могут повысить плотность аккумуляторной батареи электромобиля и увеличить запас хода без увеличения стоимости
Идеи чистых технологий, материалы и химикаты | 30 марта 2023 г.
По прогнозам, к 2030 году электромобили (EV) будут составлять примерно одну треть всех автомобилей, продаваемых в мире, что обусловлено растущим потребительским спросом на более высокие характеристики и снижение индивидуального углеродного следа.
Лучшая производительность будет достигнута с батареями следующего поколения, которые идеально уменьшают количество критических материалов, используемых в традиционных литий-ионных батареях (LiB), например, литий, графит, никель и т. д., и ожидается, что они будут иметь меньший углеродный след , повышенная эффективность и более широкий спектр приложений. Эти батареи бывают разных химических составов, в том числе на основе кремния.
Кремниевые аноды как решение
Кремниевые аноды приобретают все большую популярность в электромобилях, но подождите! Разве они уже не в них? Да, на самом деле Tesla, бывший член Global Cleantech 100, работала над внедрением кремния в свои электромобили еще в 2015 году.
с 2021 года.
Кремний обладает относительно высокой теоретической удельной емкостью, что означает, что он содержит больше энергии в том же объеме по сравнению с графитом и другими металлическими сплавами, что приводит к увеличению производительности батареи. Тем не менее, на практике он используется только в небольших количествах (сообщается до 15%) и может привести лишь к небольшому увеличению плотности энергии.
Наблюдались экспериментальные сообщения об увеличении на 20-40% плотности энергии LiB на основе кремниевых анодов. Однако этот экспериментальный максимум исторически был непрактичен в масштабе из-за тенденции кремния расширяться и сжиматься во время литирования или цикла заряда.
Сообщается о расширении кремния более чем на 400%, что непрактично в масштабах электромобилей, учитывая ограниченное пространство в аккумуляторной ячейке, и автомобильная промышленность стремится облегчить их вес. Расширение приводит к плохой проводимости, расходу электролита и может привести к разрушению решетки кремния.
Кремний может вызвать быструю деградацию анода и сократить срок службы литий-ионных аккумуляторов — до сих пор
Последние разработки оптимизировали кремний, контролируя расширение и увеличивая его проводимость. Теперь доступны хорошо спроектированные пустые пространства с помощью надежных, масштабируемых процессов, совместимых с текущими производственными процессами (встраиваемые решения).
При переработке в микро-/нанометровые частицы кремний можно тщательно настроить с помощью полимерных и металлических покрытий, которые позволяют контролировать расширение. В некоторых случаях эти покрытия могут увеличить проводимость кремния и улучшить плотность энергии. Новаторам нравится Sila Nanotechnologies , Group14 Technologies и Ionblox — лишь несколько примеров стартапов, использующих этот подход.
Paraclete Energy может контролировать расширение кремния путем предварительного литиирования материала анода.
Предварительное литирование компенсирует потерю лития во время зарядки различными способами. Используя искусственную межфазную поверхность электролита (SEI), предназначенную для стабилизации кремния и полимерной матрицы, их кремний обеспечивает 4,4-кратную загрузку кремния и приводит к более эффективному конечному применению.
E-Magy производит высокочистые нанопористые сплавленные частицы, которые напоминают нанопроволоки, для производителей кремниевых анодов. E-Magy продемонстрировала набухание менее чем на 1%, преодолев самый значительный барьер на пути к коммерциализации.
Точно так же нанотрубки и нанопроволоки действуют как каркасы, которые позволяют частицам кремния расширяться в ограниченном пространстве, чтобы не разрушить решетку. OneD Battery Sciences и Amprius — это всего лишь пара новаторов, которые выращивают кремниевые нанопровода в сочетании с LiB на основе графита. Amprius утверждает, что их технология увеличивает плотность энергии до 50%, в результате чего запас хода достигает 547 миль.
В SiliB используются 100% кремниевые нанопроволоки в одноэтапном производственном процессе, что устраняет необходимость в графите, катализаторах, связующих веществах и любых других добавках, используемых в традиционном производстве анодов. Процесс SiliB не требует использования традиционного производственного оборудования.
Но эти новаторы не останавливаются на разработке и производстве материалов для кремниевых анодов. Amprius, StoreDot , Solid Power и Enevate — вот несколько примеров производителей компонентов, которые начали производить собственные аккумуляторы, готовые к использованию в электромобилях.
Что думают производители автомобилей?
Эти инновационные решения привлекли внимание крупных производителей автомобилей, таких как Mercedes-Benz, GM Motors, Toyota, Hyundai и Porsche. Эти игроки в автомобильной отрасли занимались разными способами: от лицензирования интеллектуальной собственности до закупки материалов, финансирования пилотных заводов, исследований и разработок и приобретений.
В 2022 году компания Sila Nanotechnologies объявила, что к середине десятилетия они будут использовать свою технологию кремниевых анодов в электрическом автомобиле Mercedes-Benz G-класса. Кроме того, дочерняя компания Porsche Cellforce Group объявили, что они будут использовать кремниевый анод Group14 Technologies в своих литий-ионных батареях для использования в электромобилях Porsche.
Правительства присоединяются к программе
Эти нововведения также привлекли внимание государственных учреждений по всему миру, стремящихся уменьшить свой углеродный след на дорогах.
- В соответствии с Законом о снижении инфляции Министерство энергетики США (DOE) инвестировало поразительные 2,8 миллиарда долларов в проекты по производству аккумуляторов в стране, включая 787 миллионов долларов в материалы для кремниевых анодов.
- Британская компания Faraday Battery Challenge в 2023 году инвестировала 33 млн долларов в технологии кремниевых анодов.
Завод по производству кремниевой анодной фольги мощностью 100 МВтч будет запущен в 2026 году.
Эти действия правительства необходимы, чтобы помочь новаторам преодолеть финансовые барьеры и обеспечить стабильность и безопасность на пути к рынку. Кроме того, участие правительства поощряет присоединение частных инвесторов. Мы ожидаем увидеть рост числа частных инвесторов, которые присоединятся, чтобы обеспечить конкуренцию и еще больше продвинуть инновации.
Продолжение инноваций в технологиях кремниевых анодов способствует революции в области аккумуляторов
Аккумуляторы Solid Power для электромобилей сочетают технологию кремниевых анодов с твердотельными батареями с сульфидным электролитом и коммерчески доступным литий-никель-марганцево-кобальтовым (NMC) катодом. Твердотельные батареи имеют еще более высокий диапазон плотности энергии, чем LiB на основе кремния, и бесконечные потенциальные области применения. Solid Power утверждает, что когда твердый сульфидный электролит сочетается с кремнием, их батареи увеличивают плотность энергии LiB на 50-100%.
Но это увеличение плотности энергии потенциально может быть улучшено за счет катодных инноваций, а это означает, что будущие поколения этих технологий с улучшенными характеристиками еще впереди. Это также указывает на то, что толчок к инновациям не должен полностью ложиться на плечи анода.
Путем усовершенствования имеющихся в продаже связующих веществ, электролитов, катодов и т. д. батареи могут быть дополнительно оптимизированы. Например, литий-металлические твердотельные батареи могут увеличить плотность энергии более чем на 150% по сравнению с традиционными LiB; однако они остаются коммерчески недоступными.
Популярность технологий кремниевых анодов будет продолжать расти, и мы увидим увеличение числа значительных инвестиций со стороны частных инвесторов. Инноваторы объявили, что они начнут проникать на рынок бытовой электроники в 2023 году и планируют интегрироваться в электромобили к 2026 году или раньше.
Мы ожидаем, что те, кто сможет вертикально интегрироваться в цепочку поставок аккумуляторов, получат преимущество и в конечном итоге выиграют у тех, кто просто лицензирует или продает анодные материалы.
Кроме того, мы ожидаем, что новаторы, которые начали оптимизировать химический состав остальных компонентов батареи в дополнение к аноду, получат дополнительный контроль над рынком.
Кто является ведущими компаниями в области экологически чистых материалов и химикатов?
О Баффе Лопесе
Аналитик-исследователь
Бафф исследовал технические решения во многих областях, включая игровые технологии, анаэробное сбраживание ТБО, производство аммиака, электрификацию нефтегазовых процессов и многое другое. Бафф получил степень бакалавра наук. по химии Техасского университета в Остине.
Люди, которые читают это, также читают…
Сельское хозяйство и продовольствие, Чистые технологии, Энергетика и мощность, Материалы и химикаты, Ресурсы и окружающая среда, Транспорт и логистика
Саша Бухари
2 недели назад
BloombergNEF: Плотность элементов литий-ионных аккумуляторов почти утроилась с 2010 г.
начало.» Дело в том, что электромобили становятся массовым явлением или выходят из стадии раннего внедрения, подпитывается увеличением плотности энергии в литий-ионных батареях и соответствующим снижением стоимости, которое происходит вместе с этим.Снимок экрана из презентации BloombergNEF.
Плотность энергии батареи — это количество энергии, которое может быть сохранено при одинаковом весе. Думайте об этом как об дальности полета, которую можно извлечь из того же 500-килограммового (1102 фунта) рюкзака. По мере увеличения плотности энергии из аккумуляторной батареи того же веса можно извлечь больше энергии. «Плотность энергии батареи продолжает улучшаться», — сказал Колин МакКеррачер, руководитель отдела передовых технологий BloombergNEF. «С 2010 года они почти утроились на уровне клеток».
Снимок экрана из презентации BloombergNEF.
Эти ошеломляющие улучшения проложили путь к электрифицированному будущему. По мере повышения плотности энергии на рынок выходят электромобили с большим запасом хода без необходимости в физически больших и тяжелых рюкзаках.
Эту тенденцию можно увидеть в Tesla Model S, которая вышла на рынок с запасом хода около 250 миль (402 км) на одной зарядке. Самая последняя модель Model S с аккумуляторной батареей Long Range Plus может проехать 390 миль (628 км) на одной зарядке. Это также можно увидеть в увеличенном запасе хода, который Nissan LEAF постоянно набирает с 2011 года, увеличившись с 73 миль (117 км) до 215 миль (346 км) в 2020 году (кстати, почти втрое).
Повышение плотности энергии позволяет добиться других значимых результатов с помощью электромобилей. По мере увеличения плотности та же самая батарея на 100 кВтч становится легче. Более легкие аккумуляторные блоки позволяют снизить расходы на перевозку и обработку по всей цепочке поставок, что еще больше снижает стоимость аккумулятора. МакКеррахер также прокомментировал цены на аккумуляторы, отметив, что цена на литий-ионные аккумуляторы в последние годы продолжает падать. Ожидается, что эта тенденция сохранится в 2020 году, при этом BloombergNEF прогнозирует снижение цены со 156 долларов за кВтч в 2019 году.
до $135/кВтч в 2020 году.
Скриншот из презентации BloombergNEF.
Сети зарядки электромобилей расширяются для поддержки небольшого, но растущего парка электромобилей. По оценкам BloombergNEF, по всему миру установлено почти 1 000 000 точек зарядки электромобилей (это один миллион), и это при том, что уровень внедрения электромобилей на развитых рынках составляет всего 2–5%. Кроме того, это игнорирует множество более простых электрических розеток, которые можно использовать для зарядки электромобиля (точно так же, как вы можете использовать для зарядки своего компьютера или телефона).
Когда дело доходит до продаж электромобилей, в некоторых странах, штатах, городах и авиарайонах отрасль впервые вынуждена стоять на своем, поскольку они начинают постепенно отказываться от стимулов для электромобилей на развитых рынках. В США Tesla и GM уже превысили порог в 200 000 автомобилей, что знаменует собой поэтапный отказ от федеральной налоговой льготы на электромобили, и вы больше не можете получить налоговую льготу, если купите Tesla здесь.
В США рынок электромобилей в основном неинтересен, за исключением Tesla. В частности, Tesla Model 3 продвинула Tesla в массовое сознание и рейтинг продаж на массовом рынке. Продажи автомобилей Tesla в США оставались стабильными с тех пор, как Tesla успешно увеличила производство своего первого доступного электромобиля в третьем квартале 2018 года. например, Audi e-tron и Jaguar I-PACE. Электромобили могут выглядеть, пахнуть и иметь окна, как автомобили внутреннего сгорания, но их сборка — это совсем другая игра. Tesla подняла планку производительности, запаса хода, стоимости, зарядки и технологий таким образом, что автопроизводители заняли оборонительную позицию.
По мере снижения стимулов к покупке электромобилей растущее давление на старых автопроизводителей также исходит от городов и штатов, которые настаивают на введении жестких запретов на использование автомобилей с ДВС в городских центрах в ближайшие 10–20 лет. Эти косвенные правила не только заставляют автопроизводителей выводить на рынок жизнеспособные автомобили с подключаемым модулем, но и вызывают изменения в поведении потребителей, поскольку люди смотрят на будущую стоимость перепродажи и полезность автомобилей, приобретаемых сегодня. На самом деле, как мы сообщали вчера вечером, Tesla Model 3 сохраняет свою стоимость лучше, чем любой другой автомобиль в США — намного. Это будет только увеличиваться по мере того, как все больше городов будут серьезно относиться к продвижению электромобилей и дестимулированию транспортных средств, загрязняющих окружающую среду.
«Политика города становится важной движущей силой и меняет глобальный автомобильный рынок», — сказал МакКеррахер.
Глобальные тенденции явно связаны с электромобилями, но увеличение масштаба раскрывает более тонкую историю. Китай наращивает долгосрочные цели по закупкам электромобилей, при этом во многих городах уже продается больше электромобилей, чем во многих европейских странах. США по-прежнему отстают, с регрессивным правительством, которое, похоже, намерено вместо этого наступить на ускоритель выбросов, отменяя регулирование, как будто оно выходит из моды.
Для электромобилей все еще рано, но резкое увеличение производства и соответствующие показатели продаж также поддерживают впечатляющие исследования и разработки в области технологии аккумуляторных батарей. Это, в свою очередь, еще больше снижает затраты, катализируя всплеск продаж. Будущее выглядит светлым, поскольку конец электромобилей также знаменует собой начало конца зависимости человечества от ископаемого топлива.
Подпишитесь на ежедневные обновления новостей от CleanTechnica по электронной почте. Или следите за нами в Новостях Google!
У вас есть совет для CleanTechnica, вы хотите разместить рекламу или предложить гостя для нашего подкаста CleanTech Talk? Свяжитесь с нами здесь.
Электрификация промышленного тепла для производства стали, цемента и других материалов
Я не люблю платный доступ. Вам не нравится платный доступ. Кто любит платный доступ? Здесь, в CleanTechnica, мы на какое-то время внедрили ограниченный платный доступ, но он всегда казался неправильным — и всегда было сложно решить, что мы должны оставить там.
