673886040@qq.com
Литий является ключом к аккумуляторной технологии текущего и следующего поколения
Аккумуляторные технологии находятся в центре внимания, поскольку спрос на бытовую электронику, накопители энергии и особенно на электромобили (EV) резко возрастает. Химический состав батарей для электромобилей сильно различается, и производители батарей продолжают экспериментировать с различными комбинациями для оптимизации производительности. Тем не менее, существует общая черта коммерчески жизнеспособных конструкций аккумуляторов для электромобилей: литий. Помимо текущих вариантов использования, известность лития в цепочках поставок аккумуляторов, вероятно, останется неизменной для технологий следующего поколения. Мы ожидаем, что рост этих технологий, особенно в области мобильности, продолжит создавать привлекательные возможности для компаний в области литиевых и аккумуляторных технологий. Эта статья является частью серии, в которой мы глубже погружаемся в итерацию нашего флагманского исследования этого года Charting Disruption
Ключевые выводы
Литий является почти повсеместным компонентом современных катодов литий-ионных аккумуляторов.
Твердотельные аккумуляторы, которые могут стать следующей крупной инновацией в технологии аккумуляторов, скорее всего, будут включать литий как в катод, так и в анод.
Существует рынок заменителей литий-иона, хотя мы полагаем, что эти технологии вряд ли существенно подорвут спрос на литий.
Катоды стимулируют спрос на литий в современных батареях
Почти все чистые электромобили и подключаемые гибриды, представленные сегодня на рынке, требуют какой-либо литий-ионной батареи. По сравнению с другими типами перезаряжаемых батарей, а именно никель-металлогидридными и свинцово-кислотными батареями, литий-ионные батареи обладают большей плотностью энергии, меньшим саморазрядом и более длительным сроком службы.1 Литий также идеален с химической точки зрения, поскольку металл легко отдает электроны. при правильных условиях. Это свойство необходимо для реакций интеркаляции, которые управляют зарядами внутри батареи. Соберите все это вместе, и литий-ионные батареи могут хранить значительную энергию в легком корпусе, обладая при этом коммерчески жизнеспособными свойствами перезарядки для электромобилей.
Основными компонентами литий-ионных аккумуляторов являются катод, анод, жидкий электролит и сепаратор. В большинстве современных конструкций катод содержит литий во время простоя батареи. Поскольку катоды определяют запас хода и составляют большую часть общей стоимости элемента, аккумуляторы для электромобилей часто классифицируют на основе содержания катода.2 В настоящее время два основных типа катодов — это катоды на основе никеля и литий-железо-фосфаты (LFP). Катоды на основе никеля поддерживают более высокую плотность энергии, что обеспечивает более высокие скорости и запас хода для электромобилей.
Действительно, увеличение запаса хода, которое помогло повысить популярность электромобилей в последние годы, во многом связано с инновациями в батареях на основе никеля. Тем не менее, устаревшая технология LFP восстанавливает свою долю на рынке благодаря быстрому распространению зарядной инфраструктуры. Удобная зарядка может привести к тому, что меньший диапазон, связанный с LFP, станет выгодным компромиссом для сравнительно более низких затрат и превосходного срока службы.
На сегодняшний день тремя наиболее распространенными химическими элементами аккумуляторов в электромобилях являются LFP, NMC811 и NMC622.3 Вместе эти три химических элемента составляют около 75% катодов, устанавливаемых в электромобилях всех классов по всему миру.4 Важно отметить, что все упомянутые химические составы катодов в этом разделе и в таблице ниже требуется литий.
Технология твердотельных аккумуляторов, вероятно, сохранит спрос на литий
Несколько автопроизводителей и стартапов соревнуются в разработке технологии твердотельных аккумуляторов, которая часто провозглашается следующим поколением аккумуляторов для электромобилей. Твердотельные батареи заменяют жидкие электролиты и полимерные гелевые сепараторы, используемые в современных литий-ионных батареях, на твердый сепаратор. Возможные преимущества полностью реализованных твердотельных конструкций включают возможности быстрой зарядки, увеличенный диапазон, более длительный срок службы и повышенную безопасность.5 Многие схемы твердотельных батарей расширяют использование лития во всех элементах.
Как правило, в твердотельных конструкциях используются традиционные литий-ионные катоды, хотя конструкции таких лидеров в области твердотельных аккумуляторов, как QuantumScape и Solid Power, могут радикально изменить состав анодов батарей. Твердотельные конструкции, которые разрабатывают эти компании, заменят обычный анод тонким листом металлического лития. Сегодня менее 1% литий-ионных аккумуляторов содержат литий в своих анодах6. Вместо этого подавляющее большинство этих анодов изготовлено из природного или синтетического графита. Внедрение литий-металлических анодов может повысить плотность энергии при одновременном уменьшении размера и стоимости всей упаковки. Автопроизводители уже тестируют твердотельные батареи, которые могут появиться на рынке электромобилей уже в 2025 году.
Альтернативы литию играют роль, но вряд ли снизят спрос на литий
Некоторые прямые заменители лития могут сыграть дополнительную роль в электрификации сети и сегмента мобильности. Натрий-ион является одним из примеров сопоставимой аккумуляторной технологии, в которой нет лития. Китайская компания по производству аккумуляторов HiNa Battery управляет единственным предприятием по производству натрий-ионных аккумуляторов коммерческого масштаба, которое открылось в ноябре 2022 года8. Аккумуляторы HiNa имеют плотность энергии 145 Втч/кг, что значительно меньше, чем 200–275 Втч/кг для большинства никелевых аккумуляторов в электромобилях сегодня. 9, 10 Даже после дальнейшей разработки натрий-ион, вероятно, будет предлагать меньшую гравиметрическую плотность энергии, чем современные современные литий-ионные батареи, не говоря уже о будущих катодах или твердотельных элементах.11 Таким образом, мы ожидаем натрий-ионные батареи более практичны для хранения энергии или меньшего электронного оборудования, чем в электромобилях.
Водородные топливные элементы — еще одна технология, которая может сыграть важную роль в усилиях по обезуглероживанию. В этих топливных элементах происходит электрохимическая реакция, при которой водород смешивается с кислородом для производства электроэнергии, при этом побочными продуктами являются только тепло и водяной пар. Водород уже приводит в действие некоторые легкие электромобили на топливных элементах (FCEV); тем не менее, мы ожидаем, что большая часть возможностей для топливных элементов будет связана с транспортом большой грузоподъемности и стационарными источниками энергии. По мере увеличения масштаба приложения возрастало и сравнительное преимущество использования легкого топлива, такого как водород. Мы полагаем, что аккумуляторы по-прежнему будут основной технологией для электрификации автомобилей малой грузоподъемности благодаря эффективности, развитию отрасли и существующей или планируемой инфраструктуре. Для справки, по оценкам Международного энергетического агентства, к 2030 году будет развернуто 6 миллионов FCEV, по сравнению с глобальным парком электромобилей, составляющим около 350 миллионов на тот момент12, 13.
Заключение: ожидается, что литий останется стандартом в аккумуляторных технологиях
Будь то из-за существующих LFP и катодов на основе никеля или из-за твердотельной технологии следующего поколения, мы вряд ли увидим замену литию в ближайшее время. Хотя такие альтернативы, как натрий-ион или водород, могут помочь усилиям по обезуглероживанию, мы не ожидаем, что эти технологии значимым образом заменят литий-ион, особенно в области электромобилей.
