В этом месяце стало известно что американские компании Waymo и Cruise привлекли 8 миллиардов долларов и завершили более 11 миллионов километров испытаний беспилотных транспортных средств в Калифорнии. Несомненно, общество ожидало более быстрого развития событий. Однако, в эти недели промышленность, наконец, на пороге реального массового развертывания на рынке: Waymo открыла свой сервис вызова роботакси для широкой публики в Фениксе, а компания Cruise недавно подписала контракт на поставку 4000 роботакси в Дубае к 2030 году.
На чём же вообще основаны все эти производства? Обратимся к теме физики электрической батареи. Интересно, что батареи завоевали современный мир, не сильно изменившись. Смартфон, для сравнения, имеет гораздо меньше общего с предшествующими компьютерами на перфокартах. Даже современные Tesla Model 3 и Ford Model T сильно отличаются технологически. Но литий-ионная технология, используемая в современных батареях, выдержала десятилетия экспоненциального роста - переход от гаджетов к электромобиля - без серьезных изменений в его структуре с тех пор, как Sony впервые освоила данную технологию для рынка в 1991 году.
Такая стабильность возникла не потому, что химики не пробовали совершить прорыв. Просто разработка новых материалов, отвечающих промышленным стандартам, - очень сложная проблема. Все батареи состоят из четырех компонентов: двух электродов (анода и катода), жидкого электролита, который помогает ионам перемещаться между электродами, и сепаратора, предотвращающего прямой контакт электродов друг с другом и предотвращает возгорание. Когда батарея заряжена, ионы текут от катода к аноду. Когда он разряжается, ионы меняют направление.
Энергия хранится в химических связях между литием и другими компонентами. Когда аккумулятор используется, он преобразуется в электрическую энергию. Заряженные атомы лития перемещаются от анода к катоду, заставляя электроны перемещаться извне. Вот что приводит в действие устройство
По мере того, как мир движется к быстрому сокращению выбросов парниковых газов, продолжается гонка за подключение к еще более мощным батареям большего количества вещей: электросетей, грузовиков, кораблей и даже самолетов. Внутренний рынок этой важной технологии наконец готов увидеть революционные изменения, и ряд малоизвестных стартапов обещает прорывы. QuantumScape Corp. утверждает, что создали новый материал для аккумуляторов, который позволит электромобилям путешествовать дальше и заряжаться намного быстрее, и в результате стартап имеет оценку, которая в последние недели колеблется от 13 до 20 миллиардов долларов, даже без каких-либо доходов от продаж. Его конкуренты, в том числе такие гиганты, как Samsung и Panasonic, также гонятся за батареями следующего поколения.
Прежде чем мы перейдем к аккумуляторному будущему, важно понять физическую эволюцию сегодняшней литий-ионной технологии. Миллиарды людей используют телефоны с более быстрой подзарядкой и автомобили с большей дальностью действия, но немногие из нас могут объяснить, что стоит за этими улучшениями. Это история хитростей: небольшая эффективность производства, небольшие улучшения в материалах и небольшой прирост производительности.
Батарея оценивается по тому, сколько энергии она заряжает. Этот ключевой фактор тесно связан со скоростью зарядки аккумулятора, количеством циклов заряда-разряда, которое он может выдержать, и безопасностью. Повышенная плотность энергии также может сделать его более уязвимым к возгоранию. Более высокая скорость перезарядки может сократить жизненные циклы.
В конце концов, цена важнее всего. Это определяется тем, сколько энергии может хранить батарея, материалами, из которых она изготовлена, и толщиной электродного покрытия, которое можно нанести без ущерба для производительности. Чем ниже стоимость, тем дешевле электромобиль.
За последнее десятилетие небольшие разработки в совокупности привели к снижению стоимости литий-ионных батарей более чем на 90%. Группа BloombergNEF, занимающаяся исследованиями в области экологически чистой энергии, ожидает, что с учетом будущих разработок в ближайшее десятилетие затраты снизятся вдвое. Электромобили уже сейчас конкурентоспособны во многих странах, если учесть расходы на топливо в течение срока службы автомобиля, но по мере дальнейшего снижения стоимости аккумуляторов даже ориентировочная цена электромобилей будет дешевле, чем цена альтернативы с бензиновым двигателем.
Возвращаясь к началу, литий-ионный аккумулятор был получен в исследовательской лаборатории Exxon еще в 1970-х годах. Металлический литий, из которого сделан анод батареи, продолжал вызывать пожары, что привело к тому, что Exxon отказалась от этой идеи. Академический интерес продолжался, и ученые из разных частей мира разрабатывали более безопасные материалы.
Британский ученый Джон Гуденаф обнаружил, что катоды, полностью сделанные из кобальта, более безопасны и хранят больше энергии. Это открытие принесло ему Нобелевскую премию по химии в 2019 году. Затем марокканский ученый Рашид Язами обнаружил, что использование графита, формы углерода, в качестве анода сделало литий-ионную батарею намного более стабильной и, таким образом, помогло ей прослужить дольше. Наконец, Кейдзабуро Тозава, глава аккумуляторного подразделения Sony в 1990-х годах, объединил все эти изобретения, чтобы создать первую коммерческую литий-ионную батарею.
Растущий спрос на несколько ключевых металлов привел к повышению цен за последние несколько лет на:
Кобальт
Марганец
Никель
Литий
Несмотря на то, что кобальт - дорогой металл, он оставался доступным для использования в небольших батареях ранних ноутбуков и мобильных телефонов. Но как только литий-ионные батареи начали использоваться в электромобилях, химики стали искать более дешевые металлы, такие как никель, марганец и даже железо.
Альтернативные металлы требуют тщательной оценки. Если дешевый металл означает непропорционально худшую производительность батареи, это не подойдет. Благодаря миллионам экспериментов на рынке стали доминировать три типа катодов: оксиды никель-марганца-кобальта (NMC), оксиды никель-кобальта-алюминия (NCA) и фосфат лития-железа (LFP).
Одной из первых появившихся альтернатив кобальту было использование никеля и марганца, которые превышали способность кобальта накапливать ионы лития. Но полностью потерять кобальт было невозможно. Химики узнали, что кобальт играет роль учителя в школе, дисциплинируя непослушные ионы лития во время их движения и гарантируя, что батарея выдержит большее количество циклов заряда-разряда. За несколько лет исследований химикам удалось увеличить толщину материала анода и катода, которые являются энергоносителями в батарее, по сравнению с другими частями. Методом проб и ошибок они также нашли смесь, в которой можно было бы использовать меньше кобальта и больше никеля. Все это помогает накапливать больше ионов лития на единицу объема и массы, что помогает увеличить удельную энергию батареи. Это, в свою очередь, увеличивает запас хода автомобиля и снижает его ориентировочную цену.
Вместо марганца Tesla и ее партнер по производству аккумуляторов Panasonic обнаружили, что алюминий также может выполнять эту работу. В то время это считалось более рискованным делом, чем химия NMC, но ставка окупилась для Tesla. NCA также был дешевле, чем NMC, потому что это еще больше снизило использование кобальта. Химия стала основой автомобилей Tesla, которые часто могут похвастаться превосходными характеристиками по сравнению с другими электромобилями. Химики Tesla, работающие с батареями, также обнаружили, что добавление небольшого количества оксида кремния, например, перца в макароны, помогает уменьшить количество графита, необходимое для хранения того же количества ионов лития. Это помогло уменьшить вес батареи без ущерба для производительности и снизить ее стоимость. Модель 3 была выпущена с этим новым химическим составом и помогла Tesla создать самый доступный автомобиль на сегодняшний день. Нет необходимости в кобальте с LFP
Конечная цель катодных материалов нынешнего поколения - полностью отказаться от использования кобальта. Первой попыткой этого было развитие химии LFP, которая сделала использование железа доступным по очень низким ценам. Батарея хорошо себя показала по большинству показателей, но она не могла хранить столько ионов лития, сколько могли бы хранить богатые кобальтом катоды.
Поскольку металлический литий выглядит как многообещающий анодный материал, химики-химики снова ищут новые катодные материалы. Ожидается, что эти новые материалы, не содержащие кобальта, еще больше повысят плотность энергии, что может сделать батареи достаточно легкими для питания электрических самолетов. Литий-ионные аккумуляторы прошли долгий путь от лабораторий Exxon до переворота автомобильной промышленности. И, тем не менее, для мира это только начало использования потенциала этой экологически чистой технологии.