Trucks

Які сучасні тенденції в акумуляторних технологіях?

Стаффан Лундгрен
2024-12-11
Технології та інновації Електромобільність Альтернативні види палива
Author
Стаффан Лундгрен
Директор із технологічної стратегії та аналізу

В останні роки удосконалення акумуляторних технологій сприяло стрімкому розвитку електротранспорту. Але які наступні великі тенденції та інновації в галузі, і що вони означатимуть для великотоннажних вантажівок?
 

Акумулятори є основою електромобільності, і кожне вдосконалення в плані ефективності, ціни або надійності прискорює перехід до електричного транспорту. За відносно короткий проміжок часу вже досягнуто значного прогресу.
 

Як розвивалася технологія акумуляторів

Перші комерційні літій-іонні батареї були випущені в 1991 році, але їх ціна та ємність обмежували їх використання в побутовій електроніці. Але це швидко змінилося з падінням цін на них, що невдовзі зробило їх доцільним рішенням для легкових автомобілів, а потім і для великотоннажних вантажівок. З 2010 року вартість знизилася з 1400 доларів США за кіловат-годину до 140 доларів США за кіловат-годину у 2023 році – зниження на 90%.

 

Головним проривом став винахід акумуляторів LCO (літій-кобальт-оксид) у 1980 році та революційний принцип використання літію як матеріалу катода. Це одразу подвоїло щільність енергії існуючих батарей. З тих пір різні хімічні склади батарей продовжували розвиватися, що призвело до покращення енергоємності, терміну служби, безпеки та продуктивності.

 

У 2001 році ми спостерігали еволюцію нікель-марганцево-кобальтових (NMC) акумуляторів, які швидко стали популярними в автомобільній промисловості завдяки своїй здатності пропонувати набагато вищу густину енергії та гарну термічну стабільність. Однак тепер на перші місця в галузі виходять літій-залізо-фосфатні (LFP) батареї. Їх густина енергії менша, ніж у батарей NMC, але вони пропонують підвищену безпеку, довший термін служби, нижчу вартість і менший вплив на довкілля. 

Які нові технології акумуляторів ми побачимо найближчими роками?

Розробляється багато нових технологій: що стосується збільшення густини енергії, великі надії покладаються на твердотільні батареї. Передбачається заміна рідкого електроліту твердими матеріалами, як-от кераміка або тверді полімери, що дозволяє зберігати більше енергії в меншому й легшому акумуляторі. Для електричних вантажівок це призведе до збільшення запасу ходу. Однак при використанні твердих електролітів питомий опір акумулятора збільшується порівняно з рідким електролітом. Отже, наразі існують проблеми, пов’язані зі швидкістю зарядки та зниженням продуктивності з часом. Однак ця технологія пропонує великий потенціал для зменшення обмежень літій-іонних батарей, і вона продовжує розвиватися. Toyota, наприклад, планує розпочати комерційне виробництво електромобілів з твердотільними акумуляторами до 2027 року.

 

Інша тенденція, яка задає напрямок розвитку акумуляторів — це потреба в більш дешевих і сталих рішеннях. І тут багатообіцяючим вибором є натрієво-іонні акумулятори. Сьогодні вони мають приблизно вдвічі меншу густину енергії, ніж у літій-іонних батарей, та коштують приблизно вдвічі менше, тому ця технологія може бути гарним варіантом для застосувань із меншими потребами в енергії. Оскільки вони містять натрій, який є одним із найдешевших і найдоступніших матеріалів на планеті, їхній вплив на довкілля набагато менший, ніж вплив також і літій-іонних батарей. 

Акумулятори є основою електромобільності, і кожне вдосконалення в плані ефективності, ціни або надійності прискорює перехід до електричного транспорту.

Які технології акумуляторів будуть використовуватися для електричних великотоннажних вантажівок?

Головне завдання — знизити вартість електричних вантажівок, і розробка дешевших акумуляторів дуже допоможе. Але вимоги власників вантажівок також відрізняються залежно від застосування. Що стосується далекобійних вантажівок, ми прагнемо досягти такої самої гнучкості в експлуатації, як і у дизельних вантажівок. Незабаром будуть доступні електричні вантажівки з запасом ходу до 600 км. Але якщо вам потрібно їхати на більші відстані, вам часто потрібно зупинятися і заряджатися протягом дня: і це може зайняти до кількох годин.

 

Я думаю, що ми побачимо деяку диверсифікацію в галузі, з використанням різних технологій акумуляторів залежно від транспортного завдання. Можливо, ми побачимо, що натрій-іонні батареї будуть використовуватися все частіше в коротких завданнях, де потреба в енергії відносно низька, наприклад, у міських перевезеннях. А потім ми побачимо, як твердотільні батареї використовуються в електричних далекобійних вантажівках — припускаючи, що в майбутньому ми побачимо ще й прорив у технології. 

 

У будь-якому випадку тривають інтенсивні дослідження та розробки цих технологій. У всьому світі є багато гравців, зокрема технологічні компанії, промислові виробники та державні установи, які інвестують значні кошти в розробку та вдосконалення акумуляторних технологій. Не факт, що ми станемо свідками відкриття, яке призведе до квантового стрибка, наприклад першу літій-кобальт-оксидну батарею, але ми продовжуватимемо спостерігати еволюцію й удосконалення технології з часом.

 

 

Related Insights

Протягом останніх десятиліть були розроблені та вдосконалені різні хімічні склади акумуляторів, кожен із яких має свої унікальні сильні та слабкі сторони. Оптимальний акумулятор для будь-якого автомобіля залежить від його потреб і умов експлуатації. У даний час використовуються шість основних хімічних складів:

 

Оксид літію-кобальту (LCO)

Проривне відкриття, зроблене англійським хіміком Джоном Б. Гуденафом, яке заклало основу для подальшого розвитку літій-іонних батарей. Однак їх відносно короткий термін служби та низька термічна стабільність обмежують їх використання лише сферою персональної електроніки. Високий вміст кобальту також обумовлює збільшення вартості та впливу на довкілля.

Енергоємність: 150-200 Вт·год/кг

Цикл життя: 500-1000 циклів

Термічна нестабільність (температура, за якої елементи акумулятора досягають неконтрольованого стану самонагрівання, через що починають становити загрозу безпеці): 150°C

 

Літій-залізофосфат (LFP)

Розроблені в 1996 році батареї LFP пропонують покращену безпеку та термічну стабільність порівняно з батареями LCO, а також довший термін служби. Вони також дешевші у виробництві та кращі для навколишнього середовища, оскільки не містять кобальту. Хоча їх енергомісткість відносно низька порівняно з іншими хімічними складами, вони все частіше використовуються в електромобілях.

Енергоємність: 90-120 Вт·год/кг

Цикл життя: +2000

Термічна нестабільність: 270°C

 

Оксид марганцю літію (LMO)

Випущені на ринок у 1996 році, батареї LMO пропонують гарну термічну стабільність і безпеку, є дешевшими у виробництві та мають нижчий вплив на довкілля порівняно з хімічними складами на основі кобальту. Вони пропонують високу швидкість розряду, але відносно низьку щільність енергії та короткий життєвий цикл. Це робить їх придатними для електромобілів, гібридних автомобілів і електровелосипедів.

Енергоємність: 100-150 Вт·год/кг

Цикл життя: 300-700

Термічна нестабільність: 250°C

 

Літій-нікель-кобальт-марганець оксид (NMC)

Розроблені в 2001 році, батареї NMC пропонують гарний баланс між густиною енергії та безпекою, що робить їх найпоширенішими акумуляторами, які сьогодні використовуються в галузі електромобілів. Їх висока густина енергії забезпечує більший запас ходу й робить їх найбільш придатним варіантом для великотоннажних вантажівок. Однак через високу вартість виробництва та вплив на навколишнє середовище виробники автомобілів все частіше використовують замість них дешевші батареї LFP, незважаючи на їх нижчу густину енергії.

Енергоємність: 150-220 Вт·год/кг

Цикл життя: 1000-2000

Термічна нестабільність: 210°C

 

Літій-нікель-кобальт-алюміній оксид (NCA)

Батареї NCA пропонують високу густину енергії, велику кількість циклів зарядки/розрядки та відмінні можливості швидкої зарядки. Однак вони мають вищий ризик термічної нестабільності, особливо за високих температур або через надмірне заряджання. Вони використовуються в деяких високопродуктивних електромобілях, але їхнє використання обмежене з міркувань безпеки.

Енергоємність: 200-260 Вт·год/кг

Цикл життя: 500

Термічна нестабільність: 150°C

 

Титанат літію (LTO)

Акумулятори LTO є одними з найбезпечніших літій-іонних акумуляторів на ринку з чудовою термічною стабільністю. Вони пропонують можливості швидкої зарядки та великий циклічний ресурс. Це робить їх вигідними для електромобілів, які вимагають короткої та частої підзарядки, наприклад транспортних засобів громадського транспорту. Однак їхня енергоємність низька, і вони дорогі у виробництві.

Енергоємність: 50-80 Вт·год/кг

Цикл життя: 3000-7000

Термічна нестабільність: 280°C
 

Джерела: Battery University, Elements, Dragonfly, Flash Battery  

Пов’язані статті