Как создают аккумуляторные батареи / Блог компании ASUS / Хабр
Практически все современные гаджеты объединяет одна деталь — в них есть аккумуляторная батарея. И её ёмкость остаётся одним из главных критериев при выборе устройства. Мы живем в эру мобильности, и требования к аккумуляторам растут с каждым годом.
Батареи для ноутбуков (и многие другие) состоят из энергетических элементов, скомпонованных в связанные друг с другом ячейки. Ноутбуки, как и большая часть других мобильных устройств, работают на литий-ионных или литий-полимерных аккумуляторах.
Мало кто задумывается о том, как сложно создать аккумуляторную батарею, отвечающую требованиям времени. Сегодня вы узнаете, как их производят в промышленных масштабах… начиная с химических элементов.
Li-ion — литий-ионные
Широко распространённый литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катода из алюминиевой фольги и анода из медной), разделенных пористым сепаратором, пропитанным жидким электролитом. Пакет электродов помещен в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъемникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации.
Типичная литий-ионная перезаряжаемая батарея состоит из положительного электрода (зеленый), отрицательного электрода (красный) и разделяющим их слоем сепаратора (желтый). Ионы лития (Li +, синий) перемещаются от отрицательного электрода (анода) к положительному (катод). Во время зарядки происходит обратный процесс, ионы лития переносятся к аноду. Источник
Литий-ионный аккумулятор обладает высокой энергоплотностью, но быстро разряжается при использовании на морозе и может быть взрывоопасен при перезаряде выше 4,2 В. Если вы проколете литий-ионную батарею и создадите короткое замыкание, она загорится и возникнет действительно сильный огонь, который нельзя легко потушить с помощью обычного огнетушителя. Именно поэтому многие такие аккумуляторы оснащают специальной защитой.
Li-po — литий-полимерные
Литий-полимерный аккумулятор (литий-ионный полимерный аккумулятор) представляет собой усовершенствованную конструкцию литий-ионного аккумулятора. В таком аккумуляторе в качестве электролита используется не жидкость, а сухой полимерный материал (синтетический пластик). В отличие от Li-ion, Li-po безопаснее, может отдавать сильные токи и, благодаря полимерному материалу, может быть какой угодно толщины и формы.
Li-po и технологии
Ноутбук, оснащенный литий-полимерным аккумулятором, поддерживает в 3 раза больше циклов зарядки (то есть служит в 3 раза дольше), чем ноутбук со стандартным литий-ионным аккумулятором.
Эффективность энергопотребления достигается не только за счет химических свойств батареи. Если ноутбук остается подключенным к зарядке, когда аккумулятор уже полностью заряжен, это может привести к ухудшению рабочих характеристик аккумулятора и, соответственно, к сокращению срока его службы. Это может также стать причиной набухания аккумулятора из-за внутреннего накопления газов, вызванного окислением, а значит и деформированию или повреждению ноутбука. Дополнительные программные технологии позволяют установить предельный уровень заряда 60%, 80% или 100%, чтобы продлить срок службы батареи и уменьшить вероятность ее набухания.
Ноутбуки также оснащаются механизмом быстрой зарядки, с помощью которого аккумулятор заряжается за несколько десятков минут чуть более чем наполовину.
Li-po vs Li-ion
Положительные и отрицательные электроды Li-po и Li-ion имеют сходный химический состав. Основное различия между двумя видами батарей заключается в способе их компоновки. С литий-ионной технологией для оболочки можно выбрать только жесткий металлический корпус, в то время как литий-полимерная технология позволяет использовать мягкую оболочку для корпуса (пластиковая или алюминиевая фольга). При толщине до 3 мм Li-po имеет преимущество в емкости. При толщине более 3 мм Li-ion дает существенную выгоду в цене.
Существуют и другие виды аккумуляторов на основе лития: LiFePO4 — литий-железо-фосфатные, LiFeYPO4 — литий-железо-иттрий-фосфатные, и другие. Отличаются они различными добавками, улучшающими характеристики батареи. Однако в основе большей части новых экспериментов лежит всё тот же металл, пришедший на смену некогда популярным никель-кадмиевым и никель-металлгидридным аккумуляторам.
Литий
Очень легкий, очень мягкий металл серебристо-белого цвета.
Первые работы в области создания перезаряжаемого аккумулятора на основе лития были начаты в 1912 году, но до 1970-х эксперименты не выходили за пределы лабораторий из-за нестабильности лития. В 1980-х на основе технологий, разработанных в Оксфордском университете, стали появляться первые промышленные литиевые аккумуляторные батареи, которые быстро перегревались и выходили из строя. Только в 1991 году был создан аккумулятор, в котором металлический литий был заменен более безопасной ионной формой.
Литий снискал заслуженную популярность за счет своих особых свойств. Это один из самых легких металлов в периодической таблице, который действительно помогает сохранять большие объемы энергии в небольшом объеме и при незначительном весе. Однако популярность лития сегодня может привести к исчерпанию этого металла в будущем.
Добыча лития — это трудоемкий процесс даже в тех регионах, где металла много. На протяжении десятилетий коммерческое производство лития основывалось на минеральных рудных источниках, таких как сподумен, петалит и лепидолит. Однако извлечение лития из руды вдвое превышает стоимость производства из соляных растворов.
Основные залежи лития, пригодные для активной разработки, находятся в Южной Америке и Китае. На территории России больше всего лития содержится в слюде, сопровождающей месторождения редкоземельных металлов. До недавнего времени добыча лития из слюды стоила слишком дорого, но в 2017 году ученые НИТУ «МИСиС» представили установку, сделавшую добычу соединений лития из бедной руды вдвое дешевле.
Большая часть лития сегодня добывается из естественных водяных линз соляных озер, в насыщенных соляных растворах которых концентрируется хлорид лития, калий и натрий. Раствор выкачивается и выпаривается на солнце, полученная смесь солей перерабатывается.
Извлечение лития
Солончак Уюни содержит около 100 миллионов тонн лития, или от 50 до 70% его мировых запасов
.
Крупнейший источник лития находится в Боливии — это солончак Уюни, высохшее соленое озеро, расположенное на высоте около 3650 м над уровнем моря. Имеет площадь 10 588 км². Внутренняя часть покрыта слоем поваренной соли толщиной 2-8 м. Хлорид лития, находящийся здесь в огромных количествах, пригоден для добычи из него лития, а раньше использовался в качестве замены обычной соли. Употреблять в пищу его перестали после открытия токсических эффектов.
Литиевый соляной пруд в Аргентине.
Для извлечения лития соляные растворы сначала перекачивают на поверхность в специальные пруды, где под воздействием солнца в течение нескольких месяцев происходит медленное испарение. Когда хлорид лития в испарительных прудах достигает оптимальной концентрации, раствор перекачивают на восстановительную установку, где фильтрацией удаляют из смеси нежелательные примеси.
Преобразование лития в металл производится в электролитической ячейке. Хлорид лития смешивается с хлоридом калия в соотношении 55% к 45% для того, чтобы произвести расплавленный эвтектический электролит. Далее электролизом расплава при температуре 600 °C получают расплавленный литий, который поднимается на поверхность электролита.
Другие химические элементы
Составляющие стоимости Li-ion батареи.
Внутри литий-ионного аккумулятора может использоваться несколько материалов для катодов. Первоначально основным компонентом катода был кобальт, но он имеет ограниченную доступность в природе и токсичен, что является огромным недостатком для массового производства. Сегодня кобальт частично замещается никелем, а также смесью кобальта, никеля и марганца.
Безопасная и долговечная батарея нуждается в надежном электролите, который может выдерживать существующее напряжение и высокие температуры и имеет длительный срок хранения, обеспечивая высокую подвижность ионов лития. Растворы электролита состоят из органических растворителей, соли LiPF6 (гексафторфосфат лития) и различных добавок.
Электролит высокой чистоты играет ключевую роль в транспортировке положительных ионов лития между катодом и анодом. Электролитные добавки улучшают стабильность, предотвращая деградацию раствора. Состав электролитов варьируется в зависимости от используемых анодных и катодных материалов, однако выбор электролита часто подразумевает компромисс между воспламеняемостью и электрохимическими характеристиками.
Полимерные электролиты представляют собой ионно-проводящие полимеры. Они часто смешиваются в композитах с керамическими наночастицами, что приводит к более высокой проводимости и устойчивости к более высоким напряжениям.
В литий-ионных батареях в качестве токоприемников используется разнообразная металлическая фольга — медная, никелевая или фольга из каталитической меди. Как правило, медная фольга ставится в качестве отрицательного электрода для коллектора анодного тока, а алюминиевая фольга применяется в качестве положительного электрода для катодного токосъемника.
Строение Li-po батареи
Анод состоит из смеси графита и лития (возможно также использование интерметаллидов или кремния), в то время как катод объединяет литий и другие металлы (материалы катода требуют чрезвычайно высокой чистоты и должны быть почти полностью очищены от нежелательных металлических примесей — железа, ванадия и серы).
Отделяет катод от анода сепараторный материал из полипропилена, полиэтилена или другого схожего полимерного материала. Сепараторы большинства батарей состоят из очень простых пластиковых пленок, которые имеют правильный размер пор, чтобы позволить ионам перемещаться, блокируя при этом другие элементы. В случае жидкого электролита сепаратор представляет собой вспененный материал, который пропитывается электролитом и удерживает его на месте.
Процесс производства батареи
Основы для анода и катода поставляются на завод в виде черного порошка, и для неподготовленного глаза они почти неотличимы друг от друга. Порошок очень мелкой фракции, чтобы достичь максимальной эффективной площади поверхности электродов. Форма частиц также важна. Предпочтительны гладкие сферические крупицы с закругленными краями, поскольку острые кромки или шелушащиеся поверхности чувствительны к высоким электрическим нагрузкам.
Аноды и катоды в литиевых батареях имеют одинаковую форму и выполняются по аналогичным процессам на идентичном оборудовании. Но поскольку загрязнение между анодным и катодным материалами приведет к разрушению батареи, то для предотвращения контакта материалов их обычно обрабатываются в разных цехах.
Первая стадия производства заключается в смешивании материалов электродов и нанесении суспензии на поверхность фольги. Активные электродные материалы покрываются с обеих сторон металлической фольгой, которая действует как токоприемник, проводящий ток внутри и снаружи ячейки. Затем фольга с материалами сушится, разрезается на узкие полоски и сворачивается в несколько слоев. Это требует постоянного контроля, поскольку любые заусенцы на краях полосок фольги могут привести к внутренним коротким замыканиям в ячейках.
В процессе сборки батареи сепаратор зажимают между анодом и катодом. После помещения батареи в корпус ее заполняют электролитом и запечатывают. Это должно выполняться в «сухой комнате», так как электролит реагирует с водой. Влага приведет к разложению электролита с выбросом токсичных газов.
Электроды помещают в корпус, оставляя отверстие для добавления электролита/
Как только сборка ячейки будет завершена, она должна пройти хотя бы один контролируемый цикл зарядки/разрядки. Процесс зарядки начинается с низкого напряжения, которое постепенно нарастает. Только после прохождения теста батарея покинет завод и отправится дальше.
* * *
В будущем, несомненно, появятся новые виды аккумуляторов. Возможно, тогда литий останется в прошлом. Пока же есть еще множество возможностей для улучшения характеристик существующих аккумуляторных батарей.
Ученые создали электроды для компактного и безопасного литий-ионного аккумулятора
Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разработали миниатюрные электроды (аноды и катоды), которые в дальнейшем могут стать компонентами нового класса компактных и безопасных аккумуляторов – тонкопленочных твердотельных литий-ионных аккумуляторов (ТТЛИА).
Сегодня литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) используются в широком спектре устройств — от носимой электроники до электромобилей. Они являются эффективными источниками энергии, однако у ЛИА такого типа имеются некоторые недостатки – это невозможность уменьшения размера до нанометрового или субмикронного уровня и небезопасность при перезаряде.
«Мы разработали методику получения электрохимически активного материала на базе оксида никеля (анод) и никелата лития (катод) с использованием метода молекулярного наслаивания. В результате были получены базовые и допированные составы анодов и катодов толщиной от единиц до десятков нанометров, которые в будущем могут быть использованы в ТТЛИА», – прокомментировал Максим Максимов, доцент Высшей школы физики и технологий материалов СПбПУ.
Он пояснил, что для воспроизводимого получения материалов ученые фундаментально исследовали влияние параметров синтеза на скорость выращивания, химический состав материала и электрохимические свойства, что важно для конечного устройства.
«Полученные структуры достаточно тонкие для того, чтобы в дальнейшем можно было получить нанометровый аккумулятор, который может быть интегрирован в процессор устройства при создании микросхем для носимой, портативной или вживляемой электроники. То есть источник тока при использовании нашей разработки может быть размещен прямо на небольшом микрочипе для обеспечения его энергией», – отметил Максим Максимов.
По его словам, сейчас ученые Петербургского Политеха разрабатывают твердый электролит для будущего аккумулятора, он будет непожароопасным в сравнении с жидким аналогом. Итогом работы исследователей станет безопасный и миниатюрный литий-ионный аккумулятор.
Работа проводится в рамках РНФ проекта № 18-73-10015, опубликовано более 10 работ по теме.
Информация и фото предоставлены Управлением по связям с общественностью СПбПУ
Материал из России в три раза увеличит емкость литий-ионных батарей
https://ria.ru/20210212/misis-1596967761.html
Материал из России в три раза увеличит емкость литий-ионных батарей
Материал из России в три раза увеличит емкость литий-ионных батарей — РИА Новости, 12.02.2021
Материал из России в три раза увеличит емкость литий-ионных батарей
РИА Новости, 12.02.2021
2021-02-12T09:00
2021-02-12T09:00
2021-02-12T09:03
наука
мисис
навигатор абитуриента
университетская наука
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdn24.img.ria.ru/images/07e5/02/0b/1596964437_0:202:3000:1890_1920x0_80_0_0_511eec5aa2d0a6701c7bdef87ce1d654.jpg
МОСКВА, 12 фев — РИА Новости. Увеличить емкость и продлить срок службы литий-ионных батарей смогли ученые Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (НИТУ МИСиС) в составе международного коллектива. По словам исследователей, они синтезировали новый наноматериал, который сможет заменить низкоэффективный графит, применяемый сегодня в литий-ионных батареях. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Alloys and Compounds.Литий-ионные батареи — основной тип аккумуляторов для бытовых приборов от смартфонов до электромобилей. Цикл зарядки-разрядки в таком аккумуляторе обеспечивается движением ионов лития между двумя электродами — от отрицательно заряженного анода к положительно заряженному катоду.Сфера применения литий-ионных батарей постоянно расширяется, но при этом, по словам ученых, их емкость до сих пор ограничена свойствами графита — основного анодного материала. Ученым НИТУ МИСиС удалось получить новый материал для анодов, способный обеспечить серьезный прирост емкости и продлить время службы батареи.Синтез конечного материала происходит в один шаг без промежуточных этапов благодаря использованию метода спрей-пиролиза. Для этого, как объяснили ученые, водный раствор с ионами нужных металлов превращают в туман при помощи ультразвука, а затем воду при температурах до 1200 °С выпаривают с разложением исходных солей металлов. В результате получаются сферы микронных или субмикронных размеров с пористостью, необходимой для работы в литий-ионной системе.Электрохимические исследования материала, синтезированного специалистами НИТУ МИСиС, проводились учеными Сеульского национального университета науки и технологий (Республика Корея), Норвежского университета науки и технологий (Норвегия) и Института науки и технологий SRM (Индия).В дальнейшем научный коллектив намерен продолжить поиски новых более эффективных составов аккумуляторных электродов.
https://ria.ru/20190603/1555207004.html
https://ria.ru/20200713/1574264241.html
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2021
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
https://cdn22.img.ria.ru/images/07e5/02/0b/1596964437_331:0:3000:2002_1920x0_80_0_0_41c6631c2e1b7712732bc421c7367476.jpgРИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
мисис, навигатор абитуриента, университетская наука
МОСКВА, 12 фев — РИА Новости. Увеличить емкость и продлить срок службы литий-ионных батарей смогли ученые Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (НИТУ МИСиС) в составе международного коллектива. По словам исследователей, они синтезировали новый наноматериал, который сможет заменить низкоэффективный графит, применяемый сегодня в литий-ионных батареях. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Alloys and Compounds.Литий-ионные батареи — основной тип аккумуляторов для бытовых приборов от смартфонов до электромобилей. Цикл зарядки-разрядки в таком аккумуляторе обеспечивается движением ионов лития между двумя электродами — от отрицательно заряженного анода к положительно заряженному катоду.
3 июня 2019, 12:32НаукаРоссийские ученые нашли «зеленую» замену для литиевых аккумуляторовСфера применения литий-ионных батарей постоянно расширяется, но при этом, по словам ученых, их емкость до сих пор ограничена свойствами графита — основного анодного материала. Ученым НИТУ МИСиС удалось получить новый материал для анодов, способный обеспечить серьезный прирост емкости и продлить время службы батареи.
«Полученные нами пористые наноструктурные микросферы состава Cu0,4Zn0,6Fe2O4 в качестве материала анода обеспечивают емкость втрое выше, чем у существующих на рынке батарей, при этом позволяя увеличить число циклов зарядки-разрядки в 5 раз по сравнению с другими перспективными альтернативами графиту. Такое улучшение достигается за счет синергетического эффекта при сочетании особой наноструктуры и состава использованных элементов», — рассказал ассистент кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ МИСиС Евгений Колесников.
Синтез конечного материала происходит в один шаг без промежуточных этапов благодаря использованию метода спрей-пиролиза. Для этого, как объяснили ученые, водный раствор с ионами нужных металлов превращают в туман при помощи ультразвука, а затем воду при температурах до 1200 °С выпаривают с разложением исходных солей металлов. В результате получаются сферы микронных или субмикронных размеров с пористостью, необходимой для работы в литий-ионной системе.
Электрохимические исследования материала, синтезированного специалистами НИТУ МИСиС, проводились учеными Сеульского национального университета науки и технологий (Республика Корея), Норвежского университета науки и технологий (Норвегия) и Института науки и технологий SRM (Индия).
В дальнейшем научный коллектив намерен продолжить поиски новых более эффективных составов аккумуляторных электродов.
13 июля 2020, 11:40НаукаУченые придумали, как улучшить батареи смартфоновНобелевку по химии дали за литий-ионные батареи. Почему эта технология достигла предела?
В 2016 году журналисты Washington Post сделали серию материалов про добычу самых дорогостоящих элементов внутри Li-ion аккумулятора: графита, кобальта и лития. В одном из них — короткий видеоролик. Африка, узкая мутная река — почти ручей, а по берегам — женщины в разноцветных одеждах, дети и суета. Мы в самой гуще рабочего дня: все промывают в ручье куски то ли земли, то ли камней. Быть может, именно отсюда родом кобальт, без которого не может работать аккумулятор вашего смартфона: большая часть его добычи приходится на небольшой регион африканской страны Конго, где есть официальные шахты с касками и минимальными зарплатами, а есть дикая добыча.
В этом видео, кроме гуманитарной проблемы, можно рассмотреть еще и, наверное, главную техническую проблему в производстве Li-ion аккумуляторов. По оценкам аналитического агентства Bloomberg New Energy Finance, уже в 2016 году общая емкость всех проданных Li-ion составила около 120 ГВт⋅ч. В пересчете на что-то более привычное это 7,5 миллиарда стандартных телефонных аккумуляторов, то есть почти по штуке на каждого жителя Земли. Ноутбуки, смартфоны — инопланетянину люди могут показаться лишь странными животными, обслуживающими плоские коробочки с энергией: каждый вечер они приходят домой, чтобы зарядить их, а с утра отправляются тратить восполненные запасы электричества.
И, если мы еще и захотим использовать Li-ion в электромобилях, даже жестокий рынок кобальта может уже этого не выдержать: либо люди станут работать уже в совсем рабских условиях, либо — что более вероятно — они не смогут добывать кобальт в нужных для индустрии объемах.
Впрочем, это не единственная проблема Li-ion.
Запасливая коробочка
Если кто-то (например, Нобелевский комитет) захочет разобраться, кто первый придумал литий-ионный аккумулятор, то столкнется с серьезной проблемой. В одной работе впервые предложили сам принцип, в другой показали какой-нибудь компонент, а в третьей наконец собрали сам аккумулятор. В общем, истоков у технологии очень много — десятки лет исследований и сотни коллективов, перебиравших материалы и условия.
Основной принцип работы Li-ion аккумулятора достаточно прост. Внутри этой коробочки — разделенные полупроницаемой мембраной два электрода (то есть электропроводящих материала, исполненных в определенном форм-факторе — пластина, проволока, цилиндр и т.д.), погруженных в электролит (очень упрощенно — электропроводящий раствор), богатый ионами лития. В самой популярной на сегодня версии аккумулятора один его электрод сделан из графита, а другой — из оксида кобальта СoO
Главные действующие лица в Li-ion аккумуляторах, как видно из названия, это атомы лития. Они очень легкие и подвижные и поэтому отлично справляются с ролью хранителей энергии. Li-ion аккумуляторы, с одной стороны, получают почти максимальную удельную емкость в расчете на массу, поскольку каждый из атомов лития может хранить по одному электрону. А с другой стороны, мобильность атомов лития позволяет аккумуляторам быстро разряжаться, выдавая неплохой ток, поскольку эти процессы напрямую связаны с перемещением лития внутри аккумулятора. В свою очередь, графит и оксид кобальта подобраны уже под литий: их кристаллические решетки организованы таким образом, что позволяют атомам лития легко проходить сквозь них.
Когда аккумулятор заряжен полностью, в графитовом электроде сидит очень много ионов лития. После того как аккумулятор подключают к внешней нагрузке, графит становится положительным электродом, а оксид кобальта — отрицательным. Положительные ионы лития под действием электрического поля начинают течь по электролиту к отрицательному электроду, а графит для соблюдения электронейтральности отдает во внешнюю цепь электроны. Дальше эти электроны совершают какую-то работу и по цепи приходят уже к CoO
При зарядке аккумулятора все повторяется с точностью до наоборот. Ионы лития и электроны выходят из оксида кобальта, дальше первые бегут по электролиту, а вторые — через внешнюю цепь (то есть электроны бегут в обратную сторону — отрицательный ток), чтобы снова встретиться в графите. Конец первого цикла работы.
Все вместе звучит несложно: просто ионы лития под действием внешнего поля перетекают от одного электрода к другому, попутно проталкивая через внешнюю цепь электроны. Но первое впечатление обманчиво.
Внутреннее напряжение
Мы привыкли воспринимать технологические инструменты как черные ящики. Нажимаешь на кнопку — получаешь результат, и незачем думать о том, что произошло внутри. С аккумуляторами это еще заметнее — то ли из-за из формы, то ли из-за обманчивой простоты конструкции. Но иногда «черные ящики» начинают вести себя странно, обнажая свою начинку.
Самый простой пример — это взрывы и самовозгорания прошлого поколения Li-ion аккумуляторов. Еще несколько лет назад вместо графитового электрода использовался чистый металлический литий, от которого за время многочисленных циклов зарядки и разрядки в сторону CoO2 вырастали ветвистые дендриты. Они в конце концов «коротили» положительный и отрицательные электроды друг на друга, и через аккумулятор начинали проходить слишком большие электрические токи. Это запускало каскад неуправляемых химических реакций с выделением тепла, и аккумулятор плавился или взрывался. Похожая история недавно была с аккумуляторами Samsung Galaxy Note 7, только они взрывались даже не из-за износа, а из-за просчетов при сборке аккумуляторов.
Другой пример менее опасный, но зато более знакомый: если разрядить Li-ion аккумулятор несколько раз до нуля, то после он уже гораздо хуже держит электричество, потому что кристаллическая структура электрода из оксида кобальта частично разрушилась под напором атомов лития.
Еще больше была проблема с зарядкой. Несколько лишних процентов к величине тока или напряжения — и аккумуляторы сразу начинали деградировать. Теперь обычные пользователи защищены от этих фокусов своими зарядными устройствами и встроенными в аккумуляторы электронными схемами, контролирующими ход зарядки, но раньше такого не было и аккумуляторы выдерживали гораздо меньше циклов разряда и заряда. Вся начинка наших «черных ящиков» тщательно подогнана и смазана годами исследований, чтобы мы могли наслаждаться видимой простотой.
iPhone 3GS, литий-ионный аккумулятор которого вздулся из-за короткого замыкания
© Mpt-matthew/CC BY-SA 3.0 via Wikimedia CommonsТеперь перед инженерами и учеными стоят новые задачи — Li-ion аккумуляторы сейчас начинают активно использовать в электротранспорте. Уже упомянутый нами отчет Bloomberg New Energy Finance предсказывает, что к 2022 году объем этого рынка обгонит рынок батареек для потребительской электроники.
Но сделать большой Li-ion аккумулятор непросто. По сути, это огромный ансамбль аккумуляторов, синхронизированных между собой. Например, аккумулятор Tesla Model S состоит из 16 блоков по 74 элемента каждый, то есть всего из 1184 элементов. Эта сложная конструкция, по некоторым оценкам, стоит почти половину всей машины.
Чтобы минимизировать издержки, Илон Маск открыл в пустыне Невада огромную фабрику по изготовлению Li-ion аккумуляторов — в проекте суммарная емкость произведенных за год батареек должна достигать 35 ГВт⋅ч. Экскурсии на эту фабрику, как рассказывают посетители, проходят в режиме повышенной секретности: закрытые комнаты, запретные зоны, коммерческие тайны. Соединить почти 1200 аккумуляторов так, чтобы все они одновременно заряжались и разряжались, — это громадная, сложная задача. Цена ошибки — пожары, взрывы, потеря эффективности.
Гигафабрика
© AP Photo/Rich PedroncelliКроме сложности масштабирования у современных Li-ion есть и другие слабости. Первая из них — это конструкционная сцепка между мощностью аккумулятора и его емкостью: если вы хотите сделать отдельный Li-ion элемент большой мощности, то он обязательно будет и большой емкости (то есть больших размеров). А если хотите маленький аккумулятор, то он автоматически будет показывать скромную мощность. Это не всегда удобно.
Вторая серьезная слабость Li-ion аккумуляторов — это их удельная емкость. Она лучшая среди всех других аккумуляторов, но все-таки достаточно скромная: тот же аккумулятор для Tesla Model S весит около 540 кг и это больше четверти от всей машины. Так что, скажем, подводные лодки на электродвигателях вряд ли появятся.
Нехорошая энергетика
Минусы Li-ion аккумуляторов вряд ли перевесили их проверенные и стабильные плюсы. Но в реальности все еще сложней, чем с деградацией электродов и лишними вольтами. Аккумулятор даже не то что непрозрачный черный ящик — он, будто атом из другой вселенной, неделим и неразложим на составляющие: в 100 граммах докторской колбасы 60 граммов воды, 20 граммов углеводов и 12 граммов белков, в футболке 60% хлопка и 40% полиэстера, а внутри Li-ion аккумулятора от 0% до 100% энергии, а остальное — пустота.
Конечно, в теории мы знаем, что это не так, но в бытовой повседневности все аккумуляторы, компьютеры и телефоны — просто обезличенный продукт без истории и состава. Они оживают, только когда ломаются, начинают «глючить», или когда чье-то любопытство (ребенка? безумца?) вскрывает начинку подручной вещи.
Журналисты Motherboard однажды измельчили айфон в промышленном блендере и выяснили, что внутри него содержится как минимум 31 различный химический элемент. Золото, галлий, ванадий — откуда они там? Зачем?
Внутри Li-ion аккумуляторов тоже много неожиданного.
Дикая добыча кобальта — это самая популярная работа в окрестностях африканского города Колвези. Мужчины небольшими группами спускаются в подземные лазы, где почти без всяких инструментов отбивают горную породу, а потом отдают ее на промывку женам и детям и в конце концов продают находки перекупщикам. Средняя выручка на мужчину получается $2−$3 в день. Добыча — за гранью выживания. Местные даже верят, что подземные залежи кобальта можно опознать по особым цветам, растущим над ними на земле.
После публикаций Washington Post о добыче кобальта почти каждый крупный производитель электроники чувствовал себя обязанным высказаться. Одни заявили, что тщательно проверяют свои цепи поставок и покупают только кобальт с легальных шахт, другие отговорились, что будут разбираться, а третьи и вовсе в стиле предвыборных обещаний заверили, что откажутся от кобальта. Поверить кому-либо сложно: электроды на кобальте пока превосходят все аналоги, а цепи поставок этого металла слишком запутаны, чтобы их отследить раз и навсегда.
Причины этому две. О первой уже сказано выше: почти 60% мировой добычи кобальта сконцентрировано в Конго — так уж вышло при создании этого мира. И поэтому, хотя в США на законодательном уровне даже есть список металлов, легальное происхождение которых необходимо доказывать продавцам, кобальт в него не входит — по-видимому, не так просто перекрыть денежный кран, питающий больше половины аккумуляторов на планете.
Вторая причина в чем-то симметрична первой: так получилось, что основной потребитель кобальта — это именно индустрия Li-ion аккумуляторов. Поэтому цены на этот металл за последнее десятилетие выросли почти в семь раз, и на быструю прибыль слетелись самые предприимчивые дельцы. Почти все скупщики, действующие на территории Конго, — китайцы, а вся добыча отправляется к ним на родину, где идет либо сразу на производство, либо на склады дальновидных предпринимателей. Резко выросший рынок кобальта, полный трудностей перевода между языками и культурных коллизий, пока живет по своим правилам, где детский труд и рабские зарплаты — вполне нормальные условия.
С литием гуманитарных проблем не меньше. Почти половина этого металла добывается в трех странах — Чили, Аргентине и Боливии. Для рабочих там созданы хорошие условия, но сама разработка может очень сильно угрожать экологии региона. Из-под земли выкачивают огромное количество соленой воды, которую потом отфильтровывают, чтобы получить ценный металл. При этом на одну тонну лития нужно прокачать почти 2 миллиона литров рассола, а прииски расположены в засушливом регионе. Одни специалисты говорят, что такой подход никак не может повредить запасам питьевой воды, другие — что все может закончиться очень быстро и печально.
Добыча лития в Чили
© Cristobal Olivares/Bloomberg via Getty ImagesНаконец, если рассуждать о ресурсах для Li-ion аккумуляторов, то есть еще категория самых прагматичных опасений, лишенных всяких этических переживаний или ссылок на экологию: по некоторым оценкам, разведанных ресурсов может просто не хватить. Например, по оценкам, приведенным в недавней статье журнала Nature, уже в ближайшее десятилетие спрос на кобальт превысит объемы производства, и даже китайские склады сырья нам не помогут.
Правда, расчеты других экспертов дают противоположные результаты: кобальта хватит как минимум на 40 лет, а других металлов и того больше.
Кто прав, понять сложно. Но очевидно: если мы хотим заменить все двигатели внутреннего сгорания на электродвигатели (а такова легенда), кто-то может очень сильно пострадать от этого желания. В цепях поставок сырья для современных Li-ion аккумуляторов очень много узких мест, которые не смогут расшириться, когда рынок электротранспорта рванет вверх.
Слезть с лития
И вот что в итоге: Li-ion аккумуляторы в их современной версии хороши, но уже по своей природе плохо подходят, например, для питания электрокаров (большая масса и сложности с масштабированием) да еще требуют дорогостоящих и редких ресурсов. Выход очевиден: надо искать другие технологии.
Мягким ходом будет модификация самих Li-ion аккумуляторов — например, замена электродов. Типичный пример — это еще одна недавняя работа в Nature, авторы которой вместо электродов на основе оксида кобальта предлагают работать с оксидом марганца и проводят первые испытания технологии: хорошая емкость, хорошая стабильность, в перспективе — более дешевая конструкция, но очень высокое напряжение зарядки, которое может сделать аккумулятор слишком неудобным или опасным для использования.
Примерно так дела обстоят с каждым аналогом, а их десятки: литий-железо-фосфатные батареи, литий-никелевые, литий-флуоридные — по совокупности основных технических характеристик они проигрывают обкатанной технологии и подходят только для применения в очень узких нишах. Учитывая, что себестоимость Li-ion аккумуляторов с 2010 года уменьшилась более чем в четыре раза, а спрос уже почти насыщен, близким аналогам Li-ion аккумуляторов без принципиальных преимуществ будет сложно получить своих покупателей.
Можно было бы радикальнее крутануть руль в погоне за Новым Аккумулятором и искать принципиально другие решения электрохимического хранения энергии. Здесь выбор очень разнообразный, и много исследований проводится в том числе и в России: натрий-ионные аккумуляторы, литий-воздушные аккумуляторы, водородные топливные элементы и микробные топливные элементы, проточные батареи. При этом у каждого решения есть преимущества перед Li-ion. Например, в проточных батареях объемы энергозапаса уже не зависят от мощности элемента, и поэтому они идеально подходят, например, для стационарного хранения излишков электроэнергии в распределенных энергосетях или в сетях, завязанных на возобновляемые источники энергии.
Современная qwerty-раскладка была придумана в конце XIX века. Она оптимизирована не под скорость или удобство набора текста, а под работу механических печатных машинок: она сделана так, что самые распространенные буквы максимально разнесены в пространстве, чтобы молоточки с литерами этих букв не задевали друг друга при печати. На машинках мы давно не печатаем, и есть другие, гораздо более удобные для работы раскладки, но так уж получилось, и по сей день большая часть человечества пользуется все тем же вариантом.
C Li-ion аккумуляторами получается похожая история. Они не очень подходят для новых технологий вроде электромобилей, но цепи поставок уже выстроены, сети сбыта сплетены, и порвать их непросто. Тем интересней следить, как будут меняться технологии хранения электрической энергии под давлением наших новых потребностей. Ведь обратная связь тоже обязательно верна: не только повседневность перестраивается под действием научных открытий, но и наука с технологией мутируют, подлаживаясь под нашу жизнь.
Михаил Петров
Почему отрасль ИБП должна быть готова к использованию литий-ионных аккумуляторов
На протяжении многих лет разработки в области источников бесперебойного питания (ИБП) были в значительной степени сосредоточены на повышении эффективности, надежности и доступности. Повышение эффективности работы (КПД) в режиме двойного преобразования в реальном времени было достигнуто в первую очередь за счет внедрения бестрансформаторной технологии в 1990-х годах.Удаление громоздкого трансформатора и связанное с этим значительное уменьшение габаритов, занимаемой площади и веса привело к инновациям в модульной концепции. Это, в свою очередь, уменьшило важное значение среднего времени ремонта (MTTR), что значительно повысило эксплуатационную доступность ИБП. При разработке конструкции источников бесперебойного питания (ИБП) теперь достигаются показатели эффективности более 97%, а эволюция нескольких поколений модульных систем ИБП повысила эксплуатационную доступность с 99,9999 (шесть девяток) до 99,9999999% (девять девяток). Время простоя было сокращено с секунд до миллисекунд. Конечно, система ИБП не только состоит из самих ИБП, но также включает в себя жизненно важный источник постоянного тока, необходимый для преобразования и обеспечения питания в случае сбоя в электросети.
Этот источник постоянного тока в основном представлял собой батарею: простое химическое устройство, используемое для хранения энергии до тех пор, пока она не понадобится. В мире ИБП традиционным аккумулятором был свинцово-кислотный блок с клапанной регулировкой (VRLA). По многим веским причинам VRLA существует уже давно. Технология старая, но проверенная, надежная, конкурентоспособная по цене, аккумуляторные батареи пригодны для вторичной переработки и, как следствие, стали альтернативой для подавляющего большинства систем источников бесперебойного питания (ИБП). (Обратите внимание, что батареи для систем ИБП были специально разработаны с учетом уникальных характеристик приложения, поэтому всегда необходимо использовать батареи правильного типа). Как и в любой другой отрасли, технологии всегда улучшаются, и грядут изменения в типах батарей. Некоторые системы ИБП уже поддерживаются технологией литий-ионных (литий-ионных) батарей (LIB).
Литий-ионные аккумуляторы возникли в начале 70-х, но коммерческий успех действительно был обеспечен Sony с их портативной видеокамерой начала 90-х. Движущей силой непрерывного роста и развития стали ноутбуки, а затем и мобильные телефоны, потому что мы все хотим, чтобы наша электроника была меньше, дешевле, мощнее и работала дольше.
Несмотря на то, что батарейные решения для защиты питания ИТ оборудования и портативной электроники преследуют общие цели: давать больше энергии, занимать меньше места, дольше работать и иметь приемлемую цену, батареи для бытовой электроники, отличаются от батарей для центров обработки данных.
Интересно, что использование литий-ионных аккумуляторов в источниках бесперебойного питания (ИБП) до сих пор шире представлено в развивающихся странах Африки, а также на Ближнем Востоке, где питающая электросеть менее надежна, а частые проблемы с питанием обычное явление. В этих случаях ИБП и аккумуляторные системы необходимо включать несколько раз в день! Это более широкое распространение в первую очередь связано с более длительным сроком службы литий-ионных аккумуляторов: обычно 2500 циклов включения и выключения по сравнению с примерно 300 циклами для технологии VRLA.
В Европе различные факторы, включая продолжающийся рост стоимости недвижимости, будут влиять на внедрение литий-ионных технологий в гораздо большей степени. Это связано с тем, что основными недостатками батарей VRLA являются их размер и вес. Установка выше первого этажа может потребовать структурного усиления здания просто для размещения необходимых батарей. С точки зрения логистики, перемещение большого количества тонн оборудования в комнату связи наверху и из нее, когда необходимо заменить батареи, также может вызвать проблемы.
С точки зрения занимаемой площади, две технологии существенно различаются: литий-ионные батареи занимают <50% размера и <25% веса батарей VRLA. Хотя в настоящее время они являются более дорогим вариантом покупки, цена литий-ионных аккумуляторов быстро падает (примерно на 80% с 2010 г.), и в результате модели затрат и рентабельность инвестиций становятся все более благоприятными. Если учесть ценность площадей для размещения оборудования, литий-ионные аккумуляторы теперь становятся жизнеспособными для центров обработки данных, стремящихся увеличить удельную мощность в пределах той же площади.
Фактически, нам известно небольшое количество европейских предприятий, которые в настоящее время включают небольшие литий-ионные системы в свои ИБП, включая одну поисковую систему.
Еще одним преимуществом литий-ионных аккумуляторов является то, что они могут работать при более высоких температурах, поэтому требуется менее дорогое охлаждение и сокращается общее количество энергии, потребляемой в серверной. Напротив: согласно отраслевым стандартам, на каждые 10 градусов выше 20 ° C срок службы батареи VRLA сокращается вдвое.
Помимо того, что литий-ионный аккумулятор намного легче и может работать при более высоких температурах, он имеет значительно более длительный расчетный срок службы (около 15-17 лет) по сравнению с VRLA, который обычно требует замены каждые 7-8 лет для 10-летних батарей. Такой уровень обслуживания может вызвать проблемы сам по себе.
В зависимости от того, что вы читаете, существует множество источников, которые предполагают, что значительная часть проблем вызвана системами батарей. Конечно, ситуация всегда улучшается, и некоторые системы мониторинга батареи также выравнивают заряд по системам батарей, что приводит к увеличению срока службы. Однако, если оценить полную стоимость владения, литий-ионный аккумулятор действительно становится более привлекательным решением.
Однако готовы ли литий-ионные аккумуляторы к работе и питанию большинства критически важных объектов?
Не все литий-ионные батареи одинаковы, как и батарея VRLA, необходимо выбрать правильный тип блока для конкретного применения. Распространенными вариантами литий-ионных аккумуляторов являются кобальт, марганец, фосфат, алюминий и титанит. Все они имеют разные уровни характеристик и производительности: время перезарядки, удельную мощность и способность работать при более высоких температурах. В зависимости от выбора материала для литий-ионной батареи ее напряжение, плотность энергии, срок службы и безопасность могут сильно различаться.
Оксид лития-кобальта (LCO) предлагает более высокую плотность энергии, но представляет угрозу безопасности, особенно при повреждении. Этот химический состав широко используется в бытовой электронике. Литий-железо-фосфатные (LFP), литиево-марганцевые (LMO) и литий-никель-марганцево-кобальтовые (NMC) батареи имеют более низкую плотность энергии, но по своей сути более безопасны. В ИБП наиболее часто используются оксид лития-марганца (LMO) и оксид литий-никель-марганца-кобальта (NMC), которые предлагают лучший компромисс между уровнем производительности и безопасности, доступным в настоящее время на литий-ионном рынке.
В прошлом вы, возможно, читали в прессе несколько тревожных историй, в основном о потребительских электронных устройствах.
Возможно, вы помните, как загорелся Samsung Note 7s, и его запретили брать с собой в самолет! Количество энергии, хранящейся в батареях этих устройств, действительно представляет определенные проблемы. Несмотря на то, что количество инцидентов невелико по сравнению с огромным количеством устройств на руках, эта область, все еще требующая решения.
Однако высокопроизводительные применения, такие как источники бесперебойного питания, не представляют таких проблем. Литий-ионные батареи для систем ИБП отличаются более безопасным химическим составом, более высокими рабочими параметрами, более прочными материалами и менее напряженной средой для пользователя.
Производители литий-ионных аккумуляторов используют рентгеновские лучи для контроля качества батарей, и в них также встроены предохранители ограничивающие ток заряда. Химическая среда и наука о ячейках улучшились, а также улучшились электронные системы управления, которые контролируют систему батарей, получая подробную информацию о каждой отдельной ячейке, например, таких как как напряжение, ток, температура и сигналы тревоги, и соответствующим образом позволяют контролировать режим зарядки.
Поскольку никому не нравится быть подопытным кроликом и по самой своей природе критически важная отрасль защиты электропитания обычно не склонна к риску, первые шаги к использованию литий-ионных батарей в отрасли ИБП будут делать новаторы. Как скоро они будут приняты остальными участниками рынка, вероятно, будет зависеть от опыта этих первых установок.
Мы полагаем, что со временем произойдет переход к использованию литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов, поскольку снижение затрат, обусловленное развитием автомобильной промышленности, перейдет в секторы резервного питания. Использование литий-ионных аккумуляторов неизбежно уменьшит размер и вес систем ИБП, а более длительный срок службы литий-ионных батарей будет означать меньшее количество дорогостоящих замен. Все это принесет пользу клиентам за счет сокращения капитальных и операционных затрат, а также сделает литий-ионные (литий-ионные) батареи выигрышным решением для приложений ИБП, требующих компактной инновационной защиты. Системы ИБП будущего должны разрабатываться с учетом литий-ионных аккумуляторов.
В нашем постоянно развивающемся мире ориентированные на будущее системы одна из самых серьезных проблем, с которыми сталкиваются проектировщики систем. Хорошая новость заключается в том, что технология CENTIEL уже готова к работе с литий-ионными батареями, поэтому существующие свинцово-кислотные аккумуляторные батареи будут иметь возможность перейти на литий-ионные в будущем без необходимости замены ИБП.
В CENTIEL наша цель ясна: добиться максимальной доступности электроэнергии для нашей клиентской базы. Наши передовые технологии, подкрепленные нашими комплексными контрактами на техническое обслуживание, выполняемыми нашими опытными и полностью обученными командами инженеров, обеспечат наилучшую защиту мощности наших клиентов в любое время независимо от того, что ждет в будущем.
Вред литиевых аккумуляторов: влияние на окружающую среду
Время прочтения: 5 мин
Дата публикации: 12-08-2020
Литиевые аккумуляторные батареи — это самый востребованный автономный источник питания на данный момент. В то время, как свинцово-кислотные АКБ главным образом используются в качестве автомобильных, литиевые заняли все остальные ниши. Фонарик, смартфон, ноутбук, современные системы резервного электропитания и даже электрокары — практически все использует в качестве источника энергии литиевые аккумуляторные батареи.
Когда речь идет об электромобилях, то их называют экологичными, ведь они не выбрасывают вредные газы в процессе работы. На самом деле все не так идеально, как хотелось бы. Вред от производства литиевых аккумуляторов для одного электрокара, в соответствии некоторым исследованиям, сопоставим с тем, что выбрасывает в атмосферу обычный автомобиль на двигателе внутреннего сгорания в течение нескольких лет. Не в последнюю очередь это связано с тем, насколько много элементов питания используется в автомобиле.
Так ли силен вред литиевых аккумуляторов для окружающей среды и стоит ли человеку что-то с этим делать? Попробуем кратко рассмотреть данный вопрос.
Как аккумуляторы влияют на окружающую среду
Вред АКБ для экологии удобно рассматривать на примере электромобиля по нескольким причинам. Во-первых, в электрокаре используется огромное количество аккумуляторов. Куда показательнее влияние тысяч батарей, установленных в одном автомобиле, чем какой-нибудь отдельный аккумулятор в смартфоне. Во-вторых, пользу или вред «зеленых» технологий удобно рассматривать на фоне традиционных автомобилей. В-третьих, в электромобилях чаще всего используются наиболее распространенные модели литиевых аккумуляторов. К примеру, силовой блок Tesla model S состоит из более чем 7000 обычных аккумуляторов типоразмера 18650, а именно — Panasonic Li-ion NCR18650B.
Попробуем рассмотреть прямое и косвенное влияние литиевых АКБ на экологию и человека на примере автомобильной отрасли и докажем, что не все так однозначно. По крайней мере, при текущем уровне развития технологий.
Первым стоит рассмотреть вред от производства аккумуляторов. В первую очередь производство вредно для работников завода, где АКБ производится. В составе литиевых аккумуляторных батарей используется не один токсичный материал. Это, к примеру, кобальт, никель, бористый литий. Производство литий-ионных аккумуляторов является наиболее опасным, чем производство аккумуляторов других типов.
Далее начинается процесс эксплуатации аккумулятора. В процессе езды электромобиль не выделяет вредных газов, в отличие от ДВС, однако эти газы выделяет электростанция для производства электроэнергии. Так как наибольшая доля вырабатываемой энергии приходится на электростанции, сжигающие топливо (уголь, газ), то вред экологии можно назвать ощутимым. Тем не менее, даже при таком раскладе электромобиль будет по меньшей мере вдвое экологичнее. Это не в последнюю очередь связано с низким КПД двигателей внутреннего сгорания, который даже не достигает и 50%. Хотя, и у электрокаров КПД не идеальный, плюс аккумулятор подвержен саморазряду даже при отсутсвии нагрузки. Это как бензобак, который немного протекает. Энергетическая отрасль претерпевает серьезное развитие и все больший процент энергии вырабатывается за счет возобновляемых источников (солнце, ветер и вода). Вместе с этим, соответственно, снижается косвенный вред от эксплуатации аккумуляторов.
Наверное, наибольшей проблемой является конец жизненного цикла аккумулятора. Как уже упоминалось ранее, при производстве литиевых аккумуляторных батарей используются токсичные вещества, которые нельзя зарывать в землю. Токсичные элементы негативно влияют на почву и ее обновление, а также попадают в грунтовые воды.
Стоит также заметить, что аккумуляторы опасны не только для экологии, но и для человека. Существует множество случаев самовозгорания аккумуляторов, которые могут привести к пожару. Чаще всего воспламенение связано с резким повышением температуры из-за замыкания электродов. К сожалению, далеко не всегда замыкание происходит из-за физического воздействия на аккумулятор. Причиной тому может стать техническая недоработка (многим известен случай массового возгорания смартфонов Samsung Galaxy Note 7) или сложные внутренние процессы в ходе старения.
Что мы можем сделать
Только из-за одних лишь электромобилей производство литиевых аккумуляторов растет огромными темпами. Является ли это проблемой и может ли человек что-то с этим делать? Каждый может внести небольшой вклад, отдавая батареи на утилизацию. Даже если речь идет об обычных аккумуляторах. Это поможет снизить процент вредных веществ, попадающих в почву.
Если мыслить более глобально, что нужно двигаться в двух направлениях: развивать технологию утилизации, а также технологию производства. Благодаря совершенствованию технологий утилизации, возможно, получится добиться почти нулевого выброса вредных веществ в почву.
Самым глобальным способом снижения вреда экологии является изобретение новых технологий сохранения энергии, которые будут и эффективнее, и менее токсичны. Работы в этом направлении ведутся активнейшие. Изобретение нового вида аккумулятора может перевернуть не только автомобильную отрасль, но и сферу мобильной электроники.
Какой можно подвести итог? Литиевые аккумуляторные батареи, безусловно, в одних сферах деятельности незаменимы, а в других — хороший и относительно экологичный аналог традиционных технологий. К сожалению, развитие отрасли производства аккумуляторов идет куда медленнее, чем другие сферы деятельности. Остается надеяться, что бум электромобилей станет поводом для открытия новых более экологичных и эффективных способов хранения энергии.
| 1 | 1 января 2012 г.-31 декабря 2012 г. | Композиционные катодные материалы для литиевых аккумуляторов |
| Результаты этапа: Сложные фосфаты LiMPO4•(M = Mn, Fe, Co, Ni) находят применение в качестве катодного материала литий-ионных аккумуляторов. Размер и форма частиц оказывают существенное влияние на их рабочие характеристики. Для решения задачи получения частиц LiMPO4 заданного размера и формы проводили осаждения из водного раствора аммонийного фосфата Nh5MPO4•xh3O в виде мелких частиц или наноструктур с последующим замещением аммонийной группы на литий. В работе использовали два основных способа получения частиц Nh5MPO4•xh3O – самопроизвольная кристаллизация из раствора и формирование на предварительно полученной взвеси гидроксида металла M(OH)2. Для определения размера, формы, состава и термической устойчивости полученных соединений использовали методы рентгенофазового анализа (РФА), термического анализа (ДТГА) с масс-спектрометрическим анализом газообразных продуктов реакции, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии. Все операции с соединениями двухвалентных железа и марганца проводили в инертной атмосфере, так как наличие даже следов кислорода ведет к их окислению. Использование частиц гидроксида соответствующего переходного металла для инициирования кристаллизации позволило уменьшить размер образующихся пластинчатых кристаллитов. Наиболее тонкие пластинки (порядка 100 нм) были получены для аммоний-фосфатов марганца и железа, средний размер пластинок составлял 10 – 20 мкм. Для соединений кобальта пластинки имели больший размер, а толщина достигала 2 мкм. При кристаллизации аммоний-фосфата никеля были получены глобулы размером около 20 мкм с достаточно равномерным распределением по размеру. Последующий обмен аммонийных групп на литий проводился путем нагревания смеси Nh5MPO4•xh3O с карбонатом лития в инертной атмосфере. Установлено, что обмен проходит в две стадии с образованием кислой соли в качестве промежуточного соединения для LiFePO4 и LiCoPO4. В случае LiMnPO4 и LiNiPO4 стадии образования кислой соли и обмена аммонийной группы литий не разделяются. Согласно данным ДТГА основные химические взаимодействия моногидрата фосфата аммония-железа и карбоната лития происходили до 500°С. Так как кристаллическое строение этих веществ различается, то замещении аммонийной группы на литий проходит через стадию неупорядоченного состояния, наблюдаемого при 400°С. Такой обмен не ведет к изменению внешних размеров и формы кристаллов. Уменьшение молярного объема примерно на 40% для LiMPO4 (M = Mn, Fe, Co) ведет к образованию ямок на поверхности кристалла. На поверхности кристалла проявляется ячеистая структура, связанная с рекристаллизацией и образованием нанокристаллитов. В случае LiNiPO4 наблюдались существенные нарушения микроструктуры кристаллитов из-за очень большого уменьшения молярного объема (~70%), вызванного потерей шести молекул воды. Методом электронной дифракции показано, что нанокристаллиты, образующие пластину, имеют одинаковую кристаллохимическую ориентацию, ось с кристаллической решетки перпендикулярна плоскости пластины, а литиевые каналы направлены вдоль пластин. Такие пластинчатые частицы LiFePO4 проявляют электрохимическую активность, близкую к теоретической, только в композиции с графеном, с аморфной сажей они практически не активны. Предложена модель, поясняющая такое различие электрохимических свойств. Таким образом, при использовании Nh5MPO4•h3O в качестве промежуточного соединения, можно управляемо воздействовать на размер и форму кристаллических частиц LiMPO4. | ||
| 2 | 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. | Композиционные катодные материалы для литиевых аккумуляторов |
| Результаты этапа: Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы создания литий-ионных возобновляемых источников тока (аккумуляторов) с улучшенными электрическими характеристиками. Сложные фосфаты LiMPO4•(M = Mn, Fe, Co, Ni) и твердые растворы на их основе LiM11-xM2xPO4 находят применение в качестве катодного материала литий-ионных аккумуляторов. Химический состав, кристаллическое строение вещества, а также размер и форма частиц оказывают существенное влияние на их рабочие характеристики. Для достижения поставленной цели в проекте решаются следующие задачи: 1. Получение наноразмерных частиц LiMPO4 заданного размера и формы. Для этого изучали возможность осаждения из водного раствора аммонийного фосфата Nh5MPO4•xh3O в виде частиц заданного размера и формы для последующего замещениям аммонийной группы на литий без изменения размера и формы исходной частицы. Показано, что наибольшее влияние на процесс кристаллизации оказывает добавка гидроксиламина. Размер частиц Nh5MPO4•xh3O (M = Mn, Fe, Ni), полученных таким образом, варьировался в пределах 50 – 300 нм. 2. Получение пластинчатых кристаллов твердых растворов LiFe1-xMxPO4 (M = Mn, Co, Ni), пригодных для проведения электрохимических исследований. Пластинчатые частицы твердых растворов состава LiFe(1-x)Mn(x)PO4 получали в две стадии: вначале синтезировал Nh5Fe(1-x)Mn(x)PO4•h3O на матрице предварительно осажденных гидроксидов соответствующих металлов. Затем замещали аммонийную группу на литий при нагревании смеси аммонийной соли с карбонатом лития. Степень замещения (x) варьировалась в пределах от 0 до 1. В результате были получены однофазные образцы заданного состава. Все образцы микронного размера и характеризуются примерно одинаковым распределением частиц по размерам. Для определения размера, формы, состава полученных соединений использовали методы рентгенофазового анализа (РФА), сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии. Все операции с соединениями двухвалентных железа и марганца проводили в инертной атмосфере, так как наличие даже следов кислорода ведет к их окислению. 3. С целью определения кристаллоэнергетических характеристик фосфатных фаз LiMPO4 (M = Mn, Fe, Co, Ni) проведены начальные эксперименты по определению энтальпий образования Nh5MPO4?xh3O (M = Fe, Co). 4. Изыскание возможности трансформации пластинчатых частиц LiCoPO4 в Li2CoPO4F без нарушения их формы. Опробованы два способа получения Li2CoPO4F из LiCoPO4: спекание при нагревании в токе инертного газа и искроплазменное спекание. Показано, что метод спекания при нагревании в токе инертного газа без предварительного измельчения вещества может быть использован для трансформации частиц LiCoPO4 в Li2CoPO4F. 5. С целью поиска и синтеза новых, более энергоемких аккумуляторов, рассматривается возможность синтеза гибридных фосфатно-силикатных катодных материалов. Для выявления основных химических процессов, происходящих в этих системах, проведено термографическое исследование с одновременным масс-спектрометрическим определением состава газообразных продуктов реакции (ТГ-ДСК-МС) на примерах получения индивидуальных сложных силикатов (фосфатов) 3d элементов и лития. Полученные данные используются для оптимизации технологии получения катодных материалов на основе фосфатов (силикатов) 3d элементов и лития. | ||
| 3 | 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. | Композиционные катодные материалы для литиевых аккумуляторов |
| Результаты этапа: Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы создания литий-ионных возобновляемых источников тока (аккумуляторов) с улучшенными электрическими характеристиками. Состав, размер и форма частиц катодного материала оказывают существенное влияние на рабочие характеристики аккумулятора. В качестве основных направлений работы в проекте представлены разработка новых способов формирования катодных материалов на основе пластинчатых кристаллов LiMPO4 (M = Mn, Fe, Co, Ni) с графеновым токопроводящим покрытием и технологии их изготовления, а также поиск и получение новых катодных материалов композиционного типа на основе смешанных фосфатов – силикатов. В ходе выполнения проекта выявлены основные закономерности формирования частиц фосфата железа-лития и его аналогов заданного состава, размеров и формы с использованием комбинации растворных методов и твердофазного синтеза. Для достижения поставленной цели вначале были осаждены из водного раствора частицы промежуточных соединений, а затем, методом последовательного замещения ионов, своего рода микроинженерии неорганических веществ, получены LiFePO4 и его аналоги, повторяющие размер и форму своих предшественников. В качестве промежуточных соединений опробованы кислые фосфаты, пирофосфаты и аммонийные фосфаты 3d-элементов. Наилучшие результаты были достигнуты при использовании аммонийных фосфатов 3d-элементов в качестве промежуточных соединений. Полученные на их основе пластинчатые микроразмерные частицы катодного материала представляли собой пористые наноструктуры, составленные из нанокристаллитов, ориентированных вдоль оси «с». Благодаря пористой структуре, создаваемой в ходе формирования частиц при замещении аммонийной группы на литий, материал имел хорошую проницаемость по ионам лития. Для электрического контакта с плоскостью микроразмерных тонких пластин использовали графен, обеспечивающий надежный электрический контакт с поверхностью, что позволило получить катодный материал, не уступающий по свойствам лучшим образцам, состоящих из наночастиц активного материала и графена. Такой подход использован впервые. Проведены исследования по поиску путей синтеза гибридных фосфатно-силикатных катодных материалов с использованием золь-гель технологии. Для выявления основных химических процессов, происходящих при синтезе, проведено термографическое исследование с одновременным масс-спектрометрическим определением состава газообразных продуктов реакции (ТГ-ДСК-МС) на примерах получения индивидуальных сложных силикатов (фосфатов) 3d-элементов и лития, а также фосфато-силикатов. Полученные данные необходимы для оптимизации технологии получения катодных материалов на основе фосфатов (силикатов) 3d-элементов и лития. | ||
Литий-ионная аккумуляторная батарея Предполагается, что это технология чехарда для электрификации трансмиссии и обеспечить стационарное хранение решения, позволяющие эффективно использование возобновляемых источников энергии. В технология уже используется для малой мощности такие приложения, как потребительские электроника и электроинструменты. Обширный исследования и разработки улучшили технологии до стадии, когда кажется очень вероятным, что безопасный и надежный литий-ионные батареи скоро будут бортовой гибридный электрический и электрический транспортных средств и подключенных к солнечным батареям и ветряные мельницы.Однако безопасность технология по-прежнему вызывает беспокойство, сервис жизни еще недостаточно, и стоит слишком высоки. Эта статья резюмирует современный литий-ионный аккумулятор технология для неспециалистов. В нем перечислены материалы и обработка для аккумуляторов и суммирует связанные с этим затраты с ними. Этот документ должен способствовать общее понимание материалов и обработка и необходимость преодоления оставшиеся препятствия на пути к успеху введение на рынок. ВВЕДЕНИЕ Мировой спрос на батареи в основном движется бытовой электроникой и прогнозируется рост количества электроинструментов под 6,9% годовых до 2010 г. 73,6 миллиарда долларов. 1 Эффективное использование низкоэмиссионных и безэмиссионные источники энергии, такие как как возобновляемый, но непостоянный ветер и солнечная энергия, требует стационарных, высокопроизводительных, долговечных и низких эксплуатационных расходов накопитель электроэнергии решения.В 2006 году Германия, ведущая нация в использовании энергии ветра как часть его общего производства энергии портфель, потратил впустую 15% своего ветроэнергетического энергии из-за отсутствия подходящих хранение электроэнергии. 2 Гибридные электромобили (HEV) и полностью электрические транспортные средства (электромобили) могут снизить зависимость США от иностранной нефти и будет способствовать увеличению спроса на батареи в будущее. Подсчет эффективности двигателя и включая производство электроэнергии, Электромобили могут сократить потребление бензина до одной четвертой сегодняшнего потребления и может уменьшить U.С. зависимость на импортную нефть до одной шестой части сегодняшний уровень. 3 В центре внимания Министерства Energys (DOE) Автомобильные технологии Программа на литий-ионной основе электрохимическое накопление энергии за счет электрохимический потенциал и теоретические мощность, обеспечиваемая этой системой. Литий-ионные батареи могут обеспечить надежная аккумуляторная технология хранения. Изменения в этой программе включают литий-ионный, литий-ионный полимер, и литий-металлическая технология. Краткосрочные цели DOE для HEV с усилителем достигнуты или превышены в восьми из 11 областей, показывая огромные успех программы. В восемь областей включают разрядный импульс мощность, регенеративная импульсная мощность, доступная энергия, эффективность, срок службы, система вес, объем системы и собственное увольнять. Тем не менее, три цели кажутся сложнее и остаются неудовлетворенными: рабочая температура от 30С до 52C, срок службы 15 лет и цена продажи ниже 500–800 долларов за штуку система на 100000 единиц, произведенных на год. 4 Для гибридных электромобилей с подзарядкой от сети (PHEV) в среднесрочной перспективе и для электромобилей в долгосрочной перспективе, достижения далеки от встречи с цели, а также значительный материал и обработка технологические барьеры необходимо быть преодоленным. Рисунок 1 иллюстрирует Министерство энергетики США и Консорциум передовых аккумуляторов США (USABC) цели и вехи встретились для приложений HEV и EV. Программа DOE ориентирована на преодоление технических барьеров, связанных с аккумуляторной технологией HEV, а именно стоимость, производительность, безопасность и жизнь: 6
Исторически, электрохимия и приборостроение доминировало разработка аккумуляторов. Вышеупомянутый барьеры производительности проблемы, связанные с материалами. Плохая низкая температура производительность — это распространение проблема при низкой температуре.Утрата мощность из-за использования в основном проблема связано с механическим поведением, трещина инициирование и рост с последующим летальным исходом разрушение и последующее покрытие и пассивация поверхностей. Кроме того, разработка и обработка материалов развитие должно быть решаются согласованно, чтобы сократить стоить и создать безопасную аккумуляторную технологию. Поэтому материаловеды и инженеры-технологи медленно входят арена, на которой цель надежных, безопасная и долговечная электрическая энергия хранилище будет достигнуто. ПРИНЦИП БАТАРЕИ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
Наименьший рабочий элемент в батарее электрохимическая ячейка, состоящая катода и анода разделены и подключен электролитом.В электролит проводит ионы, но является изолятором электронам. В заряженном состоянии анод содержит высокую концентрацию интеркалированного лития, в то время как катод обеднен литием. В течение разряд, ион лития покидает анод и мигрирует через электролит к катоду, в то время как связанный с ним электрон собирается током коллектор, который будет использоваться для питания электрического устройство (показано на рисунке 2). Конструкции и комбинации ячеек по модулям и пакам сильно различаются.Чтобы установить базовое понимание, это В документе показаны основные конструкции ячеек и затем сосредотачивается на материалах, обработке, и производство с особым упором на батарейках для транспортировки. Электроды в литий-ионных элементах всегда твердые материалы. Можно различать типы клеток по к их электролитам, которые могут быть жидкие, гелевые или твердотельные компоненты. Электролиты в гелевом и твердом состоянии. ячейки представляют собой структурный компонент и не нужны дополнительные разделители для эффективного разделения электродов и предотвращение коротких замыканий.Ячейки бывают кнопочными, цилиндрическими и призматические формы (см. рис. 3). Хороший обзор форм и материалов ячеек предоставлено J. Besenhard et al. 9 Для приложений с низким и низким энергопотреблением, ячейка часто представляет собой полная батарея. Для высокой энергии и большой мощности приложения, такие как транспорт или стационарное хранилище, ряд ячейки упакованы в модуль, а количество модулей упаковано в аккумулятор. Тонкопленочные батареи МАТЕРИАЛЫ Катодные материалы Материалы анода Электролиты Сепараторы со встроенным тепловым отключением механизмы, и дополнительные внешние сложное управление температурным режимом системы добавлены в модули и аккумуляторные батареи. Ионные жидкости находятся под рассмотрение из-за их термического стабильность, но есть серьезные недостатки, например, растворение лития из анод. Полимерные электролиты ионные проводящие полимеры. Они часто смешанный в композитах с керамикой наночастицы, что приводит к более высокой проводимости и устойчивость к более высоким напряжения.Кроме того, из-за их высокого вязкость и квазитвердое поведение, полимерные электролиты могут ингибировать литий дендриты из растущих 13 и могли поэтому может использоваться с металлическим литием аноды. Электролиты твердые литий-ионные проводящие кристаллы и керамические стекла. Они показывают очень плохую низкотемпературную производительность, потому что литий подвижность в твердом теле значительно снижена при низких температурах. Кроме того, твердые электролиты требуют специального осаждения условия и температурные процедуры добиться приемлемого поведения, сделав они чрезвычайно дороги в использовании, хотя они устраняют необходимость в сепараторы и риск теплового разгона. Сепараторы Хороший обзор материалов сепараторов и потребности обеспечивает П. Арора и З. Чжан. 14 Как следует из названия, разделитель аккумулятора разделяет два электроды физически друг от друга, таким образом избегая короткого замыкания. В случае жидкого электролита сепаратор пеноматериал, пропитанный электролит и удерживает его на месте. Это должен быть электронный изолятор при минимальном сопротивлении электролита, максимальная механическая стабильность, и химическая стойкость к деградации в высоко электрохимически активном окружающая обстановка.Кроме того, разделитель часто имеет функцию безопасности, называемую термической неисправность; при повышенных температурах, он тает или закрывает поры, чтобы закрыть вниз по литий-ионному транспорту без теряет механическую устойчивость. Сепараторы либо синтезируются в листах и собран с электродами или наносится на один электрод на месте. С точки зрения затрат последний метод является предпочтительным, но предполагает некоторый другой синтез, обработка и механические проблемы. Твердотельные электролиты и некоторые полимеры электролиты не нуждаются в сепараторе. ОБРАБОТКА И ПРОИЗВОДСТВО Разряд аккумулятора основан на диффузии ионов лития с анода к катоду через токоприемник, как показано на рисунке 2. Этот движущийся механизм в первую очередь основан на диффузионные процессы: доставка лития ионы на поверхность анода, переходя к и распространение через электролит, и переход на и диффузия в катод.Распространение самый ограничивающий фактор в сильноточных разрядка и зарядка, а также при низких температурах представление. Кроме того, интеркаляция и деинтеркаляция процессы создают изменение объема в активные электродные материалы. Это повторилось процесс из-за цикла может инициировать трещины и могут привести к возможному разрушению в результате непригодного активного электрода материал из-за отключения токоприемник или короткое замыкание а в случае литий-металлических батарей — угроза безопасности из-за шероховатости анода и роста дендритов. Работы по обработке материалов и производство для повышения производительности и управлять неизбежным объемом изменения привели к составному материалы с микро- и наноразмерными частицы. Наночастицы могут вместить изменение громкости с минимальным риск возникновения трещин и их микромасштабные агломераты и композиты приводит к минимальному распространению длины пути через медленную диффузию фазы (электроды). Сильное внимание уделяется от плотности упаковки, чтобы максимально увеличить активную содержание материала, открытая пористость для доступа электролит и электронная непрерывность чтобы гарантировать обмен заряда на токоприемники. Ячейки цилиндрические изготавливаются. и собран следующим образом. Электролиты формируются из паст активных порошки материалов, связующие, растворители, и добавки и подаются на покрытие машины выкладывать на токоприемник фольга, например алюминиевая для катодная сторона и медь для анода боковая сторона. Последующее ведение календаря для однородная толщина и частицы после размера следует разрезать до нужного ширина. Затем компоненты уложены на сепаратор-анод-катод-сепаратор стопки с последующей намоткой на цилиндрические ячейки, вставки в цилиндрические корпуса, и сварка проводки таб.Затем ячейки заполняются электролит. Электролит должен смачиваться разделитель, впитайте и намочите электроды. Процесс смачивания и замачивания это самый медленный шаг и поэтому является определяющим фактором скорости линии. Все остальные необходимые изоляторы, затем устанавливаются пломбы и предохранительные устройства. и подключен. Тогда клетки заряжаются с первого раза и тестируются. Часто необходимо вентилировать клетки во время первая зарядка. Далее следуют первые циклы зарядки. сложные протоколы для улучшения производительность, поведение на велосипеде и срок службы ячеек.В последнее время усилия были произведены в сочетании и гибридная обработка, такая как прямое осаждение разделителей на электроды и быстрые термообработки. АНАЛИЗ РАСХОДОВ НА АККУМУЛЯТОРЫ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ Требования к аккумуляторной батарее для
HEV отличаются от таковых для
PHEV и электромобили. 6 Программа DOEs
целевые производственные цены от $ 500 до
800 долларов США за аккумуляторные блоки HEV и 1700 долларов США
до 3400 долларов за аккумуляторные блоки PHEV. Из таблицы I можно оценить, что емкость ячеек примерно зависит от масса. Хотя упаковка в составе всего для большой батареи меньше чем у маленькой батареи, общая масса батареи на 10 Ач составляет примерно 325 г, а общая масса ячейки 100 Ач составляет примерно 3430 г. Таким образом, расчет стоимости материалы можно получить, увеличив масштаб затраты на материалы в ячейке 18650 на в 10 раз для HEV и в раз 100 для электромобилей.Большинство конструкций батарей в результате батарейки в общей сложности около 100 ячеек в нескольких модулях (например, как 12 × 8, 10 × 10 или аналогичный).
Например, затраты на материалы для элемента 18650 на основе LiCoO 2 (включая обработка материалов) может быть оценивается примерно в 1,28 доллара США за весь клетка. 15 Обработка материалов очень сложная отделить от стоимости материалов и поэтому включается в стоимость материалов в этом разделе. Кроме того, стоимость обработки материалов меняется резко с разными материалами и поэтому может считаться зависящим от материала.Однако новая обработка методы могут снизить текущий максимум стоимость сырья. Затраты на производство и оплату труда Итого Оценка показывает, что для достижения целей, необходимы огромные усилия, чтобы снизить стоимость обработки, стоимость материалов, и количество необходимого материала. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Нет сомнений в том, что литий-ионный клеточная химия предлагает одни из лучших варианты хранения электроэнергии для приложения с высокой и высокой мощностью такие как транспортные и стационарные хранение за счет их электрохимических потенциал, теоретические возможности и плотность энергии.Однако по оценкам стоимость батареи для примера приложения HEV все еще вдвое выше целевой цены учреждено USABC и DOE. С ростом цен на нефть немного выше цена, которую цель может уже получить достаточно потребительского признания для успешный выход на рынок. Однако цена еще впереди вниз. Есть четкие потребности в областях разработки материалов, оптимизации, и обработка. Расчеты выше отдельно между материалами и Затраты на рабочую силу.Однако это практически невозможно разделить затраты на сырье от затрат на обработку материалов, потому что мы никогда не используем чистое сырье в процесс; скорее, мы используем материальные соединения которые подходят для применения и это наименее дорогие в производство. Кроме того, даже сырье и материальные соединения имеют обработано. Таким образом, новые недорогие методы обработки этих материалов и соединения должны быть разработаны чтобы свести к минимуму сырые батареи стоимость материала. Требуются работы по гибридным технологиям например, сочетание недорогих навозной жижи техники с методами лечения заменить задачи, которые в настоящее время выполняется в два разных этапа. Высокоскоростной процедуры, такие как лучистая обработка, необходимо оптимизировать, чтобы заменить медленные печные процедуры. Инвестиции затраты и время производства должны быть минимизированным, чтобы сделать их выполнимыми для аккумуляторные приложения. Кроме того, гибрид материалы, которые могут выполнять функции из двух или более компонентов в настоящее время в использовании должны быть разработаны и встроены в батареи (например,г., цельный или высоковязкие электролиты, не нужны сепараторы, имеют усиленный литий обменное поведение, намочите электрод, и образуют хорошую связь). БЛАГОДАРНОСТИ Автор выражает признательность. поддержка Дэвида Хауэлла (Энергия Руководитель программы НИОКР по хранению, Транспортное средство Программа технологий, Управление энергетики Эффективность и возобновляемые источники энергии, Департамент энергетики) и Раймонд Боеман (директор транспортной программы, Окриджская национальная лаборатория), руководство от Крейга Блю и плодотворные дискуссии с Нэнси Дадни и многие другие коллеги.Это исследование в Национальной лаборатории Ок-Ридж, под управлением ООО «ЮТ-Баттель» для Министерство энергетики США под контракт DE-AC05-00OR22725, имеет спонсируется Vehicle Technologies Программа для Управления энергетики Эффективность и возобновляемые источники энергии. ССЫЛКИ 1. Мировые батареи, Промышленное исследование с прогнозами до
2010 и 2015 (Исследование № 2095) (Кливленд, Огайо: Freedonia
Группа, 2006). Клаус Даниэль занимается обработкой материалов Группа, Отделение материаловедения и технологий, Национальная лаборатория Ок-Ридж, Ок-Ридж, Теннесси, а также Департамент материалов Наука и техника, Университет Теннесси, Ноксвилл, Теннесси. С доктором Дэниелом можно связаться по телефону (865). 241-9521; электронная почта [email protected]. | ||||
Сырье в центре внимания по мере роста рынка литий-ионных аккумуляторов
ЛОНДОН, 27 января 2017 г. / PRNewswire / —
Литий-ионные батареи: Рынок d Развитие и влияние на R AW m Материал
Рынок литий-ионных (литий-ионных) аккумуляторов составлял 62 ГВтч в 2015 году и, как ожидается, превысит 70 ГВтч в 2016 году, увеличившись с 5.7 ГВт-ч десятью годами ранее. Рост был обусловлен увеличением количества приложений, использующих их, а также увеличением доли рынка по сравнению с другими типами аккумуляторных батарей. С 1990-х до начала 2010-х годов на рынке преобладала портативная бытовая электроника. Переход от мобильных телефонов к смартфонам и фаблетам увеличивал емкость аккумулятора на одно устройство даже при более низком росте продаж. В последнее время рост ускорился, поскольку автомобильный рынок начал электрифицировать свои силовые агрегаты.К 2025 году рынок литий-ионных аккумуляторов, по прогнозам, достигнет 223 ГВт-ч, что означает среднегодовой темп роста 14%.
(Логотип: http://photos.prnewswire.com/prnh/20150909/264974LOGO)
Что касается цветных металлов и минералов, до переработки, по оценкам Roskill, в 2015 году было израсходовано 379тыс.т на сумму 2 млрд долларов США. Это было менее четверти от общей суммы 9 млрд долларов США, отнесенных на стоимость материалов для литий-ионных аккумуляторов в том году, и всего 12% от общих затрат на элементы, что указывает на то, что нестабильность затрат на сырье снижается при окончательной стоимости аккумуляторов.Однако цены на сырье в начале 2016 года в реальном выражении были на недавнем, даже столетнем минимуме. Изменения в ценах на материалы имеют большее значение, поскольку производственные и накладные расходы продолжают снижаться, поскольку цены на ячейки и конечную упаковку станут более чувствительными к ценам на сырье, что подвергнет производителей и пользователей риску роста в будущем. Сложная и часто длинная цепочка поставок от рудника до аккумулятора, обычно с медленным временем реакции на добывающих предприятиях, также представляет собой риск для аккумуляторной промышленности.
Транспорт, определяющий рынок литий-ионных аккумуляторов с помощью до 2025
При сильном стремлении правительства увеличить проникновение гибридных, подключаемых к электросети и полностью электрических транспортных средствах (xEV) для достижения целей по выбросам, наряду со снижением стоимости аккумуляторов и увеличением диапазона аккумуляторов, Роскилл ожидает, что положительная тенденция в продажах xEV будет увеличиваться; рынок транспортных средств для литий-ионных аккумуляторов, по прогнозам, достигнет 131 ГВтч в 2025 году, что составляет 20.3% CAGR с 2015 г.
Очень похожие темпы роста прогнозируются для систем хранения энергии (ESS). Нормы выбросов снова играют роль, но также играет роль экономика управления электросетью, где увеличение объема хранения может снизить другие затраты, связанные с генерацией и сетью. Для потребителя хранение дает возможность снизить затраты на электроэнергию и в полной мере извлечь выгоду из собственного производства. Roskill прогнозирует, что рынок ESS составит 11,6 ГВтч в 2025 году по сравнению с 1,8 ГВтч в 2016 году.
Для сравнения, силовое устройство и малая группа движущей силы, как ожидается, будут работать довольно скромно, с 11.2% CAGR до 16 ГВтч в 2025 году. Портативная электроника будет работать значительно хуже. Для этого сектора Roskill прогнозирует среднегодовой темп роста на 6,6% до 64 ГВтч. Почти насыщение ключевых рынков телефонов и портативных компьютеров уже означает замедление роста в этом секторе, и ожидается, что эта тенденция сохранится.
К 2025 году на долю транспорта будет приходиться 60% рынка литий-ионных аккумуляторов 223 ГВтч, 5% ESS, 30% портативной электроники и 5% других приложений. Точность этого прогноза будет в значительной степени зависеть от того, насколько сильно развитие xEVs соответствует ожиданиям.Решимость правительства, тенденции в области затрат и производительности аккумуляторов и стратегия автомобильных компаний — все это здесь важные переменные. Подобные комментарии относятся и к ESS, еще одному быстрорастущему рынку. Следовательно, сценарии максимума / минимума жизненно важны для оценки рисков роста и падения.
Влияние на потребности в сырье будет выражено
Сборка аккумуляторных элементов опирается на сложную цепочку поставок, состоящую из в значительной степени не связанных между собой групп продуктов, в которой цветные металлы и минералы играют важную роль.К важным группам материалов относятся катодные материалы, анодные материалы, электролит, сепараторы и токосъемники. Литий-ионные батареи обычно определяются химическим составом катода. Альтернативные химические составы и особые составы в них предлагают очень широкий диапазон мощности, энергии, безопасности и стоимости, подходящие для различных применений.
Цветные металлы и минералы, которые широко используются в литий-ионных батареях, включают литий, кобальт, никель, марганец, графит, медь и алюминий.Первые четыре из них используются в основном как активный катодный материал, хотя литий также используется в электролите. Таким образом, разработки, относящиеся к катодам и коллекторам, особенно актуальны для использования материалов из цветных металлов, в то время как аноды требуют использования графита.
С растущим вниманием к рынкам xEV и, в меньшей степени, ESS, требования к поставщикам материалов меняются. Это очень очевидно в отношении катодных материалов, где рынок сместился от катода с высоким содержанием кобальта LCO, обычно используемого в портативной электронике, к продуктам с высоким содержанием никеля, в первую очередь NMC, но также и NCA.Другой материал xEV, LFP, широко используется в Китае, но сейчас он уступает место NMC и NCA, хотя остается благоприятным для приложений HEV и ESS.
Будет сырьё победители и проигравшие
Литий-ионные аккумуляторыуже являются важным сегментом рынка для лития и кобальта. Литий, который почти повсеместно используется в качестве катодного материала, а также в качестве электролита, должен достаточно точно отражать общую прогнозируемую тенденцию в отношении материалов для литий-ионных аккумуляторов.Однако из-за того, что он полагается на катодный материал с высоким содержанием кобальта LCO, кобальт будет работать относительно плохо в течение следующего десятилетия. И это несмотря на довольно сильный рост производства NMC и катодов NCA, содержащих кобальт, но в относительно небольших объемах. В то время как потребление лития может утроиться до 170тыс.т LCE к 2025 году в базовом сценарии, спрос на кобальт вырастет только вдвое до 57тыс.т.
Марганец должен работать относительно хорошо, несмотря на скромные характеристики катодного типа LMO с высоким содержанием марганца.Большая часть роста будет обеспечиваться за счет катодного материала NMC, несмотря на меньшую интенсивность его использования, чем в LMO. Ожидается, что среди основных металлов лучше всего будет никель. Никель является важнейшим ингредиентом катодов NMC и NCA, наиболее быстрорастущих типов катодных материалов. Внутри NMC среднее использование никеля в единицах увеличивается по мере того, как рынок переходит с низко- и средне-никелевого никелевого типа на высоконикелевый. Прогнозируется, что вместе эти соображения приведут к увеличению использования никеля в катодном материале до 67 тыс. Тонн в 2025 году, а среднегодовой темп роста составит 15.8% по сравнению с марганцем на 11,5%.
Графит — преобладающий активный анодный материал. Общий рост рынка анодных материалов в период с 2015 по 2025 год прогнозируется на уровне 10,3% в год, чтобы достичь рынка 182тыс.т. По прогнозам, графит покажет прирост на 10% в год до 164тыс.т (равняется 247тыс.т сырого продукта без учета потерь при переработке). Скорость роста немного ниже из-за увеличения количества других углеродных анодных материалов и некоторых неуглеродных анодных материалов.
Медь используется в литий-ионных аккумуляторах в фольге коллектора, а также в электрических выводах, соединениях и функциональных элементах на уровне элементов и блоков.Общее использование меди оценивается в 95тыс.т в 2015 году. Roskill прогнозирует увеличение до 273тыс.т в 2025 году, что представляет собой среднегодовой темп роста 11,2%. Рост доли сложных упаковок должен принести пользу меди, хотя относительно высокая стоимость этого материала и инициативы по снижению веса могут привести к более значительному сокращению ее использования, чем прогнозировалось.
Алюминий также используется в коллекторах и в электрических установках в аккумуляторных элементах и батареях. Он также используется в мешочках для ячеек. Общее использование алюминия оценивается в 65тыс.т в 2015 году и, по прогнозам, увеличится до 179тыс.т в 2025 году, что представляет собой среднегодовой темп роста 10.7%.
Результаты развития рынка литий-ионных аккумуляторов, альтернативные приведенным выше прогнозам, будут иметь прямое отношение к количеству потребляемых металлов и минералов. Для двух рынков, где литий-ионные батареи составляют основную часть общего рынка, — кобальта и лития, — разница в результатах будет принципиально важна для товара. Что касается никеля, графита и, в меньшей степени, меди, разработки литий-ионных аккумуляторов имеют значение для общего товарного рынка, но не настолько.
Сложная цепочка поставок от шахты до батареи представляет
Тем не менее, почти для всех материалов литий-ионных аккумуляторов требуемый продукт очень специфичен, что требует определенного сегмента более широкого соответствующего товарного рынка; динамика для отдельных продуктов, предназначенных для аккумуляторов, может сильно отличаться от динамики товара в целом. Большинство сырьевых материалов для литий-ионных аккумуляторов имеют длинную цепочку поставок, где всегда возможны узкие места в поставках, и всегда следует учитывать непредсказуемое влияние внешних интересов на перемещение сложного набора доступных материалов.
Чистым результатом структуры отрасли является возможность роста стоимости материалов и перебоев в поставках основного сырья. Это относится не только к производителю батарей, но и к тем, кто находится на более высоком уровне в цепочке поставок, в частности к производителям катодных материалов. Нижестоящие пользователи могут преодолеть потенциальные трудности отчасти за счет интеграции и альянсов. Адаптация технологических линий для обеспечения гибкости в источниках сырья или предложение альтернативных конструкций конечного продукта с другим сырьем являются дополнительными средствами снижения риска цепочки поставок; важность вторичного использования, вероятно, будет расти в долгосрочной перспективе.
Крупные инвестиции в Китай во все аспекты цепочки поставок литий-ионных аккумуляторов, в основном китайскими компаниями, указывают на то, что в краткосрочной и среднесрочной перспективе Китай, вероятно, еще больше увеличит свою глобальную долю. В долгосрочной перспективе это может измениться. В связи с смещением рыночного акцента на xEV и ESS со сложными аккумуляторными блоками и значительными рынками за пределами центральной части Азии ожидается появление новых производственных площадок в Европе, Северной Америке и других местах. Это уже проявляется в батареях с инвестициями Panasonic, Samsung SDI и других.Инвестиции в сырье для аккумуляторов будут продолжаться, но предложение будет зависеть от естественного происхождения и стоимости, а не от близости к потребителю.
Затраты на аккумуляторные батареи падают, но цены на сырье представляют собой риск
Roskill прогнозирует снижение средней стоимости аккумуляторной батареи с 362 долларов США / кВтч до 247 долларов США / кВтч в период с 2015 по 2025 год. Ожидается, что рынок литий-ионных аккумуляторов увеличится в размерах, как ожидается.В ближайшее десятилетие ожидается существенное снижение затрат на производство аккумуляторов. Одна из причин этого — ожидаемое увеличение загрузки производственных мощностей после освоения строящихся мощностей. Высокие постоянные затраты на амортизацию и НИОКР также будут распределяться по большему объему производства. Другая причина заключается в том, что материалы созданы для того, чтобы идти дальше, в результате использования лучшей химии, лучшей конструкции ячеек или лучшей обработки.
На первый взгляд может показаться, что затраты на материалы не должны следовать той же тенденции к снижению, как в производстве, поскольку цены на товары не определяются логикой бизнеса литий-ионных аккумуляторов.Фактически, цены на металлы и минералы имеют относительно небольшое влияние на рост стоимости материалов по следующим причинам: 1) химические продукты составляют большую часть стоимости материалов; 2) специфическая переработка продуктов добычи полезных ископаемых существенно увеличивает стоимость.
Для цветных металлов до рафинирования Roskill оценивает стоимость в 2,04 млрд долларов США в 2015 году. Это составляет менее четверти от общей стоимости материалов для литий-ионных аккумуляторов в том же году в размере 8,84 млрд долларов США, что указывает на нестабильность стоимости товарного сырья. снижается в стоимости конечных материалов.В прошлом, однако, имели значение большие изменения в стоимости материалов, особенно резкий скачок цен на кобальт в 2007 году, который привел к тому, что NMC вытеснили часть использования LCO.
В период с 2011 по 2015 год (а для некоторых — и в 2016 году) тенденция ценообразования на металлы и минералы была понижательной, за исключением лития. Это оказало некоторое (но довольно небольшое) влияние на снижение затрат на материалы на уровне ячейки и упаковки. Было очевидно более значительное сокращение затрат на переработку, частично вызванное ростом доли китайских поставщиков обработанных материалов с высокими ценами.Кроме того, этому способствовали улучшенная конструкция батареи и снижение потерь при обработке.
Забегая вперед, мы ожидаем дальнейшего снижения затрат на переработку, хотя и намного меньшего, чем в недавнем прошлом, а также снижения затрат на использование материалов за счет улучшения химии. Это будет означать дальнейшее абсолютное снижение затрат на материалы на единицу емкости аккумулятора. Однако с ростом цен на металлы и полезные ископаемые масштабы этого снижения будут уменьшаться, и доля материалов в стоимости элементов питания должна возрасти. Roskill прогнозирует увеличение доли материалов в стоимости ячеек до 58.4% к 2025 г. (и до 42,6% от стоимости упаковки), при этом цветные металлы и минералы оцениваются в 7,7 млрд долларов США, 19% от стоимости ячейки и 14% от стоимости упаковки. Поэтому понимание динамики рынка сырья будет становиться все более важным для цепочки создания стоимости литий-ионных аккумуляторов в будущем.
Roskill представит о тенденциях в сырье для литий-ионных аккумуляторов на конференции и выставке AABC Europe в Майнце , Германия , начиная с 30 th января 2017 года. Посетите стенд № 31, чтобы узнать больше о нашем анализе и консультациях по сырью для аккумуляторов.
Roskill выпустил новый отчет «Литий-ионные батареи: развитие рынка и сырье» с прогнозами до 2025 года. Это важное чтение для всех, кому требуется всесторонний обзор этого растущего сектора, и его использования в сырье. , оба из , и претерпевают быстрое преобразование.
Литий-ионные батареи: развитие рынка и сырье , 1st Edition, 2016 теперь можно приобрести в Roskill Information Services Ltd, 54 Russell Road, London SW19 1QL UK. Щелкните здесь , чтобы загрузить брошюру и содержание .
Для получения дополнительной информации свяжитесь с нами по телефону:
Тел .: +44 20 8417 0087 Электронная почта: [электронная почта защищена] Веб-сайт: http: // www.roskill.com
ИСТОЧНИК Roskill Information Services
Почему литий-ионные батареи только что получили Нобелевскую премию по химии? | Новости
Джон Гуденаф, Акира Йошино и Стэнли Уиттингем получили сегодня Нобелевскую премию по химии 2019 года «за разработку литий-ионных батарей». Так что же такое литий-ионные батареи? Как они работают? И почему они так важны?
Почему они получили Нобелевскую премию?
Гуденаф, Йошино и Уиттингем — пионеры литий-ионных батарей.Как объяснил Нобелевский комитет при объявлении премии, технология, которую они разработали, является основой «нашего нового мира аккумуляторных батарей». Литий-ионные батареи легкие и обладают высокой плотностью энергии, их можно перезаряжать и повторно использовать тысячи раз. Это делает их идеальным источником питания, который позволяет использовать множество современных портативных электронных устройств, включая кардиостимуляторы, ноутбуки, мобильные телефоны и электромобили. Их также можно использовать в более крупных масштабах для хранения энергии, производимой из возобновляемых источников, таких как ветер и солнце, что помогает снизить нашу зависимость от ископаемого топлива.
Как на самом деле работают литий-ионные батареи?
Как и все батареи, литий-ионные батареи работают, производя ток электронов, который течет от анода к катоду. Это означает, что хороший анодный материал — это такой материал, который легко высвобождает свои электроны — из всех элементов литий является лучшим в отрасли.
В современных батареях и анод, и катод изготовлены из слоистых материалов, которые могут накапливать (интеркалировать) ионы лития в промежутках между своими слоями.Когда батарея используется, электроны перемещаются от анода к катоду через внешнюю цепь, генерируя ток, необходимый для питания любого устройства, к которому подключена батарея. В то же время положительные ионы лития проходят через электролит от анода к катоду, где они снова накапливаются. Когда аккумулятор заряжается, происходит обратный процесс: электроны и ионы лития возвращаются к аноду.
Основным преимуществом этого подхода является то, что батареи эффективно работают, перемещая ионы лития вперед и назад во время циклов зарядки и разрядки, не полагаясь на реакции, которые постепенно разрушали бы электроды — это означает, что их можно заряжать и перезаряжать снова и снова.Но самые ранние батареи на основе лития должны были преодолеть несколько технических и химических проблем, чтобы в конечном итоге дать нам широко распространенный литий-ионный элемент.
Что сделали новые лауреаты Нобелевской премии?
В начале 1970-х Уиттингем впервые использовал потенциал лития в качестве анодного материала, создав первую работающую литиевую батарею. В этих батареях в качестве слоистого материала для катода использовался дисульфид титана. Однако аноды были сделаны из металлического лития, и они были склонны к короткому замыканию, поскольку во время использования из анода вырастали усики лития, в конечном итоге достигая катода с катастрофическими последствиями для устройства.Эти сбои могут привести к пожарам и даже взрывам.
Развивая идеи Уиттингема, Гудинаф работал над поиском лучшего катодного материала, который имел бы более высокий потенциал, — создания более мощной батареи. Он также понял, что аккумуляторы необязательно производить в заряженном состоянии, и вместо этого их можно заряжать позже. Это помогло ему открыть новый материал катода, Li x CoO 2 , который удвоил напряжение батарей, что сделало их гораздо более практичными для реальных приложений.Фактически, когда батареи были в конечном итоге коммерциализированы, они использовали почти точно такой же материал оксида кобальта, который разработал Гуденаф.
Но до того, как это случилось, вопрос с металлическим анодом все еще оставался решенным. В 1986 году Ёшино использовал в качестве анода углеродсодержащий материал на основе нефтяного кокса. Батарея, которую он разработал, имела большую емкость и была удивительно стабильной — ее можно было заряжать и перезаряжать сотни раз, прежде чем ее характеристики ухудшились. Это был первый раз, когда была создана литий-ионная батарея, пригодная для коммерческого использования.
Почему литий-ионные батареи так важны?
Это не просто чистая химия, это технология, которую многие люди считают ключом к смягчению последствий изменения климата и вытеснению ископаемого топлива из нашего энергобаланса. Растущий спрос на материалы, используемые в этих батареях, находится даже в центре геополитических штормов.
С ростом индустрии электромобилей в аккумуляторные технологии вкладываются огромные инвестиции — компании хотят создавать более мощные, безопасные и легкие материалы для хранения энергии.Разработка этих аккумуляторов сыграла важную роль в миниатюризации портативной электроники — до такой степени, что очень немногие из нас когда-либо покидают свои дома, не нося батарею в кармане, — и даже может революционизировать способ питания наших домов.
Но литий-ионные батареи существуют уже много лет — почему они победили сейчас?
Люди призывали разработчиков литий-ионных батарей к присуждению Нобелевской премии в течение многих лет — имя Гуденаф регулярно упоминалось в предсказаниях Нобелевской премии.Теперь он стал старейшим лауреатом Нобелевской премии. Учитывая, что технология уходит корнями в нефтяной кризис 1970-х годов, люди долго ждали этого. Учитывая такое широкое использование литий-ионных аккумуляторов и такую преобразующую технологию, они, несомненно, станут популярным выбором.
Чего нам ждать дальше?
Ключевые проблемы, стоящие перед аккумуляторной промышленностью, включают выработку энергии, безопасность и экологичность.
Исследователи аккумуляторов начинают думать о замене лития другими металлами — натриево-ионные аккумуляторы, возможно, могут привести к более устойчивому будущему.Но пока эти батареи не могут сравниться по характеристикам со своими литиевыми собратьями.
Другой ключевой проблемой является поиск альтернативных материалов для электродов батарей — цена на кобальт резко подскочила в последние годы из-за того, что он используется в батареях. Добыча металла также связана с детским трудом, рабством и разжиганием конфликтов в нестабильных регионах мира. Однако кобальт можно найти лишь в нескольких странах, а Демократическая Республика Конго производит две трети мировых запасов.
Замена жидких электролитов — еще одна область, привлекающая большое внимание исследователей аккумуляторов. Эти электролиты были в центре споров, связанных с возгоранием аккумуляторных батарей телефона и заземлением самолетов. Возможные решения включают твердые электролиты или даже включение огнетушащих веществ в корпус батарей.
Литий-воздушные батареи — еще одна многообещающая технология, теоретическая выходная мощность которых в несколько раз выше, чем у традиционных литий-ионных аккумуляторов.
литий-ионный аккумулятор — Анализ батарея
*Выберите страну / regionUnited StatesCanadaAfghanistanAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrazilBritish Индийского океана TerritoryBrunei DarussalamBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCape VerdeCayman IslandsCentral африканского RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos (Килинг) IslandsColombiaComorosCongoCongo, Демократической Республика ofCook IslandsCosta RicaCote D’IvoireCroatiaCubaCyprusCzech RepublicDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEast TimorEcuadorEgyptEl СальвадорЭкваториальная ГвинеяЭритреяЭстонияЭфиопияФолклендские (Мальвинские) острова Фарерские островаФиджиФинляндияГермания Югославская Республика МакедонияФранцияФранцузская ГвианаФранцузская ПолинезияФранцузские Южные территорииГабонГамбияГрузияГерманияГанаГибралтарГрецияГландия uadeloupeGuamGuatemalaGuineaGuinea-BissauGuyanaHaitiHeard и McDonald IslandsHoly Престол (Ватикан) HondurasHong KongHungaryIcelandIndiaIndonesiaIran (Исламская Республика) IraqIrelandIsraelItalyJamaicaJapanJordanKazakstanKenyaKiribatiKorea, Корейские Народно-Демократической RepKorea, Республика ofKuwaitKyrgyzstanLao Народный Демократической RepLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyan Arab JamahiriyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacauMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesia, Федеративные StatesMoldova, Республика ofMonacoMongoliaMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNauruNepalNetherlandsNetherlands AntillesNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorthern Mariana IslandsNorwayOmanPakistanPalauPanamaPapua Нового GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalPuerto RicoQatarReunionRomaniaRussian FederationRwandaSaint HelenaSaint Китс и НевисСент-ЛюсияСент-Пьер и МикелонСамоаСан-МариноСао Томе и ПринсипиСо я ArabiaSenegalSeychellesSierra LeoneSingaporeSlovakiaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSpainSri LankaSth Georgia & Sth Sandwich Институт социальных Винсент и GrenadinesSudanSurinameSvalbard и Ян MayenSwazilandSwedenSwitzerlandSyrian Arab RepublicTaiwan, провинция ChinaTajikistanTanzania, Объединенная Республика ofThailandTogoTokelauTongaTrinidad и TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks и Кайкос IslandsTuvaluUgandaUkraineUnited арабских EmiratesUnited KingdomUruguayUS Minor Отдаленные IslandsUzbekistanVanuatuVenezuelaVietnamVirgin острова (Британские) Виргинские острова (U.S.) Острова Уоллис и Футуна Западная Сахара ЙеменЮгославия Замбия Зимбабве
Шесть литий-ионных аккумуляторов: не все аккумуляторы созданы равными
Литий-ионные аккумуляторы необходимы для современных технологий и их можно найти почти в каждом портативном устройстве, а также в электромобилях. Смартфоны, ноутбуки, планшеты, беспроводные электроинструменты и накопители энергии в сети — вот лишь несколько примеров, которые питаются от превосходных аккумуляторов, которые были основой электроники с момента их коммерциализации в 1991 году.Популярность аккумуляторов отчасти объясняется их способностью упаковывать значительное количество энергии в относительно небольшое пространство при небольшом весе.
Пример литий-ионного аккумулятора — Nokia BLC-2. (Изображение предоставлено Кристофербом через Википедию)
Как и большинство батарей, литий-ионная версия предлагает те же компоненты внутри элемента для выработки энергии в результате химической реакции — положительный электрод, отрицательный электрод и электролит. Например, в наиболее широко используемой литий-ионной технологии (для мобильных устройств) положительный электрод изготовлен из фосфата лития-железа (LiFePO 4 ), отрицательный — обычно из углерода (графита), а электролит — обычно состоит из литиевой соли в органическом растворителе.
Как и все технологии, литий-ионные аккумуляторы развивались в течение нескольких десятилетий, включая новые химические составы для различных приложений и повышенную производительность. В этом обзоре мы рассмотрим некоторые из последних химических свойств и составов, которые были разработаны для литий-ионных батарей и их приложений.
Оксид лития-кобальта
Шариковая и стержневая модель части кристаллической структуры оксида лития-кобальта. (Изображение предоставлено Беном Миллсом через Википедию)
Батареи на основе оксида лития-кобальта(LiCoO2 2 ) изготовлены из карбоната лития и кобальта и обладают очень стабильной емкостью и высокой удельной энергией, что делает их популярным выбором для использования с мобильными устройствами, такими как смартфоны, ноутбуки и цифровые камеры.
Внутри они состоят из катода из оксида кобальта и анода из углеродного графита. Во время разряда ионы лития перемещаются от анода к катоду, и во время цикла перезарядки процесс меняется на противоположный. У этих батарей есть некоторые недостатки, включая относительно короткий срок службы, низкую термическую стабильность и меньшую нагрузочную способность, что означает, что они нуждаются в частой подзарядке.
Оксид лития-марганца
Литий-марганцево-оксидная батарея Panasonic CR 2.(Изображение предоставлено: Kalabaha1969 через Википедию)
Литий-марганцевые батареи(MnO 2 ) на самом деле выпускаются в двух версиях — одна со структурой шпинели (LiMn 2 O 4 ), которая имеет катодную трехмерную структуру для ввода и вывода литий-ионов во время цикл зарядки и разрядки аккумулятора. Другой имеет слоистую структуру из каменной соли (Li 2 MnO 3 ) с чередующимися слоями ионов лития и ионов лития / марганца на катоде.
Оба обеспечивают быструю зарядку и сильноточную разрядку с повышенной термостойкостью по сравнению с батареями из оксида кобальта и, как следствие, обеспечивают повышенную безопасность, что делает их идеальными для медицинских устройств, электромобилей и электроинструментов.
Литий-фосфат железа
Литий-железо-фосфатный аккумулятор 12 В Advanced Mobile Power Systems. (Изображение предоставлено AMPS)
Литий-железо-фосфатные батареи (LiFePO 4 ) используют фосфат железа в качестве катода вместе с графитовым электродом в сочетании с металлической сеткой токосъемника в качестве анода.Эти батареи более устойчивы к условиям полной зарядки и менее подвержены нагрузкам, чем другие литий-ионные батареи, при длительном воздействии высокого напряжения.
В результате эти типы имеют низкое сопротивление, тем самым повышая их безопасность и термостойкость, что делает их идеальными для электрических мотоциклов и транспортных средств. Единственным недостатком является их низковольтная емкость и меньшая энергия, чем у других типов литий-ионных аккумуляторов.
Литий, никель, марганец, кобальт, оксид
Литий-никель-марганцево-кобальтовый аккумулятор Melsen.(Изображение предоставлено: Melsen Power)
Литий-никель-марганцево-кобальтовые аккумуляторы (LiNiMnCoO 2 ) изготавливаются с использованием нескольких различных элементов, обычно встречающихся в других литий-ионных аккумуляторах, и используют комбинацию никеля, марганца и кобальта в качестве катода. Хотя точное соотношение материалов варьируется в зависимости от производителя, обычно используются комбинации 60% никеля, 20% марганца и 20% кобальта.
Как и другие типы, эти батареи могут иметь либо высокую удельную энергию, либо высокую удельную мощность (не то и другое), но включение никеля обеспечивает элемент с высокой удельной энергией, хотя он также имеет пониженную стабильность.
С другой стороны, марганецобеспечивает низкое внутреннее сопротивление, но имеет недостаток в виде низкой удельной энергии. Однако их сочетание усиливает сильные стороны друг друга, что делает их подходящими для силовых агрегатов электромобилей и аккумуляторных электроинструментов.
Литий-никель-кобальт-оксид алюминия
Аккумуляторы Panasonic NCR 18650BM LiNiCoAlO2. (Изображение предоставлено FastTech)
Литий-никель-кобальто-алюминиевые батареи(LiNiCoAlO2) не являются обычным явлением в потребительской промышленности, но имеют многообещающее значение для производителей электромобилей (и других специализированных приложений), поскольку они обеспечивают варианты с высокой удельной энергией, достаточно хорошую удельную мощность и приличный срок службы.
Эти типы не так безопасны, как другие, перечисленные здесь, и поэтому требуют специальных мер контроля безопасности для использования в электромобилях. Они также более дороги в производстве, что ограничивает их жизнеспособность для использования в других приложениях.
Титанат лития
Titanate SCiB (сверхзарядный ионный аккумулятор) от Toshiba. (Изображение предоставлено Toshiba)
Литий-титанатные (LTO) батареи заменяют графит в аноде нанокристаллами лития-титаната, придавая им большую площадь поверхности по сравнению с углеродом, позволяя электронам очень быстро входить и выходить из анода.Это, в свою очередь, делает его одним из наиболее быстро заряжаемых аккумуляторов в категории литий-ионных аккумуляторов.
Однако у них есть свои недостатки, так как они имеют более низкое собственное напряжение и более низкие значения удельной энергии по сравнению с традиционными литиевыми технологиями. При этом они являются одной из более безопасных платформ с точки зрения термостойкости, что делает их невероятно безопасными для использования в электромобилях и электровелосипедах с возможностями в военной и аэрокосмической отраслях.
Индустрия литий-ионных аккумуляторов постоянно развивается, предлагая бесчисленное множество типов, подходящих для любого количества приложений.Технология постоянно совершенствуется: исследователи из Уорикского университета разработали новую технологию, которая позволяет обычным литий-ионным батареям заряжаться в пять раз быстрее, а SolidEnergy Systems разработала более мощную батарею с использованием литий-металлической фольги и запатентованного электролита, который, как предполагается, удвоить удельную энергию по сравнению со стандартными литий-ионными платформами.
Повышенная энергоемкость, более быстрое время перезарядки и повышенная безопасность — это лишь верхушка айсберга для новых типов литий-ионных аккумуляторов; мы можем ожидать дальнейшего развития, поскольку в их разработке будут применяться новейшие технологии.Будет интересно посмотреть, куда движется этот проверенный временем носитель информации в ближайшем будущем.
Часто задаваемые вопросы по литий-ионным батареям
На этой странице:
Как следует утилизировать литий-ионные батареи?
Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы и устройства, содержащие эти аккумуляторы, не следует выбрасывать в бытовой мусор или в мусорные баки. Они могут вызвать возгорание во время транспортировки, а также на свалках и переработчиках.Вместо этого литий-ионные аккумуляторы следует сдавать в отдельные пункты переработки или сбора опасных бытовых отходов.
Что мне делать, чтобы аккумуляторы можно было безопасно сдать на предприятие по переработке?
Чтобы предотвратить возгорание, которое может произойти при контакте аккумуляторов друг с другом или с другими металлами, EPA рекомендует заклеить клеммы (или соединения) аккумуляторов токонепроводящей лентой. Изолента предпочтительна, но подойдут все клейкие ленты, не сделанные из металлического материала. В качестве альтернативы, размещение каждой батареи в отдельном пластиковом пакете также изолирует клеммы.
Как я могу определить, в каких продуктах есть литий-ионные аккумуляторы?
Химический состав аккумулятора или устройства может указываться на корпусе аккумулятора, в руководствах по эксплуатации или на маркировке продукта. Также могут быть символы или значки, обозначающие химический состав, или символ стрелки с надписью «Li-ion» под ним.
Почему нельзя выбрасывать литий-ионные аккумуляторы в муниципальную или бытовую мусорную корзину?
Когда литий-ионные аккумуляторы или устройства, которые их содержат, ошибочно помещены в муниципальную мусорную корзину, они попадут в муниципальный пункт утилизации (MRF), который обычно оборудован для переработки только бытовой бумаги, пластика, металла и стекла.В этом случае батареи могут быть повреждены или раздавлены во время обработки и могут стать причиной возгорания. Важно отметить, что символ преследующей стрелки (т. Е. Три стрелки, образующие треугольник) на литий-ионных аккумуляторах означает, что вы можете утилизировать эти аккумуляторы на специализированных предприятиях по переработке аккумуляторов; это НЕ означает, что литий-ионные аккумуляторы можно выбрасывать в муниципальную или бытовую мусорную корзину.
Почему так важна переработка литий-ионных аккумуляторов?
Повторное использование и переработка литий-ионных аккумуляторов помогает сберечь природные ресурсы за счет снижения потребности в первичных материалах и уменьшения энергии и загрязнения окружающей среды, связанных с производством новых продуктов.Литий-ионные батареи содержат некоторые материалы, такие как кобальт и литий, которые считаются критически важными минералами и требуют энергии для добычи и производства. Когда аккумулятор выбрасывается, мы полностью теряем эти ресурсы — их невозможно восстановить. Утилизация батарей позволяет избежать загрязнения воздуха и воды, а также выбросов парниковых газов. Это также предотвращает отправку аккумуляторов на объекты, которые не оборудованы для безопасного обращения с ними и где они могут стать пожароопасными. Вы можете уменьшить воздействие на окружающую среду электроники, питаемой от литий-ионных аккумуляторов, по истечении срока их полезного использования за счет повторного использования, безвозмездной передачи и утилизации продуктов, в которых они содержатся.
Из каких материалов изготавливаются литий-ионные батареи?
Материальный состав или «химический состав» батареи адаптирован к ее предполагаемому использованию. Литий-ионные аккумуляторы используются во многих различных приложениях и в самых разных условиях окружающей среды. Некоторые батареи предназначены для обеспечения небольшого количества энергии в течение длительного времени, например, для работы в мобильном телефоне, в то время как другие должны обеспечивать большее количество энергии в течение более короткого периода времени, например, в электроинструменте. Химический состав литий-ионных аккумуляторов также может быть адаптирован для максимального увеличения циклов зарядки аккумулятора или для работы в условиях сильной жары или холода.Кроме того, технологические инновации также приводят к использованию с течением времени нового химического состава батарей. Батареи обычно содержат такие материалы, как литий, кобальт, никель, марганец и титан, а также графит и легковоспламеняющийся электролит. Тем не менее, всегда ведутся исследования по разработке литий-ионных аккумуляторов, которые менее опасны или соответствуют требованиям для новых приложений.
Какие материалы специалисты по переработке аккумуляторов восстанавливают из литий-ионных аккумуляторов?
Сегодня литий-ионные аккумуляторы изготавливаются из таких минералов, как литий, кобальт, никель и марганец.В настоящее время часто извлекают кобальт, марганец и никель. Литий также можно регенерировать, но для повторного использования его часто необходимо подвергнуть дальнейшей обработке.
Каковы требования к хранению, если литий-ионные аккумуляторы не используются?
Литий-ионные аккумуляторы лучше всего хранить при комнатной температуре. Их не нужно ставить в холодильник. Избегайте длительных периодов экстремально низких или высоких температур (например, приборной панели автомобиля под прямыми солнечными лучами). Длительное воздействие этих температур может привести к повреждению аккумулятора.
У моего компьютера вздулась батарея — что мне с ней делать?
Иногда аккумулятор внутри продукта набухает. Вздутие указывает на повреждение аккумулятора и потенциальную опасность возгорания. Оцените свою ситуацию и, если не существует непосредственной угрозы возгорания, обратитесь к производителю продукта, розничному продавцу, у которого он был приобретен, или (в зависимости от того, являетесь ли вы предприятием или домашним хозяйством) вашим государственным агентством по утилизации отходов или местным жителем. программа по обращению с опасными бытовыми отходами для руководства по надлежащему обращению.Храните аккумулятор или устройство в безопасном месте до тех пор, пока не будет определен правильный вариант утилизации. Это может быть ведро с огнетушащим веществом, например, песок или наполнитель для кошачьего туалета, или в другом месте, вдали от легковоспламеняющихся материалов. Если вы считаете, что у вас есть неминуемая опасность пожара, вам, возможно, придется позвонить по номеру 911.
Цепочка поставок лития и важных минералов … критична — ClearPath
Опубликовано 11 июня 2020 г. Кэмерон Тарри и Фейт Мартинес-Смит
Введение
Знаете ли вы, сколько минут вы тратите на телефон в неделю? В среднем взрослые проводят за смартфоном более 3 часов в день, но задумывались ли вы когда-нибудь о том, из чего сделан ваш мобильный телефон? Конечно, есть крышка из стекла, немного металла и пластика, но как насчет аккумулятора?
Сотовые телефонывесят около 7 унций, а батарея составляет 1/5 от этого веса. 1 В большинстве телефонов используется литий-ионный аккумулятор, в котором в качестве «носителя» для хранения энергии используется менее одного грамма (3/100 унции) лития. 2 Когда литий создает ионы, они протекают между анодом и катодом, создавая заряд. Довольно круто, правда!
Но для этого крошечного следа лития нам нужно написать маме, цепочка поставок очень сложна.
Литий-ионные батареииспользуются не только в наших телефонах, но и в самом центре перехода к чистой энергии.Другие материалы, такие как графит, который также используется в батареях; и теллур, используемый в солнечных элементах следующего поколения, важны, но литий определенно движет рынком аккумуляторных батарей. Практически все — от вашего телефона до электромобилей и решений для хранения полезных данных — находит применение литию. 3
Возможно, вы читали о новой литий-ионной батарее, над которой Tesla работает с китайским производителем аккумуляторов Contemporary Amperex Technology Co. Ltd.(CATL), который, как говорят, прослужит более 1 миллиона миль и окажет сотрясение земли на технологии аккумуляторов. 4 Но есть один огромный вопрос: откуда берется литий и другие важные материалы? Сегодня ответ — не США
.Национальная безопасность США будет ослаблена, если возможность строительства в Соединенных Штатах будет зависеть от материалов и обменов, находящихся далеко за пределами контроля США.
Критично, но не отечественное
В 2018 г.Департамент внутренних дел США опубликовал список из 35 важнейших минералов: минералов, которые «имеют решающее значение для экономической и национальной безопасности Соединенных Штатов». 5 Эти полезные ископаемые необходимы для работы таких ключевых секторов, как аэрокосмическая, оборонная, энергетическая, электронная и транспортная, но их цепочки поставок легко нарушить. 6 Во-первых, эти минералы можно найти в земной коре, но их добыча или переработка ведется только в определенных географических точках.Компоненты некоторых литий-ионных аккумуляторов, такие как графит, литий, кобальт и марганец, также находятся в этом списке.
США импортируют большинство этих важнейших минералов в различных количествах. Хотя США являются лидером в производстве бериллия и гелия, они полностью зависят от импорта 14 минералов, включая боксит, основной источник алюминия, и тантал, который является конденсатором в некоторых электронных устройствах. Напротив, Китай на сегодняшний день является ведущим производителем важнейших полезных ископаемых, доминируя в производстве 16 из них. 7
Китай является ведущим производителем важнейших минералов, в то время как США импортируют 14 из них
И что? Давайте посмотрим на батарейки в качестве примера. Во многих литий-ионных батареях в качестве катода используется кобальт. Несмотря на столь широкое использование, более 90% кобальта производится как побочный продукт при добыче других ресурсов, что делает его производство зависимым от факторов, помимо спроса на батареи. Более того, более 65% мирового производства сосредоточено в Демократической Республике Конго, стране, в которой Организация Объединенных Наций по-прежнему сохраняет миротворческое присутствие. 8 , 9 Таким образом, не только мир зависит от одной страны в плане его поставок, но и это предложение может быть практически прекращено в результате географически определенного или не связанного с ним события. Хотя Китай является всего лишь инвестором многих кобальтовых рудников, он контролирует 70% мощностей по переработке кобальтовой руды в кобальтовые химикаты для аккумуляторной промышленности, что дает им дополнительный контроль над цепочкой поставок.
Как и многие из этих важнейших минералов, литий сталкивается с теми же проблемами. Несмотря на то, что литий в большом количестве, его трудно добывать и обрабатывать.Большая часть добычи лития сосредоточена в Латинской Америке и Австралии, в то время как Китай контролирует большую часть производственных мощностей; Одна только Австралия может похвастаться пятью из десяти крупнейших месторождений лития в мире, и более 60% переработки лития происходит в Китае. 10 , 11 Производство литиевых химикатов и конечных продуктов охватывает такие страны, как Китай, Япония и Южная Корея. Даже при торговле с союзниками цепочка поставок лития действительно глобальна. Способность США производить аккумуляторы зависит от факторов, находящихся вне их контроля — мировых торговых цен, зарубежных возможностей добычи и переработки или даже от пандемии, ограничивающей международную торговлю.Поскольку США стремятся вернуть домой более важную добычу полезных ископаемых, давайте в качестве примера проследим литий из земли в наши карманы.
Копаем глубже
Литий добывают из разных источников: рассола и твердых пород, а также из других источников, таких как глина, в стадии разведки. Примерно половина лития в мире поступает из рассола грунтовых вод, воды, богатой солями лития. Рассол из подземных вод чаще всего добывается в Южной Америке. Чтобы получить доступ к этому литию, необходимо выкачивать воду на поверхность и оставлять ее в огромных прудах на месяцы или годы, пока концентрация лития не станет достаточно высокой.Литий также можно добывать из твердых пород в земле в традиционной шахте. Эти минералы — это то, как большая часть лития добывается в Австралии, и они были самым важным источником лития до открытия запасов лития в Южной Америке. 12 Каждый из этих типов горнодобывающей промышленности сталкивается с экологическими проблемами: рассол из-за использования воды и воздействия на окружающую среду, а также традиционные шахты из-за загрязнения окружающей среды и выщелачивания химикатов. 13
После извлечения из земли соединение лития необходимо переработать в пригодный к употреблению продукт.Литиевые химические вещества, а не только литий, используются в батареях и других продуктах. Это означает, что литий перерабатывается из одного соединения в другое, которое можно использовать. 14 Эти перерабатывающие предприятия являются узкоспециализированными, поскольку различным клиентам требуются соединения с определенным составом и степенью чистоты. 15 Эти процессы также довольно энергоемки, что увеличивает углеродный след, когда перерабатывающие предприятия расположены в странах с высоким уровнем выбросов. Большинство предприятий по переработке лития находятся в Китае, где в апреле 2019 года было произведено более 60% мирового лития. 16 Это означает, что цепочка поставок литиевой батареи действительно зависит от мировой торговли, даже если предприятие по производству самой батареи находится в Соединенных Штатах.
Производство и транспортировка Можно добавить
— значительный след парниковых газов
Удивительным элементом этой цепочки поставок является производство батареи, хотя обработка лития сталкивается с аналогичными проблемами. Изготовление литий-ионного аккумулятора также является энергоемким производственным процессом.Часто эта энергия поступает из источников, выделяющих углерод, и когда это происходит, на эту энергию приходится половина углеродного следа литий-ионного аккумулятора. Транспорт также имеет значение; доставка лития из Чили в Китай, Японию или Южную Корею добавляет немаловажный след парниковых газов; простая транспортировка готовых аккумуляторных элементов из Южной Кореи в Мичиган добавляет 4,1 кг выбросов CO2-экв. / кВтч. 17
Теперь у нас есть все на месте, давайте посмотрим на одну литий-ионную батарею, которая была в центре внимания: в автомобиле Tesla, итерация полугрузовика которого недавно была отложена из-за ограничений, связанных с производством аккумуляторов.Электромобиль нуждается в огромном количестве лития; аккумулятор в Tesla Model S требует 140 фунтов лития, количество в 10 000 сотовых телефонов. 18 Тесла добывает литий на австралийской шахте Кидман Ресорсиз, руднике твердых пород; недавно компания стала партнером чилийской компании SQM для разработки литиевого проекта Mt. Holland в Западной Австралии, чтобы увеличить добывающие мощности для Tesla. Затем порода отправляется на китайский завод Ganfeng Lithium для переработки в гидроксид лития, химическое вещество, которое Tesla использует в своих батареях.Это химическое вещество отправляется на производственные предприятия Tesla в Нью-Йорке, Неваде, Калифорнии и Шанхае для изготовления батареи. Таким образом, хотя многие электромобили Model 3 производятся во Фремонте, Калифорния, это производство опирается на сеть компаний, процессов и цепочек, которые охватывают весь земной шар. Даже планируемая компания Tesla Gigafactory, работающая на солнечной энергии, уже являющаяся крупнейшим производителем аккумуляторов в мире, привносит в Соединенные Штаты только этот последний производственный элемент цепочки поставок аккумуляторов.
Этот процесс усложняется тем, что каждый этап — добыча, обработка и, наконец, конечное использование в производстве — неразрывно связан со спросом в конце цепочки поставок. Проект Mt. Holland зависит от того, хочет ли Tesla больше аккумуляторов. Химический состав аккумуляторов хрупок, что означает, что литиевая шахта и предприятие по переработке лития должны иметь возможность надежно производить стабильные литиевые химические вещества; Таким образом, проект по производству большего количества лития осуществляется за счет покупателя. Цена на литий зависит от мирового рынка, а это означает, что риск приступить к новому проекту, не имея в виду клиента, непреодолим. 19 Это может создать проблему курицы и яйца: практически невозможно построить шахту без партнера по добыче, и трудно достичь такого соглашения, не установив предварительно производственные мощности. 20
Если США хотят создать внутреннюю цепочку поставок лития, у нее, таким образом, есть много различных этапов и процессов, которые необходимо создать, а также факторы производства, окружающей среды и экономические факторы, с которыми нужно бороться. К счастью, высокий спрос из-за стремительного роста электромобилей, серьезный геологический потенциал и опытная производственная рабочая сила привели к тому, что U.С. Благодатная земля, на которой можно строить. Теперь, когда мы понимаем процесс, лежащий в основе литий-ионного аккумулятора, давайте вернемся к США
.Текущие возможности США
В настоящее время у США низкие возможности, но большие перспективы: значительные залежи лития, но лишь несколько операций. У одной американской компании, Albemarle, есть предприятия в Северной Каролине, Теннесси и Неваде. Сегодня месторождение Альбемарл в Неваде является единственным действующим литиевым рудником в США, где литий извлекают из рассола с помощью прудов-испарителей.Компания также исторически добывала твердые породы на своем участке в Северной Каролине; Albemarle в настоящее время управляет заводом по химической конверсии в Северной Каролине и изучает возможность возобновления добычи полезных ископаемых в Северной Каролине. 21 Кроме того, канадская компания Lithium Americas разрабатывает проект Thacker Pass, который после ввода в эксплуатацию станет вторым по величине литиевым рудником в мире. Проект должен начать добычу в 2022 году и будет использовать открытый метод добычи глины. 22
Инновации в США в действии
США созрели для расширения цепочки поставок лития. Сегодня в разработке находится несколько проектов, которые не только расширяют производство лития в США, но и находят более экологически безопасные и экономичные способы сделать это. Их географическое и техническое разнообразие дает множество примеров для будущей цепочки поставок лития в США.
США созрели и имеют потенциал для развития
Больше о цепочке поставок лития
На геотермальном поле Солтон-Си в Калифорнии компания Controlled Thermal Resources пытается убить двух зайцев одним выстрелом: вырабатывает энергию из геотермального тепла и одновременно извлекает литий из рассола.Обычные геотермальные установки вырабатывают тепло из резервуаров с горячей водой у поверхности; когда этот рассол имеет значительные концентрации лития, этот литий гипотетически можно извлечь, как и из любого другого литиевого рассола. Этот метод называется прямой экстракцией лития. Основным преимуществом этого метода является его воздействие на окружающую среду — он использует меньше места и воды, чем традиционная добыча рассола, работает по замкнутому циклу, возвращая рассол к его источнику, и работает от возобновляемых источников энергии на месте.Этот процесс также позволяет извлекать литий за часы, а не за месяцы. 23 Разработав систему с нуля, чтобы включить извлечение лития в области с чрезвычайно высокими концентрациями лития, Controlled Thermal Resources надеется создать к 2023 году внутренний источник карбоната лития для производства электромобилей. 24
В южно-центральном Арканзасе канадская компания Standard Lithium переносит прямую добычу лития в существующую инфраструктуру в партнерстве с немецкой химической компанией Lanxess.В настоящее время проект Lanxess охватывает 150 000 акров и 10 000 арендованных участков для извлечения рассола, который затем подается по трубопроводу на три перерабатывающих завода для извлечения брома. В 2019 году Standard Lithium приступила к изучению возможности извлечения лития из рассола перед его повторной закачкой в землю. На юго-западе штата Standard Lithium в партнерстве с Tetra Technologies исследует извлечение лития из отработанного рассола при добыче нефти и газа. Как и проект в Солтон-Си, в этих проектах будет использоваться система с замкнутым циклом, которая снижает как воздействие на окружающую среду, так и время процесса извлечения лития. 25 Эти проекты также предлагают потенциально огромную экономию средств за счет использования существующей инфраструктуры, обеспечивая более дешевый способ получения лития в Соединенных Штатах.
Некоторые стремятся к дальнейшим инновациям. Ученые Техасского университета в Остине недавно разработали новую технику фильтрации, которая может значительно сократить время, необходимое для извлечения лития из рассола. При испытаниях степень извлечения лития составляет до 90%; это означает более эффективное извлечение ресурсов и уменьшение воздействия на окружающую среду при добыче лития. 26 Поскольку США стремятся не только обеспечить внутренние поставки критически важных минералов, но и улучшить процесс извлечения лития, такой прогресс будет зависеть от таких ключевых новаторов, как эти.
Для некоторых других важных минералов другое решение можно найти на дне океана недалеко от побережья США. Потенциал глубоководной добычи полезных ископаемых может обеспечить более высокий выход полезных ископаемых и гораздо менее токсичные отходы, чем традиционная добыча важнейших полезных ископаемых. Многонациональная компания DeepGreen исследовала глубоководную добычу «полиметаллических конкреций», содержащих никель, марганец и кобальт, которые, как уже упоминалось, действуют как катод в наиболее распространенных аккумуляторных батареях электромобилей. 27 Массачусетский технологический институт (MIT) также изучил этот процесс, чтобы помочь заинтересованным сторонам в его разработке. 28 Глубоководные минералы могут помочь в развертывании аккумуляторных батарей, поскольку наша потребность в электрически заряженном всем растет.
Внутренняя политика
Учитывая существующие проблемы в цепочке поставок и глобальную жажду аккумуляторов, политики США искали способы стимулировать внутреннее развитие важнейших цепочек поставок полезных ископаемых.На сегодняшний день крупнейшей инициативой по стимулированию внутренней добычи важнейших полезных ископаемых является грандиозная задача Министерства энергетики по хранению энергии. В целом, задача направлена на внедрение инноваций, производство и развертывание решений для хранения энергии полностью в Соединенных Штатах, чтобы к 2030 году иметь надежный портфель хранилищ. Значительная часть этих усилий сосредоточена на обеспечении безопасности внутренней производственной цепочки поставок критически важных полезных ископаемых, включая технический прогресс, расширение масштабов инноваций и надежные источники материалов. 29 Достижение этой цели потребует детального изучения возможностей США и развития большей части цепочки поставок.
В законодательном плане в 2019 году был принят двухпартийный Американский закон о безопасности полезных ископаемых (S.1317), который в настоящее время является частью Закона об инновациях в энергетике Америки. Законопроект предписывает федеральному правительству разработать инструменты для более точной оценки месторождений полезных ископаемых в Соединенных Штатах. Он также разрешает исследования и разработки по переработке и переработке важнейших полезных ископаемых. 30 Успешная программа добычи полезных ископаемых в США зависит от точной информации; этот закон может обеспечить необходимую основу для будущих усилий по добыче полезных ископаемых.
Закон сенатора Теда Круза об ORE (S.3694), более узконаправленный, направлен на снижение зависимости от Китая за счет увеличения производства редкоземельных минералов в США. Законопроект включает налоговые вычеты на стоимость строительства рудников по добыче редкоземельных металлов и стимулы со стороны спроса к использованию минералов, добываемых внутри страны. 31 С 2019 года Закон сенатора Марко Рубио о производстве RE-Coop 21st Century (S.2093) уполномочил бы координирующий орган контролировать развитие интегрированной цепочки поставок редкоземельных элементов. Более 80% редкоземельных элементов импортируется из Китая — даже полезные ископаемые, добываемые в Калифорнийском горном перевале, отправляются в Китай для обработки — поэтому возвращение цепочки поставок домой может снизить зависимость от Китая. 32 , 33
В Палате представителей США представители Майкл Вальц (R-FL) и Пол Госар (R-AZ) недавно представили Закон о разведке критических полезных ископаемых и инновациях США от 2020 года (H.R.7061), который устанавливает основу для повышения безопасности критически важных полезных ископаемых. В сквозном законопроекте это достигается за счет расширенной оценки ресурсов, исследований и разработок в области передовых технологий по добыче полезных ископаемых, а также инициатив по развитию трудовых ресурсов. Анализ критически важных минеральных ресурсов от земли до промышленности помогает заложить основу для перестройки критически важной политики США в области минерального сырья, которая поощряет внутреннюю цепочку поставок.
Другой вариант снижения зависимости от Китая — переработка вторсырья.Сегодня менее 5% литий-ионных батарей перерабатывается, в первую очередь потому, что этот процесс непривлекателен: он энергоемкий, производит токсичные побочные продукты и изо всех сил пытается восстановить значительное количество литиевого материала. Только одна американская компания Retriev Technologies Inc. 34 , 35 перерабатывает литий-металлические и литий-ионные аккумуляторы на своих предприятиях в Британской Колумбии и Ланкастере, штат Огайо., Закон о переработке аккумуляторов и критических минералов 2020 г. (S. 3356) и Премия Министерства энергетики по вторичной переработке литий-ионных аккумуляторов от 2019 года направлена на совершенствование НИОКР по вторичной переработке и стимулирование создания бытовых центров по вторичной переработке.