Станут ли твердотельные батареи святым Граалем для индустрии электромобилей?

Мир двигателей внутреннего сгорания неизбежно идет к своему логическому финалу. Гибриды и электромобили становятся все более доступными и совершенными, а это означает, что батареи заменяют ископаемое топливо. Этот процесс приведет к столь же быстрому прогрессу в технологии аккумуляторов с основными целями: повышение емкости, времени зарядки и безопасности. Одним из самых важных достижений в этой области является появление твердотельных батарей (solid-state batteries), обещающих раздвинуть границы ограничений, которые имеют современные литий-ионные батареи

Solid-state batteries (SSB) – это футуристическая технология с высоким потенциалом в экосистеме аккумуляторов электромобилей. Технология находится на стадии разработки и привлекла большую часть инвестиций в корзину НИОКР в области аккумуляторных батарей. Аккумулятор имеет твердый электролит вместо жидкого и не требует сепаратора. Основным свойством твердого тела является его структурная жесткость при термической и механической нагрузке. Для элемента, в основе которого твердый электролит, ионная подвижность высокая из-за плотной упаковки атомов. Твердотельная концепция обеспечивает широкий диапазон рабочих температур, охватывающий большинство экстремальных климатических условий. Твердый электролит на полимерной основе добился гораздо большего успеха по сравнению с другими технологиями производства материалов. США возглавляют разработку твердотельных технологий, и многие университеты работают над проектами, финансируемыми государством.

На самом деле, твердотельные батареи – не новость

  • Транспортные средства, которые питаются литий-ионными батареями (Li-ion), сегодня составляют 95-99% от общего числа. Несмотря на такую востребованность, широко распространенная аккумуляторная батарея имеет ряд недостатков с точки зрения безопасности и ресурсоемкости.
  • Массовое распространение литий-ионных аккумуляторов частично связано с литий-ионными (никель-кобальт-марганцевыми) аккумуляторами, которые имеют хороший баланс плотности энергии, мощности. Именно они пока входят в комплектацию аккумуляторных электромобилей: аккумуляторно-гибридных и полностью электрических.
  • В последние годы SSB-технология питания вызывала резонансный интерес в разных отраслях промышленности от судоходства до бытовой электроники. Такие производители, как LG и Samsung, поставили solid-state batteries во главу угла альтернативного производственного портфеля аккумуляторов.
  • На самом деле, твердотельные батареи – не новость. Они уже много лет используются в таких устройствах, как кардиостимуляторы, носимые устройства и RFID-системы.
  • Новостью является – их использование в таких энергоемких устройствах, как автомобиль.
  • Электромобили уже много лет питаются литий-ионными аккумуляторами. Они аналогичны тем, которыми комплектуются ноутбуки, мобильные телефоны и другая бытовая электроника. Содержат жидкий электролит, что делает их тяжелыми и неустойчивыми при высоких температурах.
  • Отдельный аккумуляторный блок самостоятельно не может генерировать энергию, необходимую для электрокара. Поэтому несколько блоков соединяются последовательно, и это, в свою очередь, увеличивает вес электромобиля. Затраты на разработку, изготовление и установку аккумуляторных батарей составляют значительную часть стоимости электромобиля.
  • Как и сотовый телефон, литий-ионные аккумуляторы в электромобилях нуждаются в подзарядке. Скорость, с которой могут заряжаться аккумуляторы электромобиля, зависит от самого автомобиля, типа используемых им аккумуляторов и инфраструктуры зарядки.
  • В целом, имеющиеся на данный момент в мире зарядные станции относятся к категориям уровня 2 и 3. Они заряжают электромобиль намного быстрее, чем стандартная бытовая розетка. Зарядные устройства 1-го и 2-го уровней обеспечивают питание бортового зарядного устройства от сети переменного тока, которая преобразуется в постоянный ток для зарядки аккумулятора. Станции 3 уровня вполне могут претендовать на название «быстрых», потому что обходят встроенный генератор и заряжают батарею напрямую, с гораздо большей скоростью. Однако со временем и емкость, и способность достигать максимальной скорости зарядки аккумулятора снижаются.

Почему твердотельные SSB-батареи – заветная цель индустрии электрокаров?

Ожидания от возможности твердотельных батарей значительно улучшить эксплуатацию электромобилей – очень высоки. Твердотельные батареи, как следует из названия, избавятся от тяжелого жидкого электролита, без которого не обходятся литий-ионные батареи. Его заменят на твердый электролит, который может иметь форму стекла, керамики или других материалов. Общая структура твердотельных аккумуляторов очень похожа на структуру традиционных литий-ионных аккумуляторов, но без жидкости, аккумуляторы – намного плотнее и компактнее. Мы рассказывали в предыдущих материалах о внутренней работе SSB-батарей, поэтому, напомним, что они расходуют энергию и перезаряжаются так же, как и традиционные литий-ионные блоки. Но использование твердого электролита требует места гораздо меньше, чем традиционные жидкости. В том же пространстве, которое требуется литий-ионной батарее в автомобиле, твердотельная батарея будет иметь емкость от 2 до 10 раз больше. Более того, твердотельная конструкция свидетельствует о том, что им не нужны системы мониторинга, управления и охлаждения, необходимые для правильной работы литий-ионных батарей.
Значительно улучшенная плотность энергии и снижение веса за счет удаления жидкого компонента батареи должны в значительной степени оптимизировать запас хода электромобилей. Твердотельные батареи будут заряжаться быстрее, по крайней мере, так заявлено в презентациях разработчиков.

Уйдут ли с рынка литий-ионные аккумуляторы?

  • Литий-ионные батареи являются беспрецедентными лидерами, потому что они дешевы и хорошо работают. Сегодня эти батареи достигли низкой стоимости и увеличения плотности энергии не за счет конкурентного технологического рывка, а за счет простой и постоянной инженерной оптимизации методов производства, инструментов, скорости и эффективности. Но это не значит, что процесс усовершенствования литий-ионных батарей стоит на месте.
  • Если экстраполировать текущую скорость улучшения литий-ионных батарей, то они могут достигнуть $ 100 за кВт/ч на уровне элементов и, вероятно, к 2030 году дойдут до удельной электроемкости, ровной 300 Вт•ч/кг. Для справки: если плотность энергии аккумуляторов в течение десятилетия удвоится, у такого транспортного средства, как Tesla Model S, пробег будет уже не 500 км, а 1000 км. А если объем аккумуляторной батареи уменьшится вдвое, стоимость Tesla Model S может снизиться на 50%, потому что для аналогичной производительности потребуется меньший аккумулятор. А аккумулятор, как мы уже говорили, составляет основную часть ценника транспортного средства.
  • Для меньшего транспортного средства, такого как Tesla Model 3 или Hyundai Kona EV, запас хода может быть увеличен вдвое и цены снижены на 25-50%.
  • Несмотря на обещание работать дольше и не загореться, шансы на то, что твердотельные батареи вытеснят обычные литий-ионные батареи номер один, будут в значительной степени зависеть от широкого спектра факторов: от спроса на электромобили, до преодоления первоначальных затрат.
  • В некоторых аналитических обзорах рынка SSB-аккумуляторов прогнозируется, что на начальном этапе разработки твердотельные технологии будут иметь высокую стоимость, варьирующуюся в диапазоне от $ 800 за кВт/ч, до $ 400 за кВт/ч к 2026 году.
  • Сравнительно высокая стоимость может затруднить производство и распространение твердотельных батарей.
  • Тем не менее, благодаря улучшенной удельной мощности и более низкой стоимости, прогнозируется, что 50% всех продаж новых легковых автомобилей в 2032 году будут электрическими. С развитием рынка твердотельных батарей эти цифры, вероятно, будут расти еще быстрее. Поэтому, шансы на то, что SSB-батареи полностью вытеснят литий-ионные с рынка, пока достаточно призрачные.
  • Доступность, дешевизна, рентабельность обычных аккумуляторных батарей может стать проблемой твердотельных технологий на пути к превосходству.

Какие страны наиболее заинтересованы в solid-state batteries

Глобальный рынок solid-state batteries в основном определяется ростом инвестиционной активности, а также исследованиями и разработками в области твердотельных аккумуляторов. Компании, производящие твердотельные аккумуляторы, вкладывают огромные средства в исследовательскую деятельность по разработке новых и усовершенствованных аккумуляторов с меньшим временем зарядки, компактными размерами и большей эффективностью. Например, в 2016 году, согласно источникам компании, Dyson инвестировал $ 1,34 млрд в электромобили и столько же в технологии твердотельных аккумуляторов. Кроме того, ожидается, что все большее распространение электромобилей будет стимулировать спрос на твердотельные батареи во всем мире. По данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии, в 2018 году мировой парк легковых электромобилей превысил 5,1 млн единиц, что на 63% больше, чем в предыдущем году. Около 45% электромобилей на дорогах в 2018 году было произведено в Китае – 2,3 млн по сравнению с 39% в 2017 году. Для справки, на Европу приходилось 24% мирового автопарка, а на Соединенные Штаты – 22%.
Китайская Народная Республика остается крупнейшим в мире рынком электромобилей, за ней следуют Европа и Соединенные Штаты. Норвегия – мировой лидер по доле рынка электромобилей.

Сокращение субсидий на закупку электромобилей влияет на скорость внедрения SSB-батарей

  • Электромобили играют решающую роль в достижении экологических целей по сокращению загрязнения воздуха и решению проблемы изменения климата.
  • В этом сценарии мировой парк электромобилей (исключая двух- и трехколесные) ежегодно растет на 36%, и может достигнуть 245 млн автомобилей в 2030 году, что в 30 раз выше сегодняшнего уровня. За исключением двух- и трехколесных транспортных средств, наибольший рост наблюдается в сегменте легких транспортных средств, где технологии электрических трансмиссий наиболее доступны.
  • Китай сократил субсидии на покупку электромобилей примерно наполовину в 2019 году (в рамках постепенного отказа от прямых стимулов, введенных в 2016 году). Федеральная программа налоговых льгот США для ключевых производителей электромобилей General Motors и Tesla (налоговая льгота применяется в пределах до 200 000 продаж на одного автопроизводителя) истекла.
  • Эти действия способствовали значительному падению продаж электромобилей в Китае во второй половине 2019 года и 10% падению в США за год. Поскольку 90% мировых продаж электромобилей сосредоточено в Китае, Европе и США, это повлияло на глобальные продажи и затмило заметный 50% рост продаж в Европе в 2019 году, что замедлило тенденцию роста.
  • К 2030 году парк электромобилей будет вытеснять около 2,5 млн баррелей нефтепродуктов в день. В 2019 году при производстве электроэнергии для обеспечения мирового парка электромобилей было выброшено 51 млн т CO2, что вдвое меньше, чем у эквивалентного парка автомобилей с двигателями внутреннего сгорания.
  • Продажи электромобилей способствуют снижению затрат на аккумуляторные батареи, что ускоряет внедрение во всех категориях транспортных средств твердотельных батарей.

Ожидания потребителей от дальнейшего совершенствования технологий и новых моделей

Сегодняшний потребительский профиль на рынке электромобилей эволюционирует от первых последователей и технофилов к массовому внедрению. Значительные усовершенствования технологий и более широкий выбор моделей электромобилей стимулировали потребительские решения о покупке. У версий 2018-19 некоторых распространенных моделей электромобилей плотность энергии батареи на 20-100% выше, чем у их аналогов 2012 года. Кроме того, стоимость батареи снизилась более чем на 85% с 2010 года. Такие рыночные модели, как Tesla Model 3, вызвали всплеск продаж в 2018 году на ключевых рынках (к примеру, В США). Автопроизводители объявили о диверсифицированном меню электромобилей, появление многих из которых ожидается в 2021 году. В течение следующих пяти лет автопроизводители объявили о планах выпустить еще 200 новых моделей электромобилей, многие из которых относятся к популярному сегменту рынка внедорожников. По мере продолжения улучшения технических характеристик и снижения затрат, связанных с твердотельными технологиями, потребители оказываются в положении, когда их привлекает продукт. Но они задаются вопросом, а не разумно ли было бы дождаться «последней и лучшей модели».
Надо отметить, что инфраструктура для зарядки электромобилей продолжает расширяться. В 2019 году во всем мире насчитывалось около 7,3 млн зарядных устройств, из которых около 6,5 млн были частными, медленными зарядными устройствами для легких транспортных средств в домах, квартирах и на рабочих местах. Удобство, рентабельность и разнообразие политик поддержки во всем мире (таких как льготные тарифы, привилегии при покупке оборудования и скидки) являются основными факторами, способствующими росту рынка электромобилей, SSB-разработок в том числе.

Мнение эксперта отрасли

«За последние несколько лет мы стали свидетелями растущего числа исследований в области твердотельных батарей, – рассказывает Милан Розина, главный аналитик отдела силовой электроники и батарей Yole Developpement (Yole). – Однако разработка твердотельных аккумуляторов все еще находится на стадии становления. Многие разработчики твердотельных батарей планируют коммерциализировать свои продукты к 2025 году, что, несомненно, станет важной вехой для вывода на рынок SSB-зарядов».

Основываясь на дорожных картах производителей электромобилей, технологических достижениях и сотрудничестве в цепочке поставок по состоянию на 1 квартал 2021 года, Yole ожидает, что коммерческое внедрение твердотельных аккумуляторов начнется в 2025 году, а массовое производство автомобилей с твердотельными аккумуляторами начнется примерно в 2030 году. Потребность в твердотельных аккумуляторах составит менее 2,5 ГВтч в 2027 году, что представляет собой крошечный объем по сравнению с общей потребностью в литий-ионных аккумуляторах в 2027 году. Таким образом, не ожидается крупномасштабного «переключения» с обычных литий-ионных аккумуляторов на твердотельные. Более 99% спроса на твердотельные батареи будет приходиться на электромобили.

Время для коммерциализации твердотельных батарей

Большинство экспертов сходятся во мнении, что вопрос не в том, возьмут ли твердотельные батареи верх, а в том, когда это случится. Стоимость электромобильных аккумуляторов заметно падает. Отраслевые отчеты показывают, что средние цены на аккумуляторные батареи в 2019 году составляли $ 156 за киловатт-час по сравнению с более чем $ 1 100 за киловатт-час в 2010 году. Электромобили и подключаемые к сети гибридные авто продолжают тенденцию роста. Сейчас она составляет 44 кВтч, по сравнению с 37 кВтч в 2018 году, а электромобили на аккумуляторных батареях в большинстве стран находятся в диапазоне 50-70 кВтч. Этот рост обусловлен двумя тенденциями: становятся доступными модели электромобилей с увеличенным запасом хода, и доля электромобилей на батареях по сравнению с гибридными электромобилями с подзарядкой от сети растет.
Новое поколение литий-ионных аккумуляторов, которое должно появиться на рынке в ближайшие пять-десять лет, вероятно, будет иметь низкое содержание никеля и будет использовать катоды NCA (с содержанием никеля менее 10%) или NMC 811. Ближайшие разработки должны обеспечить плотность энергии на уровне ячеек до 325 Втч/кг, а плотность энергии на уровне упаковки может достигнуть 275 Втч/кг. Эти значения приближаются к верхним пределам производительности литий-ионной технологии.
Однако некоторые электромобили не используют при эксплуатации максимально возможную плотность энергии. К примеру, городским автобусам или транспортным средствам доставки, где ограничения по объему менее жесткие, или электромобилям низкого класса, где доступность более важна, чем большие запасы хода, хорошо подходит катод LFP.

Французская компания Bollore производит автобусы, в которых используются твердотельные литий-металл-полимерные батареи в контролируемых условиях на борту

В течение следующего десятилетия литий-ионные аккумуляторы, вероятно, продолжат доминирование на рынке электромобилей. В период после 2030 года ряд потенциальных технологий может выйти за рамки ограничений производительности, установленных технологией литий-ионных аккумуляторов. К ним относятся литий-металлические твердотельные батареи, литий-серные, натрий-ионные или даже литий-воздушные, которые представляют собой улучшение по сравнению с литий-ионными батареями по таким показателям, как стоимость, плотность, срок службы и широко доступные материалы. Надо заметить, что пока ни одна технология не дает всех этих преимуществ одновременно. И даже после того, как производительность будет проверена в лаборатории, развертывание и масштабирование новых твердотельных технологий потребуют времени, чтобы составить конкуренцию хорошо зарекомендовавшей себя литий-ионному питанию.

 

Мнение аналитиков Megatrends

Согласно анализу команды Megatrends, твердотельный аккумулятор считается важнейшей вехой в технологических планах производителей аккумуляторов и электромобилей. Несколько лет назад такие батареи рассматривались многими компаниями как «Святой Грааль», способный произвести революцию в индустрии аккумуляторов и электромобилей, и на который нужно ориентироваться. Многие производители электромобилей с тех пор сделали ставку на запуск твердотельных аккумуляторов либо из-за своего оптимизма в связи с быстрым выпуском коммерческих продуктов, либо из-за того, чтобы не упустить поезд в растущей конкуренции аккумуляторных батарей. Волшебное словосочетание «solid-state batteries» также обеспечило доступ к дополнительному финансированию НИОКР из фондов венчурного капитала и государственных фондов, уменьшая объемы инвестиций, требуемых от производителей электромобилей.
В соответствии с Шалу Агарвалом, кандидатом наук, аналитиком по технологиям и рынку в Yole: «Видение твердотельных батарей изменилось и сегодня стало более прагматичным. Твердотельные аккумуляторы в настоящее время рассматриваются как дополнительный шаг в постепенном улучшении обычных литий-ионных аккумуляторов».
Действительно, большинство производителей аккумуляторов и электромобилей переориентируют свои усилия на более краткосрочные технологические вехи, такие как катод с высоким содержанием никеля (NCM811), кремний-графитовый анод и катод без кобальта.
Чтобы электромобили могли полностью раскрыть свой потенциал по смягчению последствий изменения климата, крайне важно снизить интенсивность выбросов CO2 при производстве электроэнергии. Действительно, согласно прогнозам, выбросы от скважины к колесам будущего парка электромобилей будут значительно ниже, чем выбросы двигателей внутреннего сгорания в 2030 году в обоих сценариях. Чистые сокращения выбросов более значительны в сценарии устойчивого развития, в котором более широкое использование электромобилей сочетается с более быстрой декарбонизацией производства электроэнергии в соответствии с целями Парижского соглашения.
В этом контексте Megatrends тщательно исследует прорывные технологии и связанные с ними рынки, чтобы указать на последние инновации и подчеркнуть возможности для бизнеса.
Вы хотите принять участие в развитии одной из наиболее важных отраслей будущей экономики и при этом неплохо заработать? Присоединяйтесь к нам в нашей миссии, поскольку мы вкладываемся в самые передовые технологии, чтобы обеспечить устойчивое будущее.
Присоединяйтесь к нам в телеграм-канале!

Дмитрий Исаков
Исаков Дмитрий профессиональный инвестор, финансист - 10 лет на финансовых рынках - Окончил НИУ “Высшая школа экономики”, MBA “Управление инвестициями”, Сертификаты ФСФР 1.0, 5.0 - Возглавлял департамент инвестиционных продуктов БИНБАНК Private-banking. - Запускал направление брокерского обслуживания для швейцарского фонда EuroTrust. - Работал с крупными состоятельными клиентами в Альфа-Банке и АТОНе. - Управлял портфелем активов более 30 млн USD. В 2019 году создал онлайн-платформу для инвестиций в малый и средний бизнес Lender Invest.