Компания CATL сейчас контролирует 37 % мирового рынка тяговых батарей для электротранспорта, но она не собирается им ограничиваться. Как пояснил основатель компании Робин Цзэн (Robin Zeng) в интервью Reuters, ёмкость рынка систем стационарного хранения энергии окажется в десять раз больше, и со временем CATL сможет питать от них крупные центры обработки данных и даже целые города.

Источник изображений: CATL

Ещё одна из стратегических инициатив, обсуждаемая основателем CATL, относится к созданию типовых шасси для электромобилей с интегрированными в силовую структуру кузова тяговыми батареями увеличенной ёмкости. Клиенты из числа автопроизводителей просто будут создавать на базе такой универсальной платформы свои кузова и интерьеры. Такая унификация позволит снизить стоимость разработки новой модели электромобиля с миллиардов до миллионов долларов США. Это поможет выйти на рынок электромобилей новым игрокам.

В прошлом году CATL продала тяговых батарей для электромобилей на общую сумму $40 млрд против $33 млрд годом ранее. Если рынок стационарных систем хранения электроэнергии окажется в десять раз более ёмким, то CATL пропорционально увеличит свою выручку за счёт его освоения. В прошлом году продажи батарей CATL для стационарных систем выросли на 33 %, превзойдя по темпам роста бизнес по выпуску аккумуляторов для электромобилей.

CATL хотела бы попробовать свои силы на рынке генерации электроэнергии. Одновременно компания собирается создавать системы хранения электроэнергии, способны питать крупное горнодобывающее предприятие или целый город. При этом CATL намеревается сотрудничать с производителями генерирующего оборудования для ветряных и солнечных электростанций. Спрос со стороны операторов центров обработки данных на «зелёную» энергетику сейчас очень высок, как пояснил основатель CATL. У них есть деньги для достижения цели, но нет подходящих технологий.

Специалистами CATL сейчас разрабатывается унифицированное шасси для электромобиля, способного на одном заряде преодолевать до 800 км. Интегрированная в силовой каркас батарея не только повышает свою ёмкость за счёт более эффективного размещения аккумуляторных ячеек в корпусе, но и обеспечивает более высокую механическую прочность кузова. С помощью такой платформы затраты на разработку новой модели электромобиля можно будет уложить в $10 млн. Производителю для обеспечения прибыльности бизнеса при этом будет достаточно продавать всего 10 000 машин в год. Такой подход позволит появиться национальным автопроизводителям в тех странах, которые ранее не располагали собственным автопромом, по мнению основателя CATL.

Компания уже продемонстрировала эту платформу компании Porsche, а также инвесторам из ОАЭ, которые заинтересованы в создании собственной марки электромобилей. CATL не собирается выпускать машины самостоятельно, но предоставит клиентам многие из необходимых компонентов. Даже кузов электромобиля можно при необходимости напечатать на трёхмерном принтере.

Вопросы экспансии производства батарей за пределами Китая в ходе интервью с главой CATL тоже обсуждались. В Испании компания надеется построить совместное предприятие по выпуску тяговых аккумуляторов с концерном Stellantis, решение по сделке будет принято самое позднее в январе следующего года. В Германии у CATL уже шесть лет работает аналогичное предприятие, которое выйдет на окупаемость в следующем году. В Венгрии должно быть построено новое европейское предприятие CATL, которое станет безубыточным в 2026 году. Оно окажется крупнее немецкого, а потому позволит сильнее снизить себестоимость локализованной продукции.

Как отметил Робин Цзэн, китайский автопром в сфере производства электромобилей обогнал по развитию европейский, и вместо повышения тарифов местные компании могли бы просто учиться у китайцев и перенимать опыт. Примером успешного решения проблемы с тарифами глава CATL как раз назвал сотрудничество с этой компанией транснационального концерна Stellantis. Являясь акционером китайской Leapmotor, он сможет наладить сборку в Европе более доступных электромобилей для местного рынка.

Контролируя добычу соединений лития, необходимых при производстве тяговых батарей, CATL старается сохранять баланс интересов производителей аккумуляторов и добывающих компаний, не опуская цены на сырьё слишком низко. Компания даже приостановила строительство на юге Китая крупного комплекса по добыче лития в сентябре этого года, не желая столкнуться с дальнейшим падением цен на сырьё после его ввода в строй.

Глава CATL попутно призвал не связывать слишком большие надежды с твердотельными аккумуляторами. Из примерно 20 000 специалистов по разработкам и исследованиям в штате CATL проблемами твердотельных батарей занимаются только 1000 человек. Ограниченное распространение профильная технология начнёт не ранее 2027 года. По мнению руководителя компании, натрийионные аккумуляторы имеют более радужные рыночные перспективы. С их помощью CATL надеется заменить до половины предложения LFP-аккумуляторов, лидером по производству которых сейчас является. Натрий является более распространённым и недорогим элементом, а в составе аккумуляторов он ещё и более безопасен с точки зрения угрозы воспламенения. Уже сейчас CATL комбинирует в своих передовых тяговых батареях ячейки литийионного и натрийионного типа.

Самый прочный в мире аккумулятор, разработанный учёными Технического университета Чалмерса (CTH) в Швеции, может увеличить запас хода электромобилей на 70 % и открыть путь к созданию мобильных устройств тоньше банковской карты. Уникальность технологии заключается в использовании углеродного волокна в качестве электродов, что позволяет исключить металлы, такие как мeдь и алюминий, увеличивающие массу. Это может стать решающим фактором в преодолении ключевого барьера на пути к масштабной электрификации транспорта — ограниченного запаса хода.

Источник изображения: Henrik Sandsjö / Chalmers University of Technology

Несмотря на растущую популярность электромобилей, переход на полностью электрифицированный транспорт, свободный от ископаемого топлива, остаётся задачей с множеством неизвестных. Особенно остро эта проблема стоит в сфере дальних перевозок, осуществляемых морским и воздушным транспортом, требующим энергоёмкого, но лёгкого топлива, способного обеспечить нужный запас энергии. Традиционные аккумуляторы, хотя и экологичнее, но значительно уступают ископаемому топливу по энергоёмкости и весу.

Структурные аккумуляторы предлагают элегантное решение этой многогранной проблемы благодаря способности выполнять несущую функцию в конструкции устройства, превращаясь из «мёртвого груза» в функциональный элемент. Для транспортных средств это означает не только снижение общего веса, но и уменьшение энергопотребления, что напрямую влияет на увеличение запаса хода.

Исследовательская группа под руководством Лейфа Аспа (Leif Asp), профессора материаловедения и вычислительной механики в CTH, подтвердила, что углеродные волокна могут накапливать электрическую энергию и использоваться в качестве электродов в литийионных батареях. К 2021 году группа учёных повысила прочность и электрическую ёмкость батареи до плотности энергии 24 Вт·ч/кг, которая в новых отчётах была увеличена до 30 Вт·ч/кг.

Хотя эти значения всё ещё уступают стандартным литийионным аккумуляторам, важно отметить, что структурные аккумуляторы не обязательно должны достигать таких же высоких показателей ёмкости, чтобы быть эффективными. Их главное преимущество заключается в многофункциональности и способности интегрироваться в конструкцию устройства, что позволяет достичь значительного снижения общего веса и повышения энергоэффективности. «Наши расчёты показывают, что электромобили могли бы проезжать до 70 % больше, чем сегодня, если бы они были оснащены конкурентоспособными структурными аккумуляторами», — говорится в заявлении Аспа.

Структурный аккумулятор, разработанный в CTH, изготовлен из композитного материала и использует углеродные волокна для положительного и отрицательного электродов. В предыдущих версиях батареи сердцевина положительного электрода была сделана из алюминиевой фольги. В новой версии исследователи применили инновационный подход и покрыли углеродные волокна литий-железо-фосфатом (LFP), что позволило значительно повысить эффективность и прочность батареи. Углеродное волокно в данной конструкции служит не только электродом, но и армирующим элементом, коллектором тока и основой для накопления лития на катоде, одновременно выступая в роли электрического коллектора и активного материала в аноде. Это позволяет создавать аккумулятор без использования традиционных материалов, таких как мeдь или алюминий.

Исследователям также удалось повысить жёсткость аккумулятора, что позволяет ему выдерживать нагрузки, сопоставимые с алюминием, но при значительно меньшем весе. «Можно представить, что мобильные телефоны толщиной с кредитную карту или ноутбуки, весящие вдвое меньше нынешних, появятся совсем скоро. Потребуются крупные инвестиции, чтобы удовлетворить сложные энергетические потребности транспортной отрасли, но именно в этой сфере данная технология может произвести наиболее значительный эффект», — заявил Асп.

Инновационный аспект разработки состоит ещё и в том, что ионы лития в аккумуляторе перемещаются через полутвёрдый электролит, что существенно снижает риск возгорания — это критически важное преимущество с точки зрения безопасности, особенно в транспортных средствах. Однако на данный момент аккумулятор не может обеспечивать высокую мощность, и это направление стало одним из приоритетных для команды учёных.

Пока перспективы появления твердотельных аккумуляторов слишком далеки, китайские производители пытаются усовершенствовать самые распространённые на рынке литийионные тяговые аккумуляторы на основе фосфата железа (LFP). Компания Geely собственными силами разработала семейство тяговых батарей Aegis в коротком исполнении, которые помимо прочих преимуществ, обеспечат ресурс до 1 млн км пробега.

Источник изображения: Geely, CnEVPost

В свою очередь, как отмечают представители китайского автопроизводителя, это позволит повысить степень доверия потребителей к ресурсу электромобилей и будет способствовать развитию их вторичного рынка. Батареи этого семейства обладают плотностью хранения заряда 192 кВт·ч и расчётную долговечность в районе 3500 циклов. По данным Geely, при среднестатистическом годовом пробеге одного электромобиля, находящегося в частном владении, на уровне 20 000 км, такой батареи хватит на 50 лет эксплуатации. Потеря способности аккумуляторов сохранять заряд при этом будет минимальной.

Geely хоть и сотрудничает с той же CATL, батареи семейства Aegis разрабатывала своими силами. Укороченный корпус позволяет им снизить внутреннее сопротивление и повысить эффективность работы аккумуляторов. Тонкие нанотрубки из углеволокна в составе этих батарей используются для передачи ионов, а специальные покрытия для плёночных изоляторов улучшают проницаемость для ионов лития, позволяя им быстрее перемещаться между электродами в процессе работы батареи. Тем самым повышается скорость зарядки тяговых батарей. В частности, аккумуляторы этой серии способны восстановить заряд с 10 до 80 % за 17 минут против 26 минут у аналогичной батареи с длинным корпусом и традиционным химическим составом.

Кроме того, новые батареи медленнее теряют остаточный заряд на морозе. Например, при температуре минус 30 градусов Цельсия остаточный заряд традиционных аккумуляторов в ходе испытаний упал до 79 процентов, тогда как короткая батарея Aegis сохранила около 90 % остаточного заряда.

На повышение безопасности данных батарей специалистами Geely был направлен целый ряд мер. Была внедрена высокопрочная термоустойчивая диафрагма, а также внедрён дополнительный предохранительный электрод для повышения плотности хранения заряда и защиты от нештатных ситуаций. Поверхность электродов имеет специальное покрытие, которое предотвращает возникновение коротких замыканий при механическом повреждении корпуса батареи. Последний в ходе испытаний подвергался прокалыванию металлическими штырями, боковым ударам и трению о твёрдую поверхность с большой интенсивностью. Батарею нагревали пламенем, выдерживали в солёной воде и переезжали строительной техникой массой 26 тонн, не говоря уже о заморозке при отрицательных температурах. По всей видимости, результатами экстремальных тестов разработчики остались довольны.

Первым батареи нового семейства примерит электрический кроссовер Galaxy E5. Компания Geely также располагает совместными предприятиями с CATL, Farasis Energy и LG Energy Solution, поэтому обогащать собственные компетенции в сфере создания тяговых батарей она может и за счёт этих партнёров.

Когда китайская компания CATL взялась за разработку натриево-ионных аккумуляторов, помимо скорости зарядки и устойчивости к холоду она рассматривала и возможное преимущество в себестоимости, но стоимость соединений лития с тех пор значительно снизилась, и во втором поколении натриево-ионные аккумуляторы уже не кажутся перспективными сами по себе.

Источник изображения: CATL

По информации CnEVPost, такие аккумуляторы CATL считает целесообразным сочетать в составе одной тяговой батареи с традиционными литийионными ячейками. Последние обеспечивают и более высокую плотность хранения заряда, и стоят меньше натриево-ионных. Как отмечает источник, в первом поколении CATL добилась плотности хранения заряда в натрий-ионных аккумуляторах до 160 Вт‧ч/кг. Не очень впечатляющий показатель отчасти компенсировался способностью таких батарей восстанавливать заряд до 80 % ёмкости за 15 минут при комнатной температуре, а также сохранять остаточный заряд более 90 % при температурах до минус 20 градусов по шкале Цельсия.

Второе поколение натриево-ионных батарей, которое сейчас разрабатывается CATL, увеличит плотность хранения заряда до 200 Вт‧ч/кг, но в чистом виде они не смогут составить конкуренцию ни более дешёвым LFP-аккумуляторам, ни разрабатываемым компанией параллельно твердотельным. Альтернативы способны предложить плотность хранения заряда до 500 Вт‧ч/кг, по этой причине в CATL считают разумным добавлять натриево-ионные ячейки в составе единой тяговой батареи к литийионным. Подобное гибридное решение будет сочетать высокую скорость зарядки и устойчивость к морозам с большим эксплуатационным ресурсом и разумной стоимостью.

Твердотельные аккумуляторы CATL собирается начать производить небольшими партиями к 2027 году. Компания считает важным продолжать экспансию производственных мощностей, поскольку спрос на тяговые батареи значительно превышает предложение. Чтобы облегчить экспансию производства за пределами Китая, CATL рассматривает схему с лицензированием своих технологий сторонним компаниям. Например, Ford рассчитывает использовать её при выпуске тяговых батарей в США, а компания CATL будет снабжать партнёра необходимыми технологиями, юридически не участвуя в управлении совместным предприятием. Интерес к сотрудничеству с CATL по такой схеме уже проявили более десяти различных потенциальных партнёров.

Американская компания Nanotech Energy пообещала наладить в начале 2024 года производство невоспламеняемых литиевых аккумуляторов формфактора 18650. Выпуском будет заниматься местный производитель — компания Voltaplex, которая уже начала принимать заказы. Батареи Nanotech Energy никогда не подожгут дом, автомобиль или скутер, поскольку им не страшны физические повреждения и перегрев.

Источник изображения: Nanotech Energy

Массовые литийионные аккумуляторы подвержены возгоранию, если в их структуре произошли дефектные изменения или нагрев превысил допустимое значение. Дефекты ведут к короткому замыканию с воспламенением электролита. Самое неприятное, что в процессе штатной работы батарей на электродах нарастают так называемые дендриты — осаждается литий и растёт подобно иглам, пока не протыкается сепаратор и не возникает замыкание. Чего только ни придумано, чтобы ликвидировать или хотя бы уменьшить опасность пожаров, но электромобили, велосипеды и повербанки продолжают гореть и даже уносить с собой жизни людей.

Компания Nanotech Energy стала одной из многих, кто обещает производство пожаробезопасных литиевых батарей. Она разработала технологию с использованием графена и патентованного электролита. В серии роликов компания показывает, что разрушение её литиевых элементов не сопровождается воспламенением.

Утверждается, что аккумуляторы Nanotech Energy производятся в США и рассчитаны на работу при температуре от -40 °C до +60 °C. Элементы не загораются при температуре 180 °C. Формфактор батарей может быть любым для разнообразного коммерческого использования.

Кобальт является не только дорогим и относительно редким элементом, но и идеологически токсичным, поскольку при его добыче в Конго, как принято считать, страдают люди. Японским учёным удалось создать литийионные аккумуляторы без кобальта, которые обладают более высокой плотностью хранения заряда и при этом могут выпускаться на существующих производственных линиях.

Источник изображения: Токийский университет, Nikkei

Последнее обстоятельство подразумевает, что производить аккумуляторы нового типа можно будет на уже существующих предприятиях без их серьёзной модернизации, а это позволит сэкономить деньги. Традиционно литийионные аккумуляторы с содержанием никеля одновременно использовали в своём составе кобальт и марганец. Аккумуляторы на основе фосфата железа обходились без кобальта, что позволяло выпускать их со сниженными на 30 % затратами. Помимо дороговизны, кобальт представляет угрозу для окружающей среды при неправильной утилизации, поэтому поводов для его замены накопилось немало.

Учёные Токийского университета, как поясняет Nikkei Asian Review, разработали литийионные аккумуляторы, которые содержат никель, марганец, кремний и кислород, помимо самого лития, разумеется. Такое сочетание элементов, как показали эксперименты, допускает работу с более высокими напряжениями. Для электромобилей это хорошо тем, что скорость зарядки тяговой батареи можно будет увеличить за счёт использования более мощных зарядных станций.

Предыдущие прототипы таких аккумуляторов при этом страдали от низкого ресурса по циклам зарядки и разрядки. Японским учёным удалось решить проблему за счёт усовершенствования состава электролита. Созданный ими прототип аккумуляторной ячейки в формфакторе «монетки» смог по итогам испытаний с 1000 циклов разрядки сохранить 80 % своей номинальной ёмкости. У аккумуляторов такого типа на 60 % выше оказалась плотность хранения заряда по сравнению с LFP-аккумуляторами, которые на сегодня считаются самой жизнеспособной версией батарей без кобальта. Теоретически, у новых аккумуляторов плотность хранения заряда может оказаться даже выше, чем у содержащих кобальт. Сейчас перед разработчиками стоит задача по изучению сокращения ресурса аккумуляторов нового типа с течением времени. Если технология производства таких аккумуляторов себя зарекомендует, её можно будет заполучить по лицензии.

Специалисты разных стран мира ведут поиск новых химических составов аккумуляторов, которые позволили бы улучшить потребительские качества тяговых батарей электромобилей сразу по нескольким критериям. Китайским учёным удалось усовершенствовать состав литий-серных батарей, увеличив их эксплуатационный ресурс без ущерба для остальных характеристик.

Источник изображения: Reuters

Как поясняет Nikkei Asian Review, в литий-серных аккумуляторах катоды изготавливаются из серы, что позволяет снизить себестоимость производства и увеличить ёмкость аккумулятора в два раза по сравнению с литийионными аналогами. При этом существовавшие до этого прототипы литий-серных батарей страдали от низкого эксплуатационного ресурса, поскольку выдерживали лишь ограниченное количество циклов зарядки и разрядки. Версии с жидким и твёрдым электролитом в равной мере с трудом преодолевали тысячу таких циклов.

По данным первоисточника, представителям Китайской академии наук удалось создать литий-серный аккумулятор, способный после 1400 циклов зарядки и разрядки сохранить до 70 % своей изначальной ёмкости. Данное открытие приближает литий-серные аккумуляторы к коммерческой пригодности. Новшество, предложенное китайскими исследователями, заключается в сочетании угольных нанотрубок с серой, поскольку такая структура способствует лучшему перемещению в ней ионов и электронов, ибо чистая сера плохо проводит электричество. Данное открытие должно приблизить создание практичных высокоэффективных литий-серных батарей с твердым электролитом.

Себестоимость литийионных аккумуляторных батарей, по данным Benchmark Mineral Intelligence, снизилась в августе на 10 % до $98,2 за кВт‧ч, что формально позволяет производителям электромобилей предлагать машины, сопоставимые по цене с аналогами на основе ДВС. Подобное снижение цен на батареи наблюдается впервые за два года.

Источник изображения: BYD

Как известно, в стоимости электромобиля до 40 % может занимать тяговая батарея, поэтому динамика цен на сырьё для изготовления аккумуляторов существенно влияет на доступность электромобилей в целом. По словам аналитиков Benchmark Mineral Intelligence, при стоимости хранения 1 кВт‧ч электроэнергии не более $100 у автопроизводителей появляется возможность не только предлагать машины на электротяге за сопоставимые деньги с автомобилями на ДВС, но и получать при этом сопоставимую прибыль, что важно для развития бизнеса и отрасли в целом. Конечно, такое утверждение справедливо лишь для машин определённых ценовых диапазонов, поскольку для электромобилей начального уровня оно обретёт актуальность гораздо позже.

Десять лет назад средняя стоимость хранения 1 кВт‧ч электроэнергии в тяговых батареях электромобилей достигала $668. К марту 2022 года она достигла $146,4, а к августу текущего года опустилась от этого уровня ещё на треть. По мнению аналитиков TrendForce, постепенно снижение цен на этом рынке будет наблюдаться как минимум до конца текущего года.

В этом году снижению цен на тяговые аккумуляторы во многом способствовала динамика цен на сырьё. С начала года стоимость лития опустилась более чем на 50 %, никель и кобальт тоже значительно упали в цене. С другой стороны, спрос на электромобили растёт не так активно, как рассчитывали производители. В США, например, производители по состоянию на июнь располагали складскими запасами готовых электромобилей на 100 дней, что более чем в три раза превышает прошлогодний показатель.

В августе геологам удалось обнаружить на границе штатов Орегон и Невада крупное месторождение соединений лития — до 40 млн т, по предварительным оценкам, что делает его крупнейшим из разведанных в мире. Только запасов лития в одном этом месторождении хватит, чтобы снабжать промышленность литиевыми аккумуляторами на протяжении нескольких десятилетий. Илон Маск (Elon Musk) не раз отмечал, что литий достаточно распространён на нашей планете, и проблемой электромобильной отрасли является не дефицит запасов сырья как таковых, а нехватка мощностей по его переработке. По мере расширения этого направления деятельности должны становиться доступнее и литиевые батареи в целом, что уже и наблюдается экспертами.

Доктор Джон Гудинаф (John Goodenough), известный как создатель литийионных аккумуляторов, ушёл из жизни в возрасте ста лет, сообщил Техасский университет в Остине (США). Батареи этого типа продолжают широко использоваться в смартфонах, ноутбуках и электромобилях.

Источник изображения: utexas.edu

Учёные исследовали литиевые батареи и раньше, но только доктору Гудинафу удалось добиться крупного прорыва в 1980 году, когда он работал в Оксфордском университете — он изготовил катод со слоями оксида лития и кобальта, что помогло обеспечить высокое напряжение и приемлемый уровень безопасности. Аккумуляторы нового типа оказались более ёмкими в сравнении со своими предшественниками — свинцово-кислотными (продолжают использоваться в автомобилях) и никель-кадмиевыми (применяются в портативной электронике).

Технология не получила достаточного распространения, пока доктор Акира Йошино (Akira Yoshino) не заменил необработанный литий его более безопасными ионами. Он построил проект аккумулятора нового типа для корпорации Asahi Kasei, а массовое производство этих батарей в 1991 году наладила компания Sony. В результате стало возможным создание более компактных телефонов и ноутбуков с более продолжительными временем автономной работы; реальностью стали и электромобили.

Одними только аккумуляторами заслуги доктора Гудинафа не ограничиваются. Во время своей работы в Массачусетском технологическом институте он участвовал в разработке технологии, на основе которой была создана оперативная память компьютеров. Профессор продолжал работу до 90 лет, и последние годы посвятил технологии аккумуляторов нового поколения, которая обещала очередной прорыв в области возобновляемых источников энергии и электротранспорта.

В широких кругах его имя оставалось малоизвестным, но его заслуги были отмечены многочисленными наградами, в том числе Нобелевской премией по химии в 2019 году. Через несколько лет автопроизводители планируют отказаться от технологии литийионных аккумуляторов в пользу более ёмких, мощных и безопасных твердотельных батарей.