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.
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!
