673886040@qq.com
Аккумуляторная технология: наступление новой эры
Континуум развития аккумуляторных технологий менялся от периодов застоя до значительных прорывов почти непредсказуемым образом. Зарождение идеи электромобиля с заряженной батареей действительно так же старо, как и сам автомобиль. Тенденция последовательно направлена от тяжелых и кислотных батарей к компактным, легким и гораздо более эффективным никель-металлическим (NiMH) аккумуляторам. Одним из упомянутых выше значительных прорывов стало внедрение литий-ионной технологии. Конечно, многие дополнительные технологические достижения кажутся неизбежными в ближайшие годы благодаря внедрению пост-литий-ионных технологий. Литий-ионные батареи названы в честь движения ионов лития внутри них, и сегодня они питают большинство перезаряжаемых устройств. Элемент литий (Li) обладает некоторыми интересными свойствами, которые позволяют батареям быть одновременно портативными и мощными; Нобелевская премия по химии 2019 года была присуждена ученым, работавшим над этой идеей в 1970-х годах. Но, несмотря на их широкое распространение, литий-ионные батареи остаются чрезвычайно сложными и до сих пор интригуют ученых, чтобы раскрыть их секреты и открыть путь к оптимальной эффективности.
Эти новые батареи также вытеснили никель-кадмиевые (никель-кадмиевые) батареи, доминирующие на рынке портативных электронных устройств смартфонов и ноутбуков. Литий-ионные аккумуляторы также широко используются в аэрокосмической отрасли, например, в новом Boeing 787, где важными факторами являются вес и экологичность.
Литий-ионные аккумуляторы кажутся наиболее эффективными из доступных технологий, что указывает на большое пространство для дальнейших улучшений. Они способны иметь очень высокое напряжение и накопление заряда на единицу массы и единицы объема. Они также несопоставимы со старыми батареями по качеству, мощности, периоду полураспада и стоимости. Литий-ионный (Li-ion) аккумулятор использует ионы лития в качестве ключевого компонента своей электрохимии. В частности, по мере прохождения разрядного цикла атомы лития в аноде ионизируются и отделяются от своих электронов. Затем эти заряженные ионы лития перемещаются от анода и проходят через электролит, пока не достигнут катода, где рекомбинируют со своими электронами и практически нейтрализуют. В принципе, срок службы аккумуляторов не должен истекать, но их можно перезаряжать только ограниченное количество раз, прежде чем они потеряют способность удерживать заряд. Обычные типы батарей перестанут работать, когда их контакты, электроды, изменятся из-за прохождения ионов с одного контакта батареи на другой. В перезаряжаемой батарее электроды восстанавливаются, когда внешнее зарядное устройство отправляет эти ионы туда, откуда они пришли.
За последние два десятилетия литий-ионные аккумуляторы заняли лидирующие позиции на автомобильном рынке. Это то же самое технологическое достижение, которое позволило автопроизводителям пересмотреть свое отношение к ископаемому топливу и двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Мы наблюдаем глобальный переход к электромобилям (EV), который постоянно расширяет границы литий-ионных аккумуляторов для большей мощности, долговечности и экономичности.
Например, для электромобилей уже возможен пробег в 500 км, а время зарядки постоянно сокращается благодаря технологии быстрой зарядки. Запуск так называемых постлитий-ионных систем считается в пределах досягаемости. Новые технологии, особенно те, которые направлены на улучшение материалов, а также постоянно увеличивающиеся объемы производства, ведущие к дальнейшему снижению цен, определят этапы эволюционного развития в ближайшие несколько лет. Но красота аккумуляторной системы заключается не только в самой ячейке и связанных с ней материалах, но и во всей системе, в которую она входит. Это включает в себя электронику, программное обеспечение, встроенное охлаждение и высоконадежный корпус, специально разработанный для автомобиля и элементов.
Дивный новый мир
Нас ждет дивный новый мир, в котором многие первопроходцы идут по пути развития. Tesla является одним из лидеров, выдвигая рынок электромобилей на новые рубежи и, возможно, в конечном итоге доминируя над автомобилями с ДВС. Большим катализатором здесь является то, что двигатели внутреннего сгорания заменяются автомобилями, работающими исключительно на литий-ионных батареях, поэтому производительность батареи в конечном итоге определяет производительность автомобиля. Тем не менее, все еще есть проблемы, связанные со временем зарядки и пробегом, которые по-прежнему остаются барьерами, которые необходимо преодолеть. Для быстрой зарядки и разрядки литий-ионных аккумуляторов до сих пор использовались методы, уменьшающие размер частиц электродных материалов. Однако недостатком уменьшения размера частиц является уменьшение объемной плотности энергии батарей.
В свете этого исследовательская группа POSTECH (Южнокорейский университет) разработала аккумулятор с гораздо более быстрой зарядкой и более долговечным материалом. Профессор Byoungwoo Kang и доктор Minkyung Kim с факультета материаловедения и инженерии вместе с профессором Won-Sub Yoon с факультета энергетики Университета Sungkyunkwan провели несколько действительно интересных исследований. Их выводы были опубликованы в недавнем выпуске Energy & Environmental Science и доказали, что они обеспечивают дальнейший срок службы литий-ионных аккумуляторов, что привело к производству электродов литий-ионных аккумуляторов, которые заряжаются до 90% за шесть минут и разряжаются на 54% за 18 секунд. . Профессор Byoungwoo Kang упомянул: «Традиционный подход всегда был компромиссом между низкой плотностью энергии и быстрой скоростью заряда и разряда из-за уменьшения размера частиц. Это исследование заложило основу для разработки литий-ионных аккумуляторов, которые могут обеспечить быструю скорость зарядки и разрядки, высокую плотность энергии и продолжительную работу».
Создание европейского рынка аккумуляторных технологий
При массовом переходе от ископаемого к электрическому доступность подходящих батарей является серьезной проблемой. Потребность в эффективных батареях — для транспорта, энергетики и промышленности — растет быстро и нарастающими темпами.
В октябре 2017 года Европейская комиссия создала Европейский альянс аккумуляторных батарей для решения этой промышленной проблемы. Ежегодная рыночная стоимость оценивается в 250 миллиардов евро с 2025 года. Для Европы создание полной цепочки создания стоимости отечественных аккумуляторов является обязательным условием перехода к экологически чистой энергии и конкурентоспособной отрасли.
Программой промышленного развития Европейского альянса аккумуляторов EBA250 управляет EIT InnoEnergy. Сегодня EBA250 представляет собой проектное сообщество, объединяющее около 600 представителей промышленности и инноваций, от горнодобывающей промышленности до переработки, с общей целью создания сильной и конкурентоспособной европейской аккумуляторной промышленности.、
План производства аккумуляторов нового поколения
Northvolt разрабатывает план производства литий-ионных аккумуляторов следующего поколения, который принципиально отличается от производства обычных аккумуляторов. Используя концепцию масштабирования, вертикальной интеграции и автоматизированного производства, они стремятся раздвинуть границы производительности, качества и стоимости аккумуляторов.
В то время как проект Northvolt ориентирован на технологическое совершенство, он основан на стремлении к устойчивому развитию. Производство аккумуляторных батарей будет обеспечиваться экологически чистой энергией, в их процессы будут внедрены системы замкнутого цикла, а эффективные решения по переработке будут предоставлены для извлечения материалов из батарей с истекшим сроком службы и перенаправления их обратно в производство.
По сравнению с традиционными производителями литий-ионных аккумуляторов, этот производственный процесс охватывает многие звенья производственно-сбытовой цепочки, и гига-заводы Northvolt спроектированы для достижения оптимальных преимуществ масштаба. Такой подход обеспечивает им структурно более низкий уровень затрат и позволяет обеспечить высокую степень контроля затрат и качества.
Первый крупный завод компании по производству аккумуляторов строится в Скеллефтео на севере Швеции. Northvolt Ett станет основной площадкой Northvolt для производства активного материала, сборки элементов, переработки и вспомогательного оборудования. Завод питается от 100-процентной чистой энергии. Крупномасштабное производство начнется в 2021 году, а годовая мощность вырастет как минимум до 32 ГВтч к 2024 году с потенциалом увеличения до 40 ГВтч в будущем.
Совместное предприятие Northvolt и Volkswagen Group строит завод по производству аккумуляторов в Зальцгиттере, Нижняя Саксония, Германия. Northvolt Zwei берет свое начало от чертежа Northvolt по производству аккумуляторов, разработанного для Northvolt Ett. Начало строительства намечено на 2021 год, а начало эксплуатации — на начало 2024 года. Первоначальная годовая выработка составит 16 ГВтч.
Демонстрационная производственная линия и исследовательский центр Northvolt находятся в Вестеросе, в 100 км к западу от Стокгольма. Northvolt Labs используется для квалификации и промышленного внедрения аккумуляторных элементов и производственных процессов вместе с клиентами. Как только элементы будут готовы к массовому производству, они будут производиться в Northvolt Ett. По состоянию на декабрь 2019 года Northvolt Labs производит элементы и увеличивает годовую мощность до 350 МВтч в год.
Самый маленький объект Northvolt — Northvolt R&D, построен для проверки концепции конструкции ячейки и находится в Вестеросе, Швеция. Оснащенный всеми мощностями, необходимыми Northvolt для разработки, производства и проверки литий-ионных материалов и элементов, предприятие работает с весны 2019 года.
Завод компании по сборке аккумуляторных модулей и систем накопления энергии был открыт в Гданьске, Польша. Northvolt Battery Systems Йеден располагает самыми современными производственными мощностями и служит научно-исследовательской платформой для индустриализации аккумуляторных решений. По состоянию на весну 2019 года объект находится в производстве и наращивает мощность до 10 000 модулей в год.
Французская компания NAWA Technologies заявила, что они уже работают над новой конструкцией электродов, которая может радикально повысить производительность существующих и будущих химических элементов батареи, утроить плотность энергии и произвести в десять раз больше энергии, с чрезвычайно быстрой зарядкой и гораздо более длительным сроком службы батареи. пролетов, почти в пять раз. Все сводится к тому, как активный материал удерживается в электроде, и по пути, по которому ионы в этом материале должны доставить свой заряд. Технический директор компании Паскаль Буланже объясняет это так: «Расстояние, которое необходимо пройти иону, составляет всего несколько нанометров через литиевый материал, а не микрометры с простым электродом». Он продолжает: «С самого начала производства аккумуляторов большая часть повышения производительности происходила за счет материалов, но сегодня она достигла плато. Объедините изобилие углерода с достижениями в архитектуре наноразмерных электродов, и вы получите революционный подход. Сверхбыстрый углеродный электрод NAWA вносит существенные изменения в дизайн и производительность электрода благодаря нашей вертикально ориентированной технологии углеродных нанотрубок. Предлагая огромное увеличение мощности, накопления энергии и жизненного цикла, а также чистоту и экономичность, потенциал огромен».
Эта разработка может радикально увеличить удельную мощность, что можно перевести как способность батареи обеспечивать более быструю зарядку и разрядку. Под радикальным мы подразумеваем десятикратное увеличение, что приводит к меньшим батареям, которые могут обеспечить в 10 раз большую мощность при уменьшенном времени зарядки. Например, NAWA утверждает, что короткая зарядка в течение нескольких минут может дать 0-80% заряда. Кроме того, NAWA утверждает, что при соответствующих изменениях площади поверхности батареи и использовании нанотрубок срок службы может увеличиться в пять раз. Буланже заявил: «Создать батарею очень сложно; вы должны освоить множество параметров. Но если вы хотите справиться с этими параметрами, вам нужно иметь самую высокую электропроводность. Нужно иметь самую высокую теплопроводность. Вы должны иметь самую высокую ионную проводимость. И это именно то, что наш материал может дать производителям аккумуляторов».
Ульрик Грейп, генеральный директор NAWA Technologies, также сказал: «Сверхбыстрый углеродный электрод NAWA позволит нам заряжать аккумуляторы быстрее, работать дальше и дольше — и все это с продуктом, основанным на одном из самых распространенных и экологически чистых материалов в мире: углероде. Наша аккумуляторная технология может помочь значительно снизить воздействие аккумуляторных систем на окружающую среду, настолько, что мы полагаем, что эта инновация в области электродов может вдвое сократить время, за которое электромобиль окупает CO2, образующийся при его производстве, а также возможность перезарядки на месте. столько же времени требуется, чтобы заправиться и проехать на электричестве то же расстояние, что и на баке с бензином».
Научный сотрудник Школы химических и физических наук Университета Флиндерса доктор Кэмерон Ширер и эксперт по батареям уточнили по этому поводу: «Исследования показали, что вертикально выровненные — или даже просто хорошо распределенные — углеродные нанотрубки обладают гораздо большими свойствами, чем случайно расположенные. размещены углеродные нанотрубки. Я не удивлен, что возможно значение проводимости x10. Контроль размещения углеродных нанотрубок — это действительно способ раскрыть их потенциал. Проблема коммерциализации заключается в стоимости, связанной с производством ориентированных углеродных нанотрубок. Я предполагаю, что стоимость будет намного больше, чем x10».
Буланже ответил фактами: «Просто чтобы дать вам некоторые цифры, стоимость нанесения антибликового покрытия внутри фотоэлектрической панели составляет несколько центов за квадратный метр. То же самое, мы просто откладываем наш материал, потому что освоили процесс. Известно, что скорость роста вертикально ориентированных углеродных нанотрубок очень и очень высока. Мы можем выращивать вертикально ориентированные нанотрубки, скажем, до 100 микрон в минуту. Для этого требуется всего одна минута в печи. Мы масштабировали этот процесс на очень больших поверхностях, и с процессом, который работает при атмосферном давлении и более низкой температуре, мы можем сделать это немного похоже на изготовление газеты. Не так быстро, но почти та же идея».
Компания наращивала свои производственные мощности, поставляя вертикально ориентированные углеродные нанотрубки для своих ультраконденсаторных устройств. Они считают электрод более или менее гибким; его можно использовать на цилиндрических или плоских элементах всех размеров, и множество возможностей можно найти в том факте, что он не обязательно должен быть литий-ионным. Компания исследует кремний, никель-марганец-кобальт и химию серы, а также еще более экзотические материалы, которые они не могут раскрыть. Аккумуляторы на основе кремния могут обеспечить удвоенную плотность энергии по сравнению с литий-ионными, но активный материал увеличивается в четыре раза по мере зарядки и снова сжимается при разрядке, вызывая механические проблемы, которые приводят к трещинам. Таким образом, если справиться с определенными ограничениями, никто не может представить, что может быть в будущем. В частности, Буланже утверждает: «Нанотрубки не ломаются; любое расширение происходит сбоку, а не по толщине электрода. А структура нанотрубок действует как клетка. Для кремния кажется, что решением может быть создание наночастицы оболочки, в которой расширяющийся-сжимающийся кремниевый материал ограничен внутри проводящей углеродной оболочкой».
Аккумуляторные технологии в Румынии: Rombat будет производить аккумуляторы для электромобилей недалеко от Бухареста
Румыния появляется на карте стран, производящих высоковольтные литий-ионные аккумуляторы для электромобилей, благодаря производителю автомобильных аккумуляторов Rombat из Бистрицы, контролируемому южноафриканской группой Metair, которая открыла новый завод в Чернице, уезд Илфов, недалеко от Бухареста.
Таким образом, производство литий-ионных аккумуляторов для электромобилей занимает площадь 5000 квадратных метров на двух уровнях с общей производственной мощностью аккумуляторов, которая может хранить 100 МВтч в месяц, благодаря инвестициям в размере 12 миллионов евро. Аккумуляторы большой емкости пользуются все большим спросом на автомобильном рынке, учитывая множество проектов EV, запущенных всеми крупными автомобильными компаниями, включая не только полностью электрические автомобили, но также гибридные и мягкие гибридные автомобили. Аккумуляторы, производимые в Чернице, могут быть выпущены в двух типах – тип NMC (литий-никель-марганцевый) 20 Ач/3,65 В и LPF (литий-железо-фосфатный) 20 Ач/3,2 В. Установленная производственная мощность составляет до 1 миллион ячеек в год, что достаточно для оснащения более 20 000 электромобилей средней вместимости.
Перспективная аккумуляторная технология
Как указывалось ранее, внедрение электромобилей становится катализатором дальнейшего развития аккумуляторной отрасли и наоборот. Например, литий-ионный аккумулятор Tesla Model S на 85 кВтч весит примерно 1200 фунтов и состоит из 7104 элементов. Он имеет большую дальность действия до 265 миль, но для перезарядки от стандартного источника 220 В может потребоваться до 3-4 часов.
Китайский производитель аккумуляторов, снабжающий большинство крупных автопроизводителей (включая Tesla), сообщил, что они произвели первую «батарею на миллион миль». Компания Contemporary Amperex Technology (CATL) заявляет, что ее новая батарея способна обеспечить питание автомобиля более чем на миллион миль (точнее, на 1,2 миллиона, или 1,9 миллиона км) в течение 16 лет.
Вот почему Tesla, которая сегодня, возможно, считается лидером отрасли, постоянно повторяет и продвигает новые аккумуляторные технологии. Новым достижением являются их литий-железо-фосфатные катоды, которые не содержат кобальта, что решает вопрос нехватки сырья. Кобальт не только дефицитен, но и связан с жестокими и неэтичными методами добычи в развивающихся странах по всему миру. И железо, и фосфор легко найти и добывать ресурсы, и они могут резко снизить воздействие на окружающую среду добычи дефицитного кобальта для использования в батареях. Они также предлагают батареи с более длительным жизненным циклом и более высокой скоростью разрядки и перезарядки. Компромисс заключается в том, что фосфат железа из-за меньшей плотности емкости может привести к увеличению размера батареи. Tesla работает над поиском инженерного решения с точки зрения формы батареи для оптимизации использования пространства.
Как и в случае с фосфатом лития-железа, литий-сера может стать еще одним очень многообещающим подходом в качестве замены тяжелых металлов в батареях. Исследователи из Университета Монаша работали и, наконец, разработали конструкцию литий-серной батареи, протестированной на мобильном телефоне, которая сохраняла заряд в течение пяти дней. Это может многое обещать с точки зрения применения в автомобилях; Исследователи Monash предполагают, что литий-серные батареи могут хранить больше энергии, чем литий-ионные, в шесть раз. Они рассчитывают коммерциализировать приложение в ближайшие годы.
Еще одна очень перспективная технология аккумуляторов — это технология стеклянных аккумуляторов. Идея состоит в том, чтобы добавить натрий или даже литий в стекло и сформировать электрод внутри батареи. Это приложение может сделать его подходящим для мобильных приложений, и также кажется, что оно более стабильно, чем другие источники, может лучше справляться с экстремальными температурами и дешевле в производстве. Сообщается, что технология стеклянных батарей способна хранить в три раза больше энергии, чем традиционная литий-ионная батарея аналогичного размера, и может выдерживать гораздо больше циклов зарядки и разрядки, чем обычные батареи для электромобилей. Это подразумевает уменьшение размера батареи при сохранении того же диапазона и производительности или сохранение размера транспортного средства и увеличение диапазона до трех раз. В конце концов барьер для электромобилей в 1000 миль может быть преодолен.
Между тем, Echion Technologies, стартап из Англии, утверждает, что они разработали анод для литиевых батарей большой емкости, чтобы резко сократить время перезарядки. Анод, который работает как отрицательный полюс во время использования и положительный полюс во время зарядки, называется анодом из смешанного оксида ниобия. Анод из смешанного оксида ниобия можно использовать вместо анода любого другого типа для улучшения перезарядки. Он совместим с обычными катодами и электролитическими материалами, поэтому его можно широко использовать. Смелое заявление о анодах из смешанного оксида ниобия заключается в том, что они могут позволить перезарядить литиевые батареи большой емкости всего за шесть минут.
Применение и значение аккумуляторной технологии
Как уже упоминалось, электромобили каталитически стимулировали потребность в улучшении аккумуляторных технологий, и они представляют собой сегмент, который новые технологии определенно будут формировать в будущем. Ведущие производители электромобилей, такие как Tesla, GM, Honda, BMW, NIO, Ford и Porsche, предлагают различные варианты, начиная от гибридных автомобилей и заканчивая полностью электрическими автомобилями. Это просто означает, что электромобили с батарейным питанием (BEV) полагаются только на электроэнергию для движения, тогда как подключаемые гибридные электромобили (PHEV) и полногибридные электромобили (FHEV) работают вместе с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) для выработки энергии. для автомобиля.
При разработке аккумуляторов для электромобилей инженеры должны учитывать не только емкость, но и время зарядки, деградацию, химические аспекты и, безусловно, безопасность. Пороговые значения плотности энергии и мощности были реализованы в большинстве приложений для электромобилей, однако производители транспортных средств постоянно настраивают размеры модулей и ячеек для достижения оптимальных уровней производительности. Независимо от размеров литий-ионных аккумуляторных элементов и модулей, высоковольтные аккумуляторные системы, питающие электромобили, требуют тщательно разработанных систем управления батареями (BMS) для обеспечения максимальной мощности и безопасности.
Tesla, наряду с выскочкой NIO, кажется, в настоящее время лидирует на крупнейшем мировом рынке электромобилей, создавая автомобили с аккумуляторными системами мощностью до 110 кВтч. Эти автомобили могут хранить достаточно энергии, чтобы питать стандартную лампочку мощностью 60 Вт в течение 80 дней и питать Tesla Model S на протяжении 400 миль. Их самые последние аккумуляторные батареи будут содержать несколько тысяч собственных литий-ионных элементов Tesla 2170. Литий-ионные элементы 2170 Tesla на 10-15% более энергоэффективны, чем элементы Panasonic 18650, работавшие в предыдущих моделях. Аккумуляторная батарея Tesla мощностью 100 кВт·ч, построенная на базе элементов 18 650, содержит 8 256 элементов (12 А·ч/ячейка), равномерно распределенных по 16 аккумуляторным модулям.
Между тем, Porsche Taycan, попытка Porsche создать высокопроизводительный электромобиль, содержит аккумулятор емкостью 93,4 кВтч, который вырабатывает 800 В вместо стандартных 400 В, используемых в большинстве других электромобилей. Аккумулятор Taycan состоит из 33 аккумуляторных модулей по 12 ячеек в каждом, всего 396 литий-ионных элементов, способных хранить колоссальные 235,8 Втч на элемент. Поскольку скорость зарядки аккумулятора ограничена током, более высокое напряжение, которое производят эти элементы, означает меньший вес аккумуляторной системы и более быструю зарядку.
Что касается гибридных решений, Toyota является лидером. Их самый популярный PHEV, Prius, может похвастаться аккумуляторной батареей на 8,8 кВтч, что позволяет автомобилю достигать почти 55 миль на галлон в городе. Водители могут заряжать аккумулятор емкостью 8,8 кВтч дома или в пути, а поскольку Prius Prime потребляет больше электроэнергии, чем бензина, он экономит деньги на заправке. Prius Prime питается от пяти блоков аккумуляторов, каждый из которых содержит 19 элементов LI (95 элементов), общая емкость которых составляет 8,8 кВтч. Для сравнения, стандартный Prius — самый популярный в мире FHEV — содержит гораздо меньшую батарею, состоящую всего из двух блоков по 28 элементов в каждом (всего 56 элементов), что дает его конечную емкость 0,745 кВтч. Многие другие производители предлагают несколько моделей с различной емкостью аккумуляторов и их использованием.
Другие футуристические идеи связаны с самолетами с вертикальным взлетом и посадкой (VTOL), дронами и многими другими очень интересными приложениями. Теперь для коммерциализации такси вертикального взлета и посадки или для логистической отрасли, чтобы полностью использовать электромобили и для более широкого использования электромобилей нам потребуется несколько вещей, таких как долговечность батареи, повышенная доступность накопленной энергии (даже в наших домах — с решениями например, силовая стена Tesla) и более быстрые зарядные устройства.
Джефф Дан, профессор кафедры физики и атмосферных наук, вместе со своей командой в своей канадской лаборатории уже давно проводят ведущие исследования аккумуляторов, но в течение последних четырех лет они работали в партнерстве с Tesla. Они также изучают новую технологию аккумуляторов, которая не только немного улучшает аккумуляторы, но и полностью их меняет. Но исследования Дана и Теслы показывают совсем другой путь — безанодные литиевые аккумуляторы с жидким электролитом LiDFOB/LiBF4 с двойной солью. Профессор Дан вместе с научной группой Теслы заявили в одной из своих статей: «Недавно мы продемонстрировали долговечные безанодные элементы с использованием карбонатного электролита с двойной солью. Здесь мы характеризуем деградацию безанодных элементов с этим обедненным (2,6 г AG-1) жидким электролитом. Мы наблюдаем ухудшение морфологии исходного лития с помощью сканирующей электронной микроскопии и рентгеновской томографии и диагностируем причину деградации и истощения электролита с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса и ультразвукового картирования пропускания. Для испытаний характеристик безопасности мы измеряем температуру ячейки во время проникновения гвоздя».
Если Тесла будет продолжать в том же духе, эффективность аккумуляторных батарей взлетит до небес, а это означает, что у нас не только будут доступны высококачественные ячейки, но мы также сможем правильно использовать силовые стены в наших домах. наша работа и почему не в общественных местах. Теоретически это означало бы, что мы могли бы лучше хранить нашу собственную солнечную энергию, или, в случае коммерциализации, энергетические компании могли бы хранить энергию ветра, солнца и приливов, которую они производят в непиковое время, сохраняя ее до тех пор, пока спрос не возрастет, а скорее чем позволить ему пропадать зря. Затраты на энергию резко упадут, и, поскольку общественность будет уверена как в запасе хода, так и в долговечности электромобилей, скорее всего, произойдет значительный сдвиг в покупательских привычках. Особенно, если это будет сочетаться с государственным стимулом, подобным нынешнему предложению Германии. Когда мы экономим энергию, которую производим, а не оставляем ее впустую, нам нужно будет использовать ископаемое топливо только для удовлетворения наших потребностей в энергии, а не использовать его для удовлетворения основной части.
Еще в 2017 году Tesla помогла правительству Австралии с огромным хранилищем мощностью 150 МВт-ч в южной части континента, совмещенным с ветряной электростанцией Hornsdale. После шести месяцев работы Hornsdale Power Reserve отвечал за 55% контроля частоты и вспомогательных услуг в Южной Австралии. К концу 2018 года было подсчитано, что Power Reserve сэкономил 40 миллионов австралийских долларов, в основном за счет устранения потребности во вспомогательной службе управления частотой мощностью 35 МВт, работающей на топливе. Tesla также заложила основу для нового хранилища энергии в Монтерее, штат Калифорния, которое станет крупнейшей установкой в мире. Аккумуляторный парк сможет выдавать 730 мегаватт-часов (МВтч) энергии в сеть с максимальной скоростью 182,5 МВтч в течение до четырех часов. Вскоре после завершения Tesla и PG&E увеличат мощность системы до 1,2 гигаватт-часа, что, по словам Теслы, обеспечит электроэнергией каждый дом в Сан-Франциско в течение шести часов.
Большинство автомобильных аккумуляторов предлагают гарантию на 60 000–150 000 миль в течение периода от трех до восьми лет. Это значительное увеличение времени автономной работы, но оно будет стоить всего на 10% дороже, чем существующие продукты, говорит председатель CATL Цзэн Юцюнь (Zeng Yuqun). Наличие пожизненной батареи, безусловно, является хорошей новостью для электромобилей. Но более долговечные батареи также необходимы для так называемого «стационарного» хранения. Это батареи, которые мы можем прикрепить к ветряным турбинам или солнечным панелям, чтобы возобновляемая энергия была доступна, когда солнце не светит или ветер не дует. Довольно скоро вам может даже понадобиться стационарная батарея в вашем доме для хранения дешевой электроэнергии в непиковые часы или для сбора энергии, вырабатываемой вашими собственными солнечными панелями.
Когда дело доходит до Европы, Daimler AG и ее дочерние компании, похоже, сегодня являются единственным немецким производителем, наладившим собственное производство аккумуляторов, и они уже наращивают производство, присматриваясь к глобальной сети аккумуляторов. Компания инвестирует более одного миллиарда евро в глобальное производство аккумуляторов с двумя заводами в Каменце, Саксония, и другими предприятиями в Штутгарте-Унтертюркхайме, Пекине и Таскалузе.
Еще одно важное следствие, связанное с развитием аккумуляторных технологий, связано с солнечной энергией. В 2020 году Йоркский университет в сотрудничестве с Лиссабонским университетом NOVA значительно увеличил способность солнечных панелей поглощать свет на потрясающие 125% благодаря трехмерной геометрии, такой как лабиринт из квадратных блоков. Это увеличивает скорость дифракции, что означает вероятность поглощения света. Доктор Кристиан Шустер из Йоркского физического факультета утверждает: «В принципе, мы могли бы использовать в десять раз больше солнечной энергии для того же количества поглощающего материала: в десять раз более тонкие солнечные элементы могли бы обеспечить быстрое расширение фотогальваники, увеличение производства солнечной электроэнергии, и значительно сократить наш углеродный след». Это неизбежно наводит на мысли об установке этих более легких, дешевых и более эффективных панелей на транспортных средствах, чтобы сделать их самодостаточными. Hyundai уже установил солнечную крышу на свой гибридный автомобиль Sonata, вырабатывающий до 10% его мощности. Теперь полупрозрачные солнечные панели обещают на некоторых аккумуляторных автомобилях Hyundai. Были продемонстрированы солнечные панели, которые открываются, когда транспортное средство останавливается, а также солнечные панели, отслеживающие движение солнца на транспортных средствах. Солнечные автомобильные зарядные устройства ARC и наземные солнечные батареи большой площади отслеживают движение солнца в одном направлении, увеличивая выработку электроэнергии на 30%.
Сегодня в ходу и другие революционные идеи: агровольтаика и соликультура. Агровольтаика — беспроигрышный вариант: она собирает энергию и увеличивает сельскохозяйственное производство. Двусторонние вертикальные панели Фраунгофера работают с обеих сторон, оставляя землю открытой для сельского хозяйства. Соликультура использует полупрозрачные теплицы, которые производят электричество, оптимально фильтруя свет для роста растений. Есть также такие фотогальваники, которые «раскрываются», как подсолнухи, и следуют за светом солнца. Эти цветы можно устанавливать в полях, на крышах и даже в транспортных средствах. В Бразилии исключительно высокая температура снижает производительность, поэтому Sunew использовала органическую фотогальваническую пленку на грузовиках, чтобы избежать этой проблемы. Большая часть солнечной энергии использует инфракрасное излучение, поэтому оно может даже попасть под днище некоторых транспортных средств, едущих по раскаленным дорогам, поскольку цены продолжают стремительно падать.
Грузовики и автобусы могут не достичь независимости от солнечной энергии в течение некоторого времени, но все они могут без остановки заряжаться от солнечных поверхностей земли и зданий, если это необходимо, с помощью расположенных поблизости ветряных и водяных турбин. Поезда могут эффективно заряжаться в основном от поездок под солнечными навесами дальнего следования с помощью солнечного кузова, а также солнечной энергии и ветра. Проходят исследования. Роботы-шаттлы, автомобили и небольшие транспортные средства легко станут независимыми от энергии. Действительно, филиал Эйндховенского университета в Нидерландах готовит коммерческий энергосберегающий семейный автомобиль Stella Era, и Audi присоединилась к нему в качестве партнера.
Глобальное экономическое влияние аккумуляторных технологий
Глобальный рынок аккумуляторных технологий обусловлен более широким использованием электрических и гибридных транспортных средств, растущим глобальным интересом к бытовой электронике и более строгими государственными нормами в отношении выбросов. Рынок в 2020 году оценивался чуть более чем в 90 миллиардов долларов США. Ожидается, что он будет расти со среднегодовым темпом роста около 10% и достигнет более 150 миллиардов долларов США всего за 5 лет. Литий-ионный аккумулятор окажет наибольшее влияние на рост, учитывая его широкий спектр применения и потенциал дальнейшего развития.
Согласно отчету IEA Global EV Outlook 2020, электромобили, на долю которых в 2019 году приходилось 2,6% мировых продаж автомобилей и около 1% мирового парка автомобилей, увеличились на 40% по сравнению с прошлым годом. Основной движущей силой является резкое снижение затрат, обеспечиваемое достижениями в технологии литий-ионных аккумуляторов. С 2010 по 2018 год стоимость литий-ионного аккумулятора упала на 85%. Ожидается, что к 2030 году средняя стоимость аккумуляторной батареи будет ниже 100 долларов за кВтч. Государственные субсидии производителям аккумуляторов — еще одна причина такого взрывного роста. В конце концов, для электромобилей аккумуляторы являются основным компонентом затрат и составляют около 40% от общих затрат. Однако ожидается, что рост рынка электромобилей замедлится по сравнению с текущими темпами; общий автомобильный рынок сократился в 2019 и 2020 годах, а программы закупок были сокращены на ключевых рынках, таких как Китай и США. Потребители ищут технологические усовершенствования и новые модели, поскольку профиль смещается от ранних адаптеров к раннему и позднему большинству.
Переход с нефти на электроэнергию может привести к потенциальным экономическим потерям для правительств, если они не будут должным образом учтены. Хороший пример этого можно найти в диссертации, опубликованной стипендией Digital Commons Университета Ла Саль. В этой статье показано, как увеличение продаж электромобилей и, соответственно, увеличение количества электромобилей в процентном отношении к парку транспортных средств оказывает прямое влияние на доходы от налога на газ для каждого штата США. Калифорния, штат с наибольшим количеством автомобилей в США и крупнейшими доходами от налога на бензин (по оценкам, 8,4 миллиарда долларов в 2019 году), потеряет 27,53 миллиона долларов в 2021 году (что составляет 0,3% от предполагаемого дохода в 2019 году) и 532,03 миллиона долларов валового дохода в период с 2019 по 2028 год. Это важная потеря, учитывая, что налог на газ является основным источником средств для содержания, замены и строительства государственных дорог и транспортных средств.
Как предлагается в документе, это можно скорректировать путем введения ежегодной надбавки за электромобиль. Это решение также следует рассмотреть в Европе, на долю которой приходится 39% рынка электромобилей, а поступления от налога на энергию в 2019 году составили более 360 миллиардов долларов. В этом случае налог на энергию представляет собой всю деятельность NACE плюс домашние хозяйства, нерезидентов и нераспределенных. Налогообложение энергии состоит из четырех видов налогов, которые составляют экологические налоги; остальные - налоги на загрязнение, налоги на ресурсы и транспортные налоги.
