Технологии
Li-Ion: дорого, рискованно, перспективно

Трансконтинентальный лайнер, автомобиль, не требующий заправки бензином, морской паром, мобильный телефон, вертолет – все эти непохожие на первый взгляд устройства объединяют литий-ионные батареи. В то время как предыдущее поколение аккумуляторов практически исчерпало максимум своих возможностей, литий-ионные технологии находятся лишь на старте реализации потенциала и повсеместного промышленного внедрения. Впрочем, как это часто бывает на старте, внедрение не обходится без проблем.

С того самого момента, когда человечество научилось использовать электрическую энергию, одним из самых насущных вопросов стал поиск возможностей для ее хранения. Несмотря на это, прогресс в технологиях производства электричества явно опережал развитие всевозможных аккумуляторов. Такая ситуация сохранялась на протяжении практически всего XX века, и принципиальный рывок в технологии хранения электричества произошел лишь в 1990-х годах, с появлением литий-ионных технологий.

Литий-ионные батареи основаны на выдающихся электрохимических свойствах лития, одного из самых активных металлов. Эти свойства дают возможность создавать на его основе аккумуляторы с очень высокой плотностью энергии при небольших размерах и массе. Вторичные источники энергии на основе лития имеют самое высокое разрядное напряжение и емкость. Но в чистом виде элемент крайне активен и не может быть использован в качестве электродного материала, поэтому в электротехнике применяются безопасные соединения лития. Благодаря свойствам лития литий-ионные аккумуляторы вдвое превосходят никель-металлогидридные аналоги по емкости и почти в три раза – по удельной мощности и плотности энергии. Большой ресурс, широкий температурный диапазон использования – от минус 40 до плюс 50 °C – и низкий саморазряд – 2-5% в месяц – не оставляют шансов для их никель-кадмиевых и никельметаллогидридных конкурентов.

Литий-ионные аккумуляторы изначально предназначались для использования в современной бытовой электронной технике. Это основной тип батарей в таких устройствах, как сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты. Однако постепенно область применения батарей значительно расширилась. Характеристики литий-ионных батарей позволяют широко применять их на электротранспорте, а также в качестве основного источника питания для гибридных автомобилей и электромобилей. Они также могут служить в качестве мобильных аварийных источников питания, размещенных на грузовом автотранспорте, источников бесперебойного питания для особо важных объектов, таких как метрополитены, аэропорты, железные дороги, больницы, центры хранения данных. Помимо этого, благодаря своим уникальным характеристикам литийионные аккумуляторы могут найти широкое применение в электроэнергетике: в качестве накопителей энергии, вырабатываемой альтернативными источниками, для сглаживания пиков нагрузки в энергосистемах, регулирования частоты напряжения электростанций и электросетей.

И если лидерство литий-ионных аккумуляторов в сфере бытовой электроники и электротехники неоспоримо, то вопрос использования этой технологии в других областях все еще остается открытым. Одна из основных причин такой ситуации – склонность этих батарей к нагреву и возгоранию при высоких нагрузках.

 

УСПЕХ И НЕУДАЧИ

Первой крупной жертвой горючести аккумуляторов оказался один из пионеров использования литий-ионных технологий – авиастроительный концерн Boeing, буквально нафаршировавший свою новую модель самолета Boeing 787 Dreamliner этим типом батарей. Однако аккумуляторы оказались весьма склонны к разогреву. Федеральное управление гражданской авиации США (FAA) в начале 2013 года даже было вынуждено принять решение о приостановке полетов Dreamliner после нескольких инцидентов, связанных с пожарами на этих самолетах из-за перегрева аккумуляторов. О запрете эксплуатации самолета объявили также регуляторы авиасообщения в Японии, Индии, Польше и Чили – странах, авиакомпании которых располагали такими авиалайнерами.

Однако Boeing не сдался и приступил к решению проблемы сразу в трех направлениях. В частности, компания улучшила саму технологию производства батарей так, чтобы предотвращать прорыв элементов при повышении температуры, и изменила их конструкцию с уменьшением тепловыделения. Кроме того, была усовершенствована система зарядки. И наконец, специалисты Boeing разработали новую конструкцию батарейного отсека, которая могла бы защитить самолет в случае, если отказ аккумуляторов все-таки произойдет. Пытаясь убедить американского авиарегулятора в безопасности новых батарей, Boeing провел экстремальное тестирование доработанных аккумуляторов, в котором провоцировался отказ батареи. В результате, если старые батареи были способны выдержать этот тест лишь около часа, после чего элементы теряли герметичность, появлялось возгорание, а температура повышалась до 300 °C, то новые устройства ни разу не добрались до таких температур. При отказе нарушалась герметичность лишь двух элементов без возникновения пожара. После установки новых аккумуляторов Dreamliner возобновил полеты, и проблем с батареями больше не возникало.

В Boeing 787 Dreamliner впервые в авиастроении были применены литий-ионные батареи вместо традиционных кадмиевых.

Еще одна сфера, где применение литий-ионных технологий дало качественный скачок в развитии целой индустрии – это электромобили. Поиск альтернативы топливу, полученному из нефтепродуктов, привел ученых к разработке автомобилей, использующих вместо горючего электричество. А появление литий-ионных источников питания послужило сигналом к началу нового этапа развития электромобилей и гибридов. Несмотря на ряд недостатков, этот альтернативный вид транспорта вызывает все больший интерес, и все больше ведущих автоконцернов ведет активную разработку новых моделей электрокаров. Среди них такие известные автопроизводители, как General Motors, Toyota, Hyundai, Nissan, Volkswagen и другие.

Tesla Motors – один из лидеров по продвижению автомобилей с литий-ионными аккумуляторами.Одним из лидеров по разработке, производству и продвижению электромобилей на литий-ионных батареях является американская компания Tesla Motors, создавшая первый люксовый спортивный электрокар Tesla Model S. Для обеспечения своих автомобилей источниками питания компания даже планирует построить завод по производству литий-ионных аккумуляторов полного цикла. Основатель и глава автомобильного концерна Элон Маск даже хвастается, что это будет гигантский завод, сравнимый по объемам выпуска продукции с остальными подобными предприятиями, вместе взятыми.

Один из недостатков электрокаров, препятствующий массовому распространению этих машин, – длительное время, необходимое для зарядки аккумуляторов. Так, на зарядку аккумулятора на станции уйдет порядка двух часов. Решая эту проблему, Tesla пошла сразу в двух направлениях: увеличение скорости зарядки и сервис быстрой замены разряженных батарей на новые. Конструкторы компании разработали скоростное устройство Supercharger, которое способно зарядить аккумулятор всего за один час. Однако у ноу-хау компании есть и минус – устройство не предназначено для работы от домашней сети. Зарядиться от Supercharger можно будет только на специальных зарядных станциях, которые, по задумке Tesla, будут построены на основных автомагистралях США. Одновременно на этих станциях будут оказываться услуги по замене разряженных батарей на уже готовые к эксплуатации. По словам разработчиков, ориентировочное время замены будет составлять лишь 90 секунд.

 

ПЕРСПЕКТИВЫ И РИСКИ

Несмотря на столь грандиозные планы по развитию инфраструктуры для электромобилей, Tesla несет определенные риски. Ведь бизнес, основанный на новых технологиях, – это своего рода путешествие в неизвестность, где тебя могут поджидать как многомиллионные прибыли, так и банкротство. Так, в конце 2012 года в США финансовый крах потерпела компания A123 Systems – стартап, сделавший ставку на разработки Массачусетского технологического института, – которая также производила литий-ионные аккумуляторы для электромобилей.

По мнению экспертов, причины банкротства следующие: в компании переоценили объем рыночного спроса на литий-ионные аккумуляторы, не смогли заключить ряд крупных контрактов и, кроме того, столкнулись с высокими расходами на отзыв батарей, которые были использованы в гибриде Fisker Karma.

Одним из минусов литий-ионных батарей по-прежнему остается их довольно высокая цена. Стоимость производства литий-ионных аккумуляторов варьируется от $ 400 до $ 800 за кВт . ч, однако благодаря постоянному развитию технологий снижение цены – это скорее все же вопрос времени.

Так, в Калифорнийском университете при создании батарей предложили применять кристаллы магнетита, которые, как считают ученые, являются идеальным материалом для создания дешевых наноматериалов, что, в свою очередь, позволит снизить стоимость литий-ионных аккумуляторов и сократить время зарядки. В пользу потенциального снижения цен играют и такие факторы, как увеличение масштабов производства и заинтересованность производителей сделать свою продукцию доступной для широкого круга потребителей.

Все это дает основу для более оптимистичных ценовых прогнозов. По оценкам компании Pike Research, которая специализируется на консалтинге и анализе глобального рынка «чистых» технологий, цена на батареи упадет примерно на треть уже к 2017 году – до $ 523 за кВт . ч – за счет дальнейшего совершенствования технологии производства аккумуляторов, повышения объемов поставок лития и роста объема продаж. Концерн Nissan обещает добиться снижения стоимости аккумулятора для Nissan Leaf до $ 375 за кВт . ч. А глава Tesla Motors Э. Маск заявил, что расходы на аккумуляторы могут снизиться до рекордных $ 200 за кВт . ч в самом ближайшем будущем.

 

НА ВОДЕ И В НЕБЕ

Сфера для применения литий-ионных аккумуляторов необычайно широка. Так, в Норвегии в 2015 году планируют спустить на воду электропаром. Судно, разработанное специалистами компании Siemens и норвежской судоверфи Fjellstrand, будет оборудовано двумя электродвигателями и сможет нести на борту 120 автомобилей и 360 пассажиров. В случае успеха этого пилотного проекта использование такого типа судов может быть значительно расширено.

Другой пример. Специалисты японской компании Hirobo из Хиросимы сконструировали одноместный электрический вертолет Hirobo Bit, развивающий скорость 100 км / ч. Электрический двигатель, в отличие от обычных, работает практически бесшумно, а одного заряда аккумуляторов хватает на 30 минут непрерывного полета. Вертолет, как ожидается, скоро может появиться на рынке.

Еще один электрический летательный аппарат, электросамолет e-Genius, разработанный инженерами немецкого института авиационного дизайна при университете Штутгарта, недавно установил рекорд дальности полета на одной зарядке, преодолев 404,9 километра за 2 часа 40 минут. При этом заряд батарей позволял продержаться в воздухе еще полчаса! На e-Genius установлены четыре перезаряжаемых литий-ионных аккумулятора по 56 кВт, а их общий вес составляет приблизительно 300 кг. В недалеком будущем самолет также можно будет приобрести на рынке.

Локомотивы – еще один тип машин, в которых литий-ионные аккумуляторы могут найти самое широкое применение. Так, немецкая железнодорожная компания Deutsche Bahn начала использовать дизель-электрические локомотивы для пассажирских перевозок. При этом литийионные аккумуляторы установлены на крыше поезда, что позволяет им охлаждаться во время движения. Гибридные тепловозы могут получить распространение и в России, где по заказу ОАО «РЖД» был разработан и внедрен опытный образец маневрового тепловоза SinaraHybrid с гибридной силовой установкой. Локомотив снабжен отдельным блоком интеллектуального предсказания пути, который выбирает более выгодный для конкретного участка пути источник энергии: либо дизель-генератор, либо литий-ионную батарею. Двигаясь только за счет использования энергии литий-ионных аккумуляторов, локомотив SinaraHybrid может 20 часов возить собственный вес либо один час – 2 тыс. тонн грузов.

 

А КАК ДЕЛА В РОССИИ?

Разработка российского гибридного локомотива скорее исключение в непростом продвижении литийионных технологий по бездорожью отечественной бюрократической системы. Ведь основным тормозом для их промышленного применения в нашей стране оказалась нормативная база. Точнее, ее отсутствие для новых технологий. Современные отраслевые стандарты, правила и требования прописаны под свинцово-кислотные или щелочные аккумуляторы и не предусматривают возможность использования литийионных технологий.

По мнению экспертов отрасли, для какого-либо продвижения новых систем накопления энергии в стране в первую очередь необходимо изменить документы прямого действия: правила устройства электроустановок, правила технической эксплуатации электроустановок потребителей, межотраслевые правила охраны труда, СНиПы и ГОСТы. А далее уже разрабатывать нормативные акты, которые позволят продавать электроэнергию локальным производителям, квалифицируют сетевой накопитель как генератор (или потребитель с регулируемой нагрузкой) и так далее. Также, отмечают специалисты, в РФ пока не прописаны механизмы возврата потраченных на НИОКР средств со стороны частных инвесторов, которые не имеют достаточных стимулов для ведения собственных разработок за свой счет.

Аппарат запечатывания корпусов аккумуляторов на заводе «Лиотех».Однако не все печально: несмотря на существующие препятствия, литий-ионные технологии получают все большее признание у российских промышленных потребителей. Одним из ярких примеров является компания «Лиотех» – совместное предприятие Роснано и международного холдинга Thunder Sky, – которая в конце 2011 года запустила завод по производству литий-ионных аккумуляторов высокой емкости в Новосибирской области. Проектная мощность завода составляет более 1 ГВт . ч, или примерно 1 млн аккумуляторов в год. И хотя значительная часть продукции поставляется на экспорт, в России новые батареи также постепенно начинают занимать свою нишу. Так, Роснано заключило соглашения о сотрудничестве, предполагающие внедрение и использование литий-ионных аккумуляторов в крупнейших российских компаниях, таких как РЖД и «Транснефть», «Русгидро», и после завершения технико-экономического обоснования планирует приступить к внедрению сетевых накопителей энергии различной мощности на базе литийионных аккумуляторов в изолированных энергосистемах Дальнего Востока и на арктических территориях. А Росатом задумывается о возможности использования литий-ионных аккумуляторов в сетевых накопителях электроэнергии для нужд российских атомщиков. По словам главы Роснано Анатолия Чубайса, на первом этапе в рамках сотрудничества госкорпораций можно было бы создать один опытно-промышленный образец сетевого накопителя. Понятно, что речь идет не о батарее для какого-либо энергоблока АЭС, поскольку это было бы устройство очень больших размеров, а о компактном образце.

 

НА ПОМОЩЬ ВИЭ

Масштабное развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ) – солнечных, ветряных, приливных и волновых электростанций – вообще невозможно без систем хранения электроэнергии. Однако массовое применение литий-ионных технологий в альтернативной энергетике, несмотря на явные технические преимущества, только начинается. До недавнего времени в автономных системах электроснабжения использовались в основном свинцово-кислотные аккумуляторы – как из-за более высокой стоимости их литийионных аналогов, так и из-за технологического несовершенства последних (батареи большой мощности были склонны к возгоранию). И лишь относительно недавно появились литий-ионные аккумуляторы третьего поколения, сочетающие большую мощность с безопасностью, которые и стали использовать на ВЭИ.

Так, компания SolarCity, специализирующаяся на разработке, создании и обслуживании солнечных электростанций различной мощности, в партнерстве с Tesla Motors уже запустила программу по использованию литий-ионных аккумуляторов в качестве накопителя энергии от солнечных батарей. А «Лиотех» совместно с ЗАО «Энергетические проекты» планирует выпускать гибридные энергоустановки мощностью от 1 кВт до 1 МВт, работающие с использованием ветровой и солнечной энергии для энергоснабжения автономных потребителей, не подсоединенных к единой энергосистеме.

Энергетическая компания AES запустила несколько пилотных проектов по использованию литий-ионных батарей в качестве хранилищ электроэнергии.Но вернемся к международным перспективам литий-ионных технологий. Wall Street Journal выделил несколько перспективных проектов, которые благодаря инновационным решениям могут значительно улучшить характеристики литий-ионных батарей. В числе обративших на себя внимание журналистов оказались такие новации, как технология, разработанная учеными из Южно-Калифорнийского университета, предполагающая использовать кремниевые нанопровода вместо графитовых анодов, что втрое увеличивает емкость батарей и до 10 минут сокращает время зарядки. Упомянута и компания IBM, работающая над проектом так называемых литийвоздушных батарей, которые значительно легче своих графитовых собратьев, а также разработка специалистов из Вашингтонского университета, создавших аноды из олова, что позволяет утроить емкость литий-ионных аккумуляторов и сократить время зарядки. К числу перспективных отнесена и разработка ученых из Стэнфордского университета, сконструировавших батарею, где используются покрытые серой пористые углеродные нанопровода с электролитическими добавками, благодаря которым емкость литийионных аккумуляторов может увеличиться в четыре-пять раз.

Все это позволяет предположить, что повсеместное распространение литий-ионных технологий, несмотря на реальные финансовые риски, необходимость дальнейшей технической доработки коммерческих моделей, относительную дороговизну и сохраняющуюся неопределенность относительно будущего таких отраслей, как электромобилестроение, – это все же вопрос времени. И судя по всему, в ближайшие несколько лет нас ждет много новостей об открытиях, новых разработках и прорывных технологиях, способных сделать самые смелые мечты реальностью.

 

11.04.2014

Комментарии 0

Войдите или  зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии

Справка

Элон Маск – человек, смотрящий в будущее

История главы Tesla Motors Элона Маска замечательна сама по себе. Это яркий пример человека, постоянно устремленного в будущее и, что еще важнее, способного воплощать это будущее в реальность. Свой первый успешный проект он реализовал в возрасте 12 лет, написав компьютерную игру и продав ее за $ 500. Создание системы PayPal, ставшей основным платежным средством на аукционе eBay, и последующая ее продажа за $ 1,5 млрд (доля Э. Маска составила $165 млн) сделали его по-настоящему богатым. Последующие инвестиции этот необычайно одаренный человек осуществил в Tesla Motors – компанию, выпускающую электромобили на литиевых аккумуляторах, – и SpaceX – частного разработчика серии ракет-носителей и коммерческого оператора космических систем. SpaceX уже получила признание и в декабре 2008 года получила контракт NASA на сумму $ 1,6 млрд, предполагающий 12 полетов грузового корабля Dragon на МКС.

Последний футуристический проект Э. Маска – суперскоростной вид транспорта на солнечной энергии с условным названием Hyperloop, который мог бы доставлять людей от города к городу по трубе с кабинами внутри. Эти трубы, по видению предпринимателя, будут установлены на колоннах высотой от 50 до 100 ярдов (45,7 и 91,4 метра соответственно), а скорость кабин-вагонов может достигать 800 миль в час – достаточно, чтобы добраться от Лос-Анджелеса до Сан-Франциско за 30 минут.

Солнечные панели, энергия которых будет двигать вагоны, можно, по замыслу изобретателя, расположить сверху трубы. Излишки энергии предполагается хранить – с тем, чтобы труба функционировала как днем, так и ночью.

 

Контекст

Аналитика