Именно батареи определяют, насколько далеко сможет проехать электромобиль, сколько времени потребуется для зарядки смартфона и насколько эффективно можно хранить энергию от солнечных и ветровых электростанций.
Однако существующие аккумуляторы имеют ряд проблем:
ограниченный запас энергии;
длительное время зарядки;
зависимость от редких материалов;
сложность переработки;
риск перегрева.
Поэтому крупнейшие технологические компании, автопроизводители и научные центры инвестируют миллиарды долларов в разработку новых типов батарей.
Главная цель — создать аккумулятор, который будет дешевле, безопаснее, мощнее и экологичнее.
Почему литий-ионные батареи достигли своего предела
Литий-ионные аккумуляторы стали основой современной электроники.
Они используются в:
смартфонах;
ноутбуках;
электромобилях;
системах хранения энергии.
Их успех связан с высокой плотностью энергии и относительно небольшим весом.
Но технология существует уже несколько десятилетий и постепенно приближается к своим физическим ограничениям.
Современные батареи сталкиваются с несколькими проблемами.
Ограниченный запас хода
Для электромобилей главный вопрос остается прежним:
сколько километров можно проехать после одной зарядки?
Производители постоянно увеличивают емкость батарей, но это приводит к росту стоимости и веса автомобиля.
Дефицит сырья
Производство литий-ионных батарей требует:
лития;
никеля;
кобальта;
графита.
Некоторые из этих материалов добываются только в отдельных регионах мира, что создает зависимость от международных поставок.
Скорость зарядки
Даже самые современные электромобили требуют значительно больше времени для зарядки, чем обычная заправка автомобиля топливом.
Поэтому разработка быстрых аккумуляторов стала одной из главных целей отрасли.
Твердотельные батареи: главный кандидат на замену лития
Одним из самых перспективных направлений считаются твердотельные аккумуляторы.
Главное отличие от традиционных батарей заключается в использовании твердого электролита вместо жидкого.
Это может дать несколько преимуществ:
больше энергии в меньшем объеме;
более высокая безопасность;
меньший риск возгорания;
более быстрая зарядка.
Производители автомобилей считают эту технологию одним из ключевых направлений будущего.
Компании инвестируют в разработку таких батарей, потому что они могут значительно изменить рынок электромобилей.
Если технология станет массовой, электромобили смогут:
проезжать больше километров;
быстрее заряжаться;
стать легче.
Однако остаются проблемы:
высокая стоимость производства;
сложность массового выпуска;
необходимость новых производственных линий.
Натрий-ионные батареи: альтернатива дорогому литию
Еще одно перспективное направление — аккумуляторы на основе натрия.
Натрий является более распространенным элементом, чем литий.
Это дает несколько преимуществ:
более низкую стоимость;
меньше зависимость от редких материалов;
возможность использовать другое сырье.
Некоторые производители уже начали внедрять натрий-ионные батареи в отдельные модели автомобилей и системы хранения энергии.
Однако у технологии есть недостаток:
пока такие батареи имеют меньшую плотность энергии по сравнению с лучшими литий-ионными аналогами.
Это означает, что для одинакового запаса энергии потребуется более тяжелая батарея.
Тем не менее эксперты считают, что натрий может стать важным решением для массового транспорта и энергетики.
Кремниевые аноды: как увеличить мощность существующих батарей
Еще один путь развития — улучшение уже существующей литий-ионной технологии.
Ученые работают над заменой графита в анодах на кремний.
Потенциальные преимущества:
больше энергии;
более быстрая зарядка;
повышение эффективности батарей.
Проблема заключается в том, что кремний сильно расширяется во время зарядки и разрядки, что снижает срок службы аккумулятора.
Исследователи пытаются решить эту проблему с помощью новых материалов и конструкций.
Батареи и будущее электромобилей
Развитие аккумуляторов напрямую связано с будущим автомобильной индустрии.
Сегодня стоимость батареи остается одним из главных факторов цены электромобиля.
Если новые технологии позволят снизить стоимость производства, это может ускорить переход от автомобилей с двигателями внутреннего сгорания к электрическим.
Будущие электромобили могут получить:
запас хода более 1000 километров;
зарядку за несколько минут;
меньший вес;
более доступную цену.
Это изменит конкуренцию между автопроизводителями.
Китай лидирует в производстве батарей
Сегодня Китай занимает ключевую позицию на мировом рынке аккумуляторов.
Страна контролирует значительную часть:
производства батарей;
переработки материалов;
цепочек поставок.
Китайские компании активно развивают как литий-ионные, так и новые технологии.
Это создает стратегический вызов для Европы и США, которые стремятся создать собственные производственные мощности.
Европейский союз рассматривает развитие аккумуляторной промышленности как вопрос экономической и технологической безопасности.
Почему батареи важны не только для автомобилей
Хотя чаще всего новые аккумуляторы связывают с электромобилями, их значение намного шире.
Энергетические системы будущего будут зависеть от хранения электроэнергии.
Солнечные и ветровые станции производят энергию нестабильно:
солнце не светит ночью;
ветер меняется;
потребление энергии колеблется.
Поэтому миру нужны большие системы хранения.
Новые батареи могут помочь:
стабилизировать энергосети;
снизить зависимость от газа;
увеличить использование возобновляемой энергии.
Кто победит в гонке аккумуляторов
Сегодня невозможно точно сказать, какая технология станет главным стандартом будущего.
Вероятно, рынок будет разделен:
твердотельные батареи могут занять премиальный сегмент;
натрий-ионные решения могут использоваться в массовом транспорте;
улучшенные литий-ионные батареи останутся важными еще много лет.
Главная борьба идет не только за создание более мощной батареи, но и за создание дешевой технологии, которую можно производить миллионами единиц.
Вывод: энергия будущего начинается с новых батарей
Аккумуляторы становятся одним из главных технологических направлений XXI века.
От них зависит развитие:
электромобилей;
возобновляемой энергетики;
мобильных устройств;
промышленности.
Страна или компания, которая первой создаст массовую, дешевую и эффективную батарею нового поколения, получит огромное преимущество в мировой экономике.
Гонка за батареи будущего только начинается.
MIT Technology Review — Battery Technology Coverage
