На протяжении последних месяцев наблюдается настоящий бумаг анонсов, касающихся нового типа аккумуляторов, способного кардинально изменить индустрию, если все обещания окажутся правдой.
Новый претендент — натрий-ионные аккумуляторы, которые заменяют литий, питающий сегодня большинство электромобилей и гаджетов вроде смартфонов и ноутбуков.
Натрий-ионные батареи могут занять определенные ниши на рынке уже к концу этого года и стать прорывом в снижении стоимости электромобилей. Для широты обзора рекомендую ознакомиться с последними новостями о том, какие компании включаются в эту гонку и каковы их планы. Однако в рамках этого материала давайте углубимся в химию и рассмотрим, что именно эти детали значат для будущего автомобильных аккумуляторов.
Лидер рынка
Одна из причин доминирования лития сегодня до абсурда проста: он очень легкий.
Я имею в виду самый буквальный, атомный смысл. Литий — третий самый легкий элемент, тяжелее только водорода и гелия. Когда дело доходит до создания компактных и легких батарей, тяжело тягаться с самым легким металлом в природе.
Снижение веса и габаритов — это цель для всего — от iPhone до электромобилей: легкий и мощный аккумулятор позволяет сделать телефон компактнее, а автомобиль проехать дальше. Поэтому одним из основных показателей прогресса в области батарей стала плотность энергии — сколько энергии аккумулятор может вместить в заданном объеме.
В свете этой химической реальности неудивительно, что литий-ионные батареи пережили бум популярности с момента их коммерческого запуска в 1990-х. Безусловно, есть и другие факторы, например, способность литий-ионных элементов достигать высокого напряжения для выдачи большой мощности, но преимущество легкости и портативности переоценить сложно.
Литий-ионные аккумуляторы также выиграли от того, что являются «завсегдатаями». Бесчисленное количество исследователей по всему миру ищут новые материалы и методы сборки литий-ионных ячеек, и множество компаний производят их в больших объемах — всё это приводит к росту эффективности. В результате стоимость падала практически каждый год на протяжении десятилетий ( за исключением заметного скачка в 2022 году).
И одновременно с этим растет плотность энергии — тенденция, которой я лично рад, поскольку я часто забываю заряжать свой телефон по несколько дней, и это, как правило, заканчивается лучше, чем несколько лет назад.
Расширение горизонтов
Но то, что литий-ион доминирует в мире батарей сегодня, не означает, что он будет подавлять конкурентов вечно.
Я писал ранее о растущем количестве опций в аккумуляторной индустрии, в основном в контексте стационарного хранения энергии для электросетей. Это особенно важно для перехода на прерывистые возобновляемые источники энергии, такие как ветер и солнце.
Хотя в качестве резервных систем сегодня часто используются литий-ионные батареи, поскольку они доступны, многие компании работают над созданием более дешевых и надежных решений. Иными словами, многие исследователи и компании стремятся разрабатывать аккумуляторы, специально предназначенные для стационарного хранения.
Новые батареи могут быть сделаны из распространенных материалов, таких как железо или пластик, и могут использовать воду вместо органических растворителей для переноса заряда, что снимает опасения по поводу безопасности крупномасштабных литий-ионных установок.
Однако по сравнению со стационарным хранением существует гораздо меньше кандидатов, подходящих для аккумуляторов электромобилей, из-за очень высоких требований к нашим транспортным средствам. Сегодня основная конкуренция на коммерческом рынке идет между различными разновидностями литий-ионных аккумуляторов, причем в последние пару лет набирают обороты более дешевые версии, не содержащие кобальта и никеля.
Но ситуация может вот-вот измениться, потому что прямо под литием в Периодической таблице притаился претендент: натрий. Натрий по некоторым параметрам схож с литием, и элементы, изготовленные из этого материала, могут достигать сопоставимых с литий-ионными ячейками напряжений (что означает, что химические реакции, питающие аккумулятор, будут почти столь же мощными).
И что критически важно, натрий-ионные батареи в последнее время наращивают плотность энергии в меньшем объеме. В 2022 году плотность энергии натрий-ионных аккумуляторов была примерно на уровне некоторых низкопроизводительных литий-ионных батарей десятилетней давности — тогда, когда уже начали ездить первые коммерческие электромобили вроде Tesla Roadster.
Прогнозы BNEF предполагают, что к 2025 году плотность упаковки натрий-ионных аккумуляторов может приблизиться к 150 Вт·ч/кг. А некоторые гиганты в области производства батарей и автопроизводители в Китае считают, что технология уже готова для массового внедрения. Чтобы узнать больше об этих объявлениях и о том, когда мы увидим первые автомобили на натрий-ионных батареях, ознакомьтесь с моим материалом по этой технологии.
Сопутствующее чтение
Вот как натриевые батареи могут начать свой путь в электромобилях.
Я писал о потенциале такого прогресса в статье от января о том, что нас ждет в области аккумуляторов в этом году.
Натрий может составить конкуренцию недорогим литий-ионным аккумуляторам — литий-железо-фосфатные батареи уже занимают растущую долю в продажах электромобилей.
Посетите обзор других нелитиевых батарей:
- Железосодержащие батареи могут стать дешевым способом хранения энергии в сети и снять вопросы безопасности.
- А как насчет использования пластика?
- Некоторые компании хотят пойти дальше батарей, чтобы хранить энергию.
Еще кое-что
Стартап заявляет, что будет готов запустить первую в мире электростанцию на термоядерном синтезе через пять лет. Да, вы не ослышались: через пять лет.
Helion Energy, стартап в области термоядерного синтеза, поддерживаемый Сэмом Альтманом из OpenAI, объявил о заключении соглашения о продаже электроэнергии компании Microsoft. Компания заявляет, что ее первая установка будет введена в эксплуатацию в 2028 году и выйдет на полную мощность (50 мегаватт) в течение года после этого.
Возможно, вы помните, что в декабре энергетический мир достиг огромной вехи, когда реакция синтеза выработала больше энергии, чем было затрачено на ее запуск. Но по многим причинам этот символический момент не означает, что дешевая термоядерная энергия уже в пределах досягаемости. И некоторые эксперты весьма скептически относятся к заявлению Helion. Подробнее об этом читайте в материале моего коллеги Джеймса Темпла.
Следим за климатом
Нужно несколько дополнительных километров запаса хода для вашего электромобиля? Неплохо бы прилепить солнечные панели на крышу. Но не ждите больших чудес. (Bloomberg)
Впервые за всю свою жизнь, кажется, я страдаю от сезонной аллергии. И изменение климата может быть тому виной. (The Atlantic)
Компании, возможно, преувеличивают потенциал так называемого «возобновляемого природного газа». Хотя это может сократить выбросы по сравнению с ископаемыми источниками, критики опасаются, что чрезмерная ставка на метан из навоза или пищевых отходов замедлит усилия по отказу от ископаемого топлива. (Canary Media)
→ Ранее в этом году я писал о том, как работает процесс производства и улавливания метана из пищевых отходов. (MIT Technology Review)
Обби Плейза — это уморительная и бесценный дар этому миру, но некоторые люди не в восторге от недавней рекламы, которую она сняла для молочной промышленности, нацеленной на растительное молоко. (Vox)
Индия может прекратить строительство новых угольных электростанций. Хотя это не остановит все текущие работы, это может стать огромным вкладом в сокращение выбросов в стране. (Reuters)
Большая часть работы по улучшению характеристик батарей была сосредоточена, по сути, на одной половине устройства: катоде. Но некоторые компании активно работают над улучшением часто игнорируемого анода с использованием кремния. (IEEE Spectrum)
→ Кремниевые аноды от стартапа Sila дебютировали в фитнес-трекерах почти два года назад. Следующая остановка? Электромобили. (MIT Technology Review)
Поддержка атомной энергетики в США достигла самого высокого уровня за последнее десятилетие, согласно новому опросу Gallup. (Grist)
Электромобили составили 80% продаж новых автомобилей в Норвегии в прошлом году. Страна демонстрирует потенциальное будущее электротранспорта: его преимущества (более чистый воздух!) и проблемы (длинные очереди на зарядку). (New York Times)
