Гигафабрики в Европе
Уже писал как-то про строящиеся батарейные фабрики в Европе. Сегодня хотел взглянуть на это ещё раз, так как вышел вот этот великолепный доклад от Batteries Europe, который поддерживается Европейской комиссией. Там много картинок, много букафф, и много информации. Некоторые мои читатели оценят :-)))
Строящаяся гигафабрика Northvolt
Догнать и перегнать
Следующие десять лет станут настоящим прорывом в разработке и производстве батарей. В данный момент Азия - абсолютный лидер, но Европа пытается не отстать в этой технологической гонке.
К концу 2030 года целых 25 новых заводов начнут поставлять на рынок аккумуляторы европейского производства. 22 из них уже получили отметку на карте, а 10 проектов уже реализуются или строятся. Таким образом, уже в 2022 году общая производственная мощность достигнет 307 ГВт*ч в год против «жалких» 27 ГВт*ч в 2020 году. Это все еще мало по сравнению с производством в Китае, Корее и Японии, на которые сегодня приходится 90 % мирового производства аккумуляторов (450 ГВт*ч в год). Но со всеми запланированными проектами производство в Европе достигнет 500 ГВт*ч к 2030 году и, вероятно, будет составлять 16 % от мирового производства (как ожидается около 2600 ГВт*ч).
Это, примерно, столько аккумуляторов, сколько Европа будет потреблять в 2030 году:
Потребление аккумуляторов по годам
Один из новых заводов называется Northvolt Ett и расположен он к югу от полярного круга на севере Швеции. Строительство началось в 2018 году, а производство здесь планируется начать уже в этом году, а максимальная мощность составит 40 ГВт*ч в год.
Строительство также идет полным ходом недалеко от Берлина, где уже Tesla строит свою гигафабрику. Здесь будет производится вся цепочка от ячеек до аккумуляторных блоков (battery packs), и даже самих электромобилей. Производство также начнется в этом году, а план - 40 ГВт*ч в год и около полумиллиона электромобилей.
Картинка нарисованная на основе данных из доклада
Гигафабрики и рабочие места
В вышеупомянутом докладе Batteries Europe основное внимание уделяется Европе и возможностям развития новых технологий и новых рабочих мест в сфере высоких технологий в ближайшие годы. Чтобы подчеркнуть необходимость как в аккумуляторах, так и в рабочих местах, заявлено, что использование аккумуляторов может сократить глобальные выбросы парниковых газов на 30% к 2030 году и уже на одной территории Европы достигнуть оборота около €250 млрд в год к 2025 году.
На европейском уровне, в первую очередь, внедрение электромобилей должно обеспечить потребление аккумуляторов, и именно здесь возникает связь с рабочими местами. Проблема в том, что в производстве электромобилей нужно гораздо меньше рабочих мест, чем в производстве обычных автомобилей с ДВС. Для сравнения, для сборки одного типичного бензинового автомобиля требуется около 6,2 человеко-часов, гибридные автомобили с установленными электродвигателями и ДВС требуют больше труда - около 9,2 человеко-часов. Но полностью электрический автомобиль сокращает это до 3,7 часов - он проще, и больше операций может быть автоматизировано.
Так что на карту поставлены 13,8 миллиона прямых или косвенных рабочих мест в европейской автомобильной промышленности, а это около 6,1% всех рабочих мест в Европе.
Твердотельные электролиты
Итак, какие же батареи будут производиться на всех этих новых заводах? Для начала, конечно, это будет традиционная литий-ионная технология, которая постоянно оптимизируется. Этот тип батареи известен давно, и основные свойства - это жидкий электролит и анод, состоящий из чистого графита. Катод содержит различные элементы, такие как литий, фосфор, марганец, кобальт и никель. Число, на которое следует обратить особое внимание, - это плотность энергии, которая измеряется в Вт*ч / кг. Сейчас в лучших аккумуляторах он составляет около 250 Вт*ч / кг. Очевидно, производители работают на увеличением этого числа :-))))
Первый серьезный прорыв, который намечается в литий-ионных батареях, - это замена электролита с жидкого на твёрдый. Об этой технологии я уже писал вот здесь. Это также будет означать, что графитовый анод можно будет заменить на металлический литиевый анод гораздо меньшего размера, что снизит его вес примерно в 6 раз. Задача заключаться в том, чтобы найти твердый электролит, который был бы механически стабильным и предотвращал бы деградацию электродов. Учёные работают над электролитами с соединениями серы, которые по проводимости близки к литию. Но проблема здесь в том, что они часто нестабильны во время зарядки и разрядки, и существует риск образования серной кислоты при контакте с водой.
Обычный и твёрдотельный аккумуляторы
Первые коммерческие батареи с твердым электролитом, также называемые твердотельными батареями, вот-вот выйдут на рынок, но, начала серийного производства ячеек для электромобилей ожидается примерно в 2027 году. К тому времени мы можем ожидать, что плотность энергии составит около 400 Вт*ч / кг, а долговечность составит около 800 перезарядов. К 2030 году ожидается уровень плотности энергии в районе 500 Вт*ч / кг. Другими словами, электромобиль с батареей того же физического размера, что и сегодня, сможет проехать вдвое больше на одной зарядке.
Quantumscape и Toyota
Американская компания Quantumscape уже опубликовала данные о своих твердотельных ячейках. Они достигли 800 циклов зарядки/разрядки, чего должно хватить на 400.000 км пробега. Расчеты показывают, что их прототип батареи имеет плотность энергии от 350 до 500 Вт*ч / кг. Кроме того, эти типы аккумуляторов могут заряжаться намного быстрее, чем сегодняшние.
Японская Toyota также давно присматривается к твердотельным технологиям и несколько лет назад обещала, что электромобили с её твердотельными батареями будут использоваться на Олимпийских играх в Токио летом 2020 года. Пока у Тойоты нет готового продукта, но и Игры отложили до 2021 года. Интересно, успеет ли Тойота?
Светлое электрическое будущее
Но в ещё более далёком электрическом будущем (20-30 лет) нам обещают металл воздушные аккумуляторы. Хотя этот тип батарей уже доступен сегодня (например, для слуховых аппаратов), а плотность энергии в них теоретически может достигать почти такого же уровня, как у бензина, проблема в том, что их пока нельзя зарядить.
В стационарных приложениях также думают над использованием проточных аккумуляторов . В проточном аккумуляторе жидкий электролит прокачивается через ядро при помощи насосов.
Принципиально электролит такой батареи представляет собой раствор металлических солей, способный переносить положительный и отрицательный заряды. В процессе прокачки электролита через разделенный мембраной резервуар, положительный и отрицательный электрод обеспечивают ионный обмен с электролитом и генерацию электричества в ходе окислительно-восстановительных реакций.
Эти аккумуляторы быстро дешевеют, и кроме этого, их легко перерабатывать. Для электромобилей они не подойдут, так как плотность энергии у них относительно низкая.
Ещё статьи про аккумуляторы