Главная проблема электрокаров — литий. Как ее предлагают решать
Благодарим ООО “РЭНЕРА” за помощь в подготовке материалов!
Несмотря на отсутствие выбросов в атмосферу, электрокары с батареями Li-ion все равно пагубно влияют на экологию. Вред природе наносит добыча металлов для батарей, урон растет, если их не утилизировать. Безвредной альтернативой литию ученые считают натрий.
Двигатели внутреннего сгорания должны быть вытеснены электричеством — к такому выводу приходят все больше правительств по всему миру. Объем мирового рынка электромобилей должен вырасти с $287 млрд в 2021 году до $1,31 трлн в 2028 году, сообщает Financial Times со ссылкой на предсказание компании Sustainalytics.
А один только рынок батарей для авто, который в 2021 году составлял $50,12 млрд, к 2030 году увеличится до $225,55 млрд. Более того, к 2035 году выпуск новых бензиновых авто должен прекратиться. Это произойдет, по крайней мере, в США и ЕС, уверены эксперты.
Но будут ли электромобили так же доступны, как их предшественники, и не создадут ли новых экологических угроз? На сегодняшний день подавляющее большинство электрокаров использует литийионные (Li-ion) аккумуляторы. Эта технология оказалась востребованной и широко тиражируемой, несмотря на множество недостатков, в числе которых неэкологичная и затратная добыча лития, которого на Земле еще и не слишком много.
Конкуренцию доминирующему положению лития могли бы составить другие технологии: производители электрокаров делают ставку не только на водород, но и на батареи, использующие натрий.
Натриевый электромобиль из КНР
Аккумуляторы, использующие натрий, находятся в разработке уже несколько лет. «В настоящий момент существует сразу несколько стартапов по производству натрийионных батарей: CNRS / Tiamat, Faradion, HiNa. Также такой гигант в сфере производства накопителей энергии, как Catl, объявил о начале производства натрийионных элементов в 2023 году», — рассказывает Ия Гордеева, председатель Ассоциации развития электромобильного, беспилотного и подключенного транспорта и инфраструктуры.
Однако натрийионные аккумуляторы, оказавшиеся в тени литийионных конкурентов, пока не применяются ни в одной из коммерческих моделей электромобилей. Пионером технологии может стать китайский автопроизводитель BYD: компания планирует начать массовое производство натрийионных аккумуляторов уже во втором квартале 2023 года. Они будут устанавливаться в электромобили Qin, Dolphin и в новую модель Seagull. Qin EV и Dolphin — полностью электрические модели по цене от 100 тыс. до 150 тыс. юаней ($14,6–21,9 тыс.), а Seagull — небольшой седан класса A0 по цене от 80 тыс. до 100 тыс. юаней. Пока батареи к ним находятся на стадии проверки образцов, пишет Batteries News.
Плюсы и минусы
Однако, несмотря на недостаток практического применения натрийионных аккумуляторов, в индустрии признают их превосходство над литиевыми батареями. «Цена натрийионных аккумуляторов (НИА) потенциально ниже из-за доступности солей натрия: их запасы огромны. Сходство основных принципов работы натрийионных и литийионных аккумуляторов позволяет задействовать уже существующие линии производства. Такое положение вещей требует искать новые активные материалы, пригодные для использования в НИА. Неоспоримым достоинством НИА является также возможность хранения и транспортирования в полностью разряженном виде, что снижает риски для безопасности при перевозках», — объясняет Гордеева.
Угроза полной разрядки — существенный негативный фактор, сокращающий срок службы литийионных аккумуляторов. В случае, если такая батарея полностью потеряет заряд, обеспечить электрокар необходимой мощностью и запасом хода будет практически невозможно. Проблему можно решить заменой аккумулятора, но за пределами гарантии производителя, стоимость такого ремонта может быть сопоставима со стоимостью нового автомобиля.
«Одна из отличительных характеристик натрийионного аккумулятора — возможность полного разряда до «нуля вольт», обеспеченная фундаментальными отличиями от литийионной технологии. Данная особенность позволяет минимизировать обслуживание таких аккумуляторов при хранении и транспортировке. В таком состоянии аккумуляторы могут пребывать годами без потери характеристик. Эта же особенность позволяет аккумулятором быть устойчивыми к внешнему короткому замыканию. Долговечность и эффективность натриевых аккумуляторов не уступает литиевым, а в отдельных условиях, например при низких температурах, может даже превышать ввиду, опять же, фундаментальных различий технологий», — объясняет Станислав Федотов, старший преподаватель Центра энергетических технологий Сколтеха.
Что касается минусов технологии, то, по словам Гордеевой, материалы, пригодные для обратимого внедрения лития, обычно не допускают обратимого внедрения большого количества натрия из-за того, что ионы натрия значительно крупнее: 0,102 нм при 0,076 нм для лития. Более высокий окислительно-восстановительный потенциал, большая атомная масса и больший ионный радиус натрия — все эти факторы влияют на удельную энергоемкость и мощность НИА. Зато общую стоимость НИА можно дополнительно снизить, заменив медный токосъемник на аноде металлическим алюминием, что также делает НИА легче.
Шанс
Технология с использованием натрия может быть перспективной для России. Ия Гордеева отмечает, что в РФ запасы натрия есть в Республике Башкортостан, Пермской и Ленинградской областях. Дорожной картой «Технология создания систем накопления электроэнергии, включая портативные», утвержденной Правительством РФ, предусмотрены разработка и конструирование натрийионных аккумуляторов на базе ООО «РЭНЕРА» к 2031 году.
Однако для развития технологии в России есть препятствие, указывает Федотов. «Натрий в аккумуляторе изначально содержится в одном из электродов и в электролите в разных формах. Натрий в электроде приходит в процессе получения материала из карбоната натрия — соды, — свободно доступного на рынке реактива, который массово добывается и очищается до пищевой категории, что более чем достаточно для синтеза электродных материалов. Для электролита необходимы другие, более сложные химические формы натрия, к сожалению, не производящиеся в России. Однако технологии получения известны. И при наличии больших заказов на такие аккумуляторы в обозримые сроки может быть налажено производство и натриевых солей для электролитов», — объяснил эксперт.
Экология и прорывы
Одним из главных преимуществ НИА над аналогами, использующими литий, считается меньший вред экологии планеты. Известно, что добыча лития способна отравить землю на много километров вокруг и вызывает массовые протесты в регионах, где это ценное сырье залегает. Между тем добыча соединения натрия, известного как «поваренная соль», ведется тысячелетиями и, по всей видимости, несколько меньше нарушает хрупкий экологический баланс. Это дает надежду на то, что развивающаяся технология окажется более «зеленой».
Но если сама добыча натрия признана более-менее экологичной, то о производстве натрийионных аккумуляторов так сказать сложнее. «Помимо самого натрия НИА могут содержать другие тяжелые металлы, например ванадий, которые при неправильной эксплуатации могут попасть в окружающую среду и нанести экологии некоторый вред. Однако стоит отметить, что натрийионные аккумуляторы с содержащими ванадий катодами не только обладают непревзойденными характеристиками, но еще и гораздо проще и дешевле перерабатываются ввиду особенностей химии ванадия и могут сформировать замкнутый производственный цикл, при котором ванадий будет полностью перерабатываться и не окажется в окружающей среде», — объясняет Федотов.
Потенциал технологии тоже пока не оценен до конца. «Несмотря на то, что первые работы по натрийионным аккумуляторам начались почти одновременно с литиевыми в 70-х годах прошлого века, по уровню развития сегодня сама технология еще считается «молодой». Сегодняшнее повышенное внимание мирового сообщества и «аккумуляторной индустрии» к технологии позволило в короткие сроки увеличить энергоемкость готового аккумулятора в два раза по сравнению с первыми поколениями и приблизиться к энергоемкости литиевых аккумуляторов», — указывает эксперт.
По словам Федотова, уже сегодня исследователям удалось достичь значительных успехов в низкотемпературных системах, что актуально для климата России. Также успехи есть в системах с высокой мощностью (не только на разряде, но и заряде) и высокой объемной плотностью энергии, а это, в свою очередь, может позволить использовать такие аккумуляторы в портативных устройствах.
Источник: https://pro.rbc.ru/demo/63eba61f9a794725d3329165
Новости
Электромобили в такси!
Коммунальной технике на электротяге быть!
Отзывы