии «Что дальше» издания. В рамках этой серии мы рассматриваем различные отрасли, тенденции и технологии, чтобы дать вам первый взгляд в будущее.
