Роль литий-ионных аккумуляторов/ батарей в растущей тенденции производства электромобилей. Часть 1

Общее

В автомобильной отрасли все больше внимания уделяется удобству использования электромобилей (ЭМ), независимых от сгорания. Когда-то считавшихся чрезмерно амбициозным и дорогостоящим предприятием, популярность и практичность ЭМ постепенно растут из-за использования литий-ионных аккумуляторов (ЛИА или LIA). Хотя тема литий-ионный батарей (ЛИБ или LIB)  широко освещалась, до сих пор не было обзора, охватывающего текущие достижения LIB с экономической, промышленной и технической точек зрения. Обсуждаются конкретные обзоры по таким аспектам, как изменения в международной политике, внедрение облачных систем с возможностями глубокого обучения и передовые материалы электродов ЛИБ на основе ЭМ (электромобилей). Обсуждаются рекомендации по решению текущих проблем на рынке ЛИБ на основе ЭМ. Кроме того, даются предложения по краткосрочным, среднесрочным и долгосрочным целям, которым должна следовать отрасль ЛИБ-ЭМ, чтобы обеспечить свой успех в ближайшем будущем. На основании данного обзора литературы можно предположить, что аккумуляторные батареи на базе электромобилей будут оставаться актуальной темой в ближайшие годы и что для их всестороннего совершенствования еще есть большой потенциал.

1. Введение

По мере роста популярности электромобилей (ЭМ) одновременно растет и спрос на литий-ионные аккумуляторы (ЛИА). Во многом это обусловлено их впечатляющим соотношением плотности энергии к весу (составляющим 120–220 Вт·ч·кг −1 [ 1 , 2 , 3 ]), что позволяет им превосходить другие технологии аккумуляторов, такие как свинцово-кислотные аккумуляторы (PbAB) и никель-металл-гидридные (NiMH) аккумуляторы [ 4 , 5 ]. Работая через стандартную систему анода и катода, простота заряда и разряда электронов из ионов Li + позволяет генерировать большие объемы энергии, как показано на рисунке 1 .

Рисунок 1.

Изображение структурных компонентов LIB. 

Благодаря своим структурным преимуществам LIB, как было показано, являются наиболее широко используемым и надежным источником энергии для электромобилей (EV) [ 6 , 7 ]. Доказательства этого можно увидеть в промышленных масштабах, поскольку различные производители автомобилей (например, Tesla Motors) широко использовали такие батареи [ 8 ]. В академическом сообществе были отмечены обширные работы, относящиеся к изучению LIB в EV. Это можно количественно увидеть на рисунке 2 a, где перечислено количество журнальных публикаций и ссылок, относящихся к LIB в EV из года в год. С учетом данных, предоставленных Web of Science, для первоначального поиска использовались ключевые слова «литий-ионные батареи» и «электромобили». Все отображаемые данные приведены с 1997 по июль 2023 года. Видно, что примерно в 2010-х годах интерес к LIB в электромобилях экспоненциально возрос, что также по совпадению связано с глобальным ростом потребительских электромобилей на базе LIB [ 9 , 10 , 11 , 12 ]. Чтобы еще больше продемонстрировать эту тенденцию, рост рынка электромобилей с 2010 по 2022 год показан на рисунке 2b , где показан рост запасов аккумуляторных электромобилей и подключаемых гибридных электромобилей (PHEV) в разных странах [ 13 ]. Интересно отметить, что на протяжении недавней пандемии COVID-19 (которая привела к тому, что ключевые конкурирующие компании, такие как Tesla, уволили большое количество сотрудников [ 14 , 15 ]), количество проданных электромобилей продолжало расти. Во многом это рассуждение может быть связано с широким распространением электромобилей на китайском рынке, что привело к общему росту продаж [ 16 ].

Рисунок 2.

( a ) Запись количества цитирований и публикаций, относящихся к LIB из EV с 1997 по июль 2023 года, полученная из Web of Science [ 17 ]. ( b ) Иллюстрация растущего мирового запаса EV и PHEV из IEA [ 18 ]. Это работа, полученная Ralls et al. из материалов IEA, и Ralls et al. несут исключительную ответственность и отвечают за эту производную работу. Производная работа не одобрена IEA каким-либо образом, полученным из.

Однако, несмотря на их широкое распространение, проблемы безопасности, связанные с возможными сбоями в работе LIB (из-за химических реакций, происходящих при более высоких температурах перегрева), в значительной степени ограничивают крупномасштабное промышленное использование [ 19 , 20 ]. Соответственно, особое внимание уделяется повышению их устойчивости к деградирующим средам (например, механическим и вибрационным средам и/или подводным водным средам) [ 21 , 22 , 23 ]. Такие проблемы ограничивают потенциал LIB, особенно в электромобилях. В этой работе подробно описаны современные достижения в области EV-LIB. В частности, обсуждается новая и уникальная перспектива общей области LIB с экономической, правительственной и производственной точек зрения. Кроме того, обсуждается техническая роль LIB в электромобилях наряду с их текущими достижениями и проблемами. Представлены предложения о том, как преодолеть текущие проблемы в этой области и продолжить ее развитие. Кроме того, предоставляются своевременные предложения по краткосрочным, среднесрочным и долгосрочным целям, которым должна следовать отрасль, чтобы обеспечить будущий успех. Цель этой работы — посредством этих уникальных перспектив дать целостный обзор отрасли LIB тем, кто активно работает в отрасли или тем, кто только начинает.

2. Обзор электромобилей

Чтобы понять важность LIB в электромобилях, следует понять значимость электромобилей. Исторически электромобили были первоначально введены для борьбы с энергетическим кризисом в начале 1970-х годов [ 24 ]. Выступая в качестве экологически чистой альтернативы автомобилям, потребляющим нефть, электромобили действовали как способ достижения той же эффективности, что и двигатель внутреннего сгорания, полагаясь исключительно на электричество [ 25 ]. В то время из-за их огромной стоимости не было привлекательности для покупки электромобилей. Однако из-за достижений в области технологий и растущей обеспокоенности по поводу изменения климата в 2000-х годах на рынке произошел постепенный сдвиг в сторону покупки относительно более экономичных электромобилей [ 26 , 27 , 28 ]. Например, в начале 2023 года Audi объявила, что к 2029 году весь их автомобильный парк будет состоять из электромобилей [ 29 ]. Кроме того, такие компании, как General Motors и Honda, также берут на себя обязательства по достижению аналогичных целей [ 30 ].

Среди различных стран, использующих электромобили, Соединенные Штаты (США) увидели рост из-за снижения цен на электромобили и стимулов, предлагаемых национальным правительством. Например, в Калифорнии продвигаются более жесткие правила выбросов, чтобы достичь в целом нулевых выбросов. На данный момент Калифорния поставила цель достичь 1,5 миллиона электромобилей на дорогах к 2025 году, при этом каждый владелец получит налоговый кредит в размере 2500 долларов США [ 31 ]. Другие штаты США, такие как Нью-Йорк, Джорджия и Вашингтон, кредитуют многочисленные налоговые льготы. Вашингтон, например, дает до 6,5% налога с продаж при покупке электромобилей [ 32 ]. За пределами США Китай также демонстрирует сильную мотивацию продвигать альтернативные транспортные средства из-за растущих проблем загрязнения в крупных населенных пунктах [ 33 , 34 ]. Фактически, по состоянию на 2021 год было продано в общей сложности 3,2 миллиона электромобилей, что составляет более половины от общего числа электромобилей, проданных в мире [ 35 ]. Япония также поставила амбициозную цель (т. е. Стратегию оживления), чтобы электромобили охватывали 50–70% от общего числа продаж автомобилей в 2030 году [ 36 ]. В Японии также были введены различные налоговые субсидии, даже после исторического землетрясения в Тохоку в 2011 году [ 37 ].

Несмотря на эти соблазны, которые позволили рынку электромобилей расти значительными темпами, существуют различные проблемы, которые могут быть вызваны их батареями [ 38 ]. Например, в современных системах батарей (например, никель-кадмиевые (Ni-Cd), цинково-хлорные (Zn/Cl 2 ) и никель-цинковые (Ni-Zn) батареи), они, как правило, имеют слабые возможности зарядки [ 39 , 40 ]. Кроме того, они страдают от короткого срока службы батареи, что создает неудобства для клиентов. Из-за этих проблем происходят нежелательные потери энергии, денег и неудобства. Для борьбы с этим в качестве альтернативного решения были предложены LIB.

3. Литий-ионные аккумуляторы как альтернативный источник питания

3.1 Историческая привлекательность литий-ионных аккумуляторов в электромобилях

В вышеупомянутые времена 1970-х годов проводились некоторые эксперименты по целесообразности использования LIB для электромобилей [ 41 ]. Эта тенденция началась с того, что Nissan выпустил свою модель EV Altra в 1997 году [ 42 ]. Однако вначале продажи были невысокими из-за высокой цены (50,99 долл. США). Фактически, было продано всего 139 единиц [ 43 , 44 ]. Однако впоследствии промышленный интерес начал расти, чтобы повысить свою эксплуатационную эффективность и снизить общую себестоимость. После некоторого времени последовательного развития крупные автомобильные компании начали использовать LIB в своих транспортных средствах [ 45 ]. Перенесемся в настоящее время, и доля рынка LIB для электромобилей постепенно привлекает все больше внимания. Например, на рынке США LIB все чаще используются из-за улучшений в их возможностях ( рисунок 3 ). К 2030 году также ожидается, что 64% от общего объема продаж легковых автомобилей будут состоять из электромобилей на базе LIB, а их совокупное количество составит 24% от общего объема легковых автомобилей, находящихся в собственности [ 46 ]. Даже в Китае (который охватывает более 50% текущего рынка электромобилей [ 47 ]), прогнозируется, что около 37% рынка транспортных средств также будут состоять из электромобилей на базе LIB [ 48 ].

Рисунок 3.

Рыночная доля различных аккумуляторов для электромобилей в США предоставлена Мохаммади и Саифом [ 49 ]. Авторские права 2023 г., под лицензией CC-BY-4.0.

3.2 Преимущества литий-ионных аккумуляторов/ батарей в электромобилях

Однако для дальнейшего понимания привлекательности LIB важно понимать их электрохимические характеристики. Как упоминалось ранее, LIB обладают превосходной емкостью плотности энергии. Это во многом обусловлено их катодно-анодной способностью хранить большое количество электроэнергии (3842 мАч электроэнергии на 1 г Li) [ 45 ]. По сравнению с другими батареями (например, свинцово-кислотными, никель-кадмиевыми (Ni-Cd) и натрий-серными (Na-S) батареями) LIB значительно превосходят их [ 50 ]. В качестве способа продемонстрировать это, характерные преимущества батарей LIB по сравнению с другими батареями электромобилей (а также соответствующие преимущества и недостатки альтернативных батарей по сравнению с LIBS) показаны в Таблице 1. Как можно видеть, несмотря на любые предполагаемые преимущества, которые имеют другие типы батарей, они, как правило, страдают от своей неудовлетворительной производительности. Этого следовало ожидать, поскольку они являются относительно зрелыми технологиями по сравнению с LIB.

Таблица 1.

Сравнение преимуществ и недостатков LIB по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами, никель-кадмиевыми аккумуляторами и натрий-серными (Na-S) аккумуляторами.

3.3 Типы коммерчески доступных литий-ионных аккумуляторов/ батаей в электромобилях

На сегодняшний день существующие типы LIB в электромобилях можно разделить на литий-железо-фосфатные (LFP), литий-никелево-марганцево-кобальтовые (NCM) и литий-никелево-кобальтово-алюминиевые (NCA) батареи [ 58 , 59 ]. Эти формы LIB на основе электромобилей отличаются в основном своим элементным составом. В случае LFP катодная часть батареи содержит фосфат, который, как правило, является безопасным материалом для использования в случае высокотемпературных условий из-за потенциальных тепловых разгонов [ 60 ]. С точки зрения структуры LFP имеют структуру оливина, которая может противостоять нежелательной деформации решетки и окислению в результате циклических процессов заряда/разряда. Будучи относительно недорогими и нетоксичными в производстве, LFP батареи широко используются в электромобильной промышленности [ 61 ]. В применении LFP батареи в основном используются в электромобилях малого и среднего диапазона из-за их более длительного срока службы и экологических характеристик [ 62 ].

Для электромобилей, работающих в диапазоне от среднего до высокого, батареи NCM более предпочтительны из-за их впечатляющих долгосрочных электрохимических характеристик. Эти характеристики можно объяснить материальными характеристиками марганца (Mn) и никеля (Ni). Во время нанесения Mn создает спиновые структуры, которые могут привести к низкому внутреннему сопротивлению. Хотя Mn имеет низкую удельную энергию, присутствие Ni может улучшить удельную энергию, что обеспечивает впечатляющие энергетические и тепловые характеристики [ 63 ]. В целом батареи NCM также считаются экологически чистым вариантом батареи и широко используются в индустрии электромобилей [ 64 , 65 , 66 ].

Помимо аккумуляторов LFP и NCM, также используются аккумуляторы NCA. С заменой Mn алюминием (Al) плотность энергии аккумулятора значительно увеличивается. Однако аккумуляторы NCA имеют большую тенденцию к перегреву и нестабильности при повышенных температурах, что представляет огромную опасность для электромобилей [ 67 , 68 ]. Из-за этих недостатков аккумуляторы NCM используются на современном рынке меньше и постепенно выводятся из эксплуатации [ 62 ]. Однако такие компании, как Tesla, Mercedes-Benz, BMW, Chevrolet и Nissan, по-прежнему используют аккумуляторы NCA, поскольку они не зависят от Co, который, как сообщается, имеет колебания стоимости из-за неравномерного распределения резервов [ 68 , 69 ]. Можно предположить, что в будущем, по мере того, как переработка аккумуляторов станет более зрелой, аккумуляторы происхождения LFP и NCM будут в значительной степени доминировать на рынке.

Помимо аккумуляторов на основе Li, внимание также уделяется аккумуляторам на основе Mg-ion и Al-ion для электромобилей [ 70 ]. Для аккумуляторов на основе Mg-ion основная привлекательность в значительной степени связана с их общей распространенностью и дешевизной по сравнению с аккумуляторами на основе Li. Учитывая экологичность материалов Mg, вполне вероятно, что их промышленное присутствие будет увеличиваться с одновременными глобальными усилиями по созданию круговой экономики. С другой стороны, аккумуляторы на основе Al-ion также являются точкой промышленного притяжения из-за их впечатляющей плотности энергии и мощности [ 71 ]. Однако, учитывая внимание к LIB, их широкое применение ограничено. Несмотря на это, стремление к экологически чистым аккумуляторам может потенциально привести к более широкому промышленному использованию аккумуляторов на основе Al-ion.

3.4 Влияние текущей политики и правил на литий-ионные батареи в электромобилях

Хотя статистические данные могут дать представление о будущем развитии рынка LIB-EV, направление новой политики и правил со стороны правительств и международных организаций также влияет на их будущее развитие. Например, в Европейском союзе (ЕС), Китае, США и Канаде электрификация автомобилей с использованием технологии LIB играет важную роль в их схожих законодательных целях по достижению углеродной нейтральности [ 72 , 73 , 74 ]. Для отрасли LIB-EV усиление внимания со стороны правительства равнозначно формированию возможностей и политики финансирования, которые в значительной степени способствуют их росту. Например, в ЕС недавно одобренная инициатива European Green Deal инвестирует 1,8 триллиона евро в фонды для продвижения технологического прогресса LIB на базе электромобилей. В этих инициативах особое внимание уделяется исследовательским инновациям, обеспечению того, чтобы методы добычи материалов выбрасывали меньше углерода, и надлежащему хранению [ 75 , 76 , 77 ]. В США недавнее введение налоговых льгот в апреле 2023 года также является еще одним методом стимулирования потребителей к покупке электромобилей на базе LIB [ 78 , 79 ]. В Канаде недавно были приняты стимулы за производительность в размере до 11 миллиардов долларов для финансирования развития заводов по производству LIB для электромобилей [ 80 ]. В Европе формирование литиевых заводов в рамках недавней политики также способствует росту индустрии LIB-EV [ 81 ]. Конечно, Китай также продвигает аналогичную политику, уделяя особое внимание инвестициям в исследования и разработки для продолжения продвижения LIB в электромобилях, тем самым расширяя рынок [ 82 ]. Исходя из этих тенденций, можно ожидать, что США, Канада, ЕС и Китай продолжат оставаться лидерами в содействии расширению рынка LIB-EV в ближайшие годы.

С другой стороны, по мере того, как рынок LIB-EV продолжает расширяться, также растет обеспокоенность относительно экологических последствий отходов. Например, в США Агентство по охране окружающей среды (EPA) недавно начало прилагать усилия по содействию вторичной переработке и круговой экономике LIB в электромобилях [ 83 , 84 ]. В правительственном масштабе также были выделены средства администрацией Байдена-Харриса для ускорения переработки LIB-EV [ 85 ]. Однако в настоящее время нет конкретных законов, которые требуют от отраслей электромобилей перерабатывать свои LIB [ 86 ]. Поскольку запасы драгоценных материалов также сокращаются, будущее рынка LIB-EV столкнется с потенциальными неудачами. Мы ожидаем, что будущее отрасли LIB-EV будет направлено на инвестиции в технологии переработки для поддержания ее роста.

4. Изготовление и применение литий-ионных аккумуляторов/ батарей в электромобилях

На данный момент очевидно, что LIB являются предпочтительными батареями, когда речь идет об электромобилях. На практике существуют различные конкретные процессы и роли, которые LIB играют в электромобилях. Чтобы понять эти роли, в следующем разделе будут рассмотрены детали, касающиеся первоначального процесса изготовления и их производительности в качестве систем хранения энергии. Чтобы в совокупности просмотреть детали этих процессов, Таблица 2 сформулирует основные выводы в этом разделе.

Таблица 2.

Основные выводы о роли LIB в электромобилях: от изготовления аккумуляторов до их упаковки, хранения энергии и использования систем управления аккумуляторами.

4.1 Изготовление аккумуляторов/ батарей

Хотя LIB в электромобилях достигли экспоненциального прогресса в своих электрохимических характеристиках, также большое значение имеет производство LIB, поскольку оно охватывает около 25% от общей стоимости LIB [ 87 ]. В современной практике производство LIB-EV состоит из множества сложных и последовательных процессов, как показано на рисунке 4. Для начала смешивают выбранный материал для электрода вместе с проводящими добавками, связующими веществами и растворителем. Затем они наносятся в качестве влажного покрытия на токосъемник. Затем влажное покрытие высушивают в печи для удаления растворителя. Затем применяют каландрирование для обеспечения достаточной прочности связи между токосъемником и электродом. Затем электрод разрезают, где они подвергаются вакуумной сушке для удаления нежелательной влаги, которая может привести к образованию побочных продуктов фтористого водорода. Последующие процессы сварки, изоляции, формирования и старения батареи. Сообщается, что кульминация этих процессов обходится примерно в 94 миллиона долларов в год для среднего предприятия по производству LIB, использующего модель BatPac из Аргоннской национальной лаборатории [ 98 ].

Рисунок 4.

Типичный процесс производства LIB, предоставленный Лю и др. [ 99 ]. Авторские права 2021 г. в соответствии с CC BY-NC-ND 4.0.

На данный момент самые современные изменения, происходящие в отрасли производства LIB-EV, снижают стоимость этих процессов. Один из простых способов сделать это — количественно оценить индивидуальные затраты на каждый производственный процесс и определить процессы, которые имеют самые большие эксплуатационные расходы. Используя данные о производстве от Пола и др. [ 98 ], относительные затраты на каждый из процессов производства LIB-EV показаны на рисунке 5. В этом списке два самых затратных процесса связаны с покрытием/сушкой и формированием/старением, что составляет ~44,5 млн долларов США в год. В процессе сушки большая часть этих затрат связана с потреблением энергии на сушку органического растворителя с мокрого электрода с покрытием [ 99 ]. Сушка обычно завершается при высоких температурах в печи в течение длительных периодов времени. Температура будет зависеть от используемого органического растворителя [ 100 ]. В процессе формирования/старения вновь изготовленная батарея будет подвергаться зарядке низкими токами в течение трех недель для создания твердоэлектролитной интерфазы (SEI) из ионов Li, тем самым предотвращая растворение электролита электронами [ 99 ].

Рисунок 5.

Процент затрат на различные процессы производства LIB, данные получены Полом и др. [ 98 ].

Для снижения этих затрат исследуется множество новых технологий. Например, чтобы устранить необходимость в растворителях, требующих последующей сушки, были предложены покрытия без растворителей с помощью методов сухой обработки [ 101 ]. Сухие покрытия по сути наносят электродные порошки на поверхность методом электростатического распыления (EPD). EPD можно рассматривать как процесс, который использует распыление путем создания разницы потенциалов между подложкой и раствором [ 102 , 103 ]. Помимо возможности создавать электроды в два раза больше традиционных электродов [ 104 ], предполагается, что скорость сушки может быть улучшена почти на 80% [ 105 ]. С точки зрения экономии затрат это может снизить затраты с 13 984 000 до 2 796 800 долларов США на основе значений, полученных от Пола и др. [ 98 ]. Что касается этапа формирования/старения, то на данный момент альтернатив меньше. Если скорость зарядки слишком высока, образуется неоднородный слой SEI, что снижает эффективность батареи [ 106 ]. Были предложены такие методы, как зарядка импульсным током. Однако такие методы будут различаться в зависимости от химии батареи и не могут использоваться повсеместно [ 107 ]. Предлагается использовать новые методы покрытия, такие как осаждение атомных слоев или плазменно-электролитическое окисление, для создания имитирующего слоя SEI, который может эффективно сократить время ожидания старения с недель до часов.

Магазин Gtest® - поставщик литиевых батарей: https://gtest.com.ua/elementy-pitaniya/litievye-batareyki

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ...