Аккумуляторы, движущие силу электромобилей (EV), стремительно превратились в самый критически важный, а заодно и самый дорогой компонент нового поколения машин и грузовиков. Они несут в себе не только потенциал для более чистого транспорта, но и знаменуют собой масштабные сдвиги в геополитическом могуществе, промышленном доминировании и вопросах защиты окружающей среды.
По прогнозам, к 2030 году электромобили составят чуть более половины продаж новых легковых автомобилей на ключевых рынках. По одной из оценок, для удовлетворения потенциального роста мирового рынка батарей за следующее десятилетие потребуется строительство 90 новых объектов размером с тесла-гигафабрику.
Литий-ионные аккумуляторы, которые мы также находим в смартфонах, питают подавляющее большинство электромобилей. Литий очень реактивен, и батареи на его основе способны накапливать высокое напряжение и исключительный заряд, что обеспечивает эффективное и плотное хранение энергии. Ожидается, что в обозримом будущем эти батареи сохранят доминирующее положение в индустрии EV благодаря резкому снижению стоимости и улучшению характеристик.
В настоящее время батареи для электромобилей весят около 450 килограммов, их производство обходится примерно в 15 000 долларов и они способны питать типичный дом в течение нескольких дней. Хотя их емкость со временем деградирует, они должны служить от 10 до 20 лет.
Каждая батарея представляет собой плотно упакованный набор из сотен, а то и тысяч слегка податливых литий-ионных электрохимических ячеек, обычно имеющих форму цилиндров или плоских «пакетов» (pouch-cells). Каждая ячейка состоит из положительного катода (который обычно содержит оксиды металлов на основе никеля, марганца и кобальта); отрицательного, основанного на графите анода; и жидкого раствора посередине, называемого электролитом.
Именно здесь проявляется реактивность лития: его слабо связанный внешний электрон может быть легко отделен, образуя ион лития (атом без внешнего электрона). По сути, ячейка работает за счет движения этих ионов и электронов туда-сюда.
Во время цикла зарядки внешний источник подает электрический ток, отделяя электроны от атомов лития в катоде. Электроны текут по внешней цепи к аноду — который, как правило, состоит из графита, дешевого, энергоемкого и долговечного материала, отлично подходящего для накопления энергии, — в то время как ионизированные атомы лития проходят через электролит к аноду и воссоединяются со своими электронами. При циклах разряда процесс обращается. Атомы лития в аноде снова разделяются с электронами; ионы проходят через электролит; а электроны текут по внешней цепи, приводя в движение электродвигатель.
Расширение парка электромобилей породило ненасытный спрос на минералы, необходимые для производства батарей. Стоимость карбоната лития, соединения, из которого добывают литий, оставалась относительно стабильной между 2010 и 2020 годами, но взлетела почти в десять раз в период с 2020 по 2022 год, стимулируя новые инвестиции по всему миру. Только в США разрабатываются более десятка заводов по производству аккумуляторов и многочисленные потенциальные проекты по добыче руды.
Однако поиски сырья сопряжены с огромными экологическими, политическими и социальными издержками.
При подавляющем большинстве случаев кобальт, распространенный компонент катодов, добывается в Демократической Республике Конго, печально известной использованием детского и принудительного труда. Значительная часть поставок сырья для США приходится на земли коренных народов. Чили, ключевой производитель лития, стремится вернуть контроль над производством из рук транснациональных корпораций. Тем временем горнодобывающие компании и предприниматели планируют добычу полезных ископаемых на морском дне, что может нанести ущерб хрупкой и малоизученной экосистеме (Чили, например, выступает за мораторий на такую глубоководную добычу).
Разработчики аккумуляторов стремятся сократить использование редких металлов и улучшить переработку. Стартапы и автопроизводители также соревнуются в разработке и создании аккумуляторных систем следующего поколения, которые устраняют материальные проблемы и повышают эффективность. Например, в новом поколении литий-ионных батарей уже удалось исключить использование кобальта. Ученые также испытывали натрий-серные аккумуляторы, созданные из гораздо более дешевого и распространенного сырья, а также твердотельные батареи, которые, как следует из названия, заменяют жидкий электролит твердыми соединениями. Они могут предложить более легкую, стабильную и быстро заряжающуюся альтернативу.
Прогнозы показывают, что электромобили достигнут ценового паритета с автомобилями с двигателями внутреннего сгорания всего через несколько лет, тем самым ускоряя распространение EV. Эксперты предсказывают бурное развитие, консолидацию и эксперименты в производстве аккумуляторов по мере того, как страны и компании борются за место среди дюжины доминирующих игроков в этом секторе. Крошечный путь, который ионы преодолевают между катодами и анодами аккумуляторных ячеек, вероятно, станет одним из важнейших в следующем десятилетии.
