В недавно опубликованном выпуске «Nature» статья под названием «Tenyearslefttoredesignlithium-ionbatteries» указала, что эволюция характеристик и цены на литий-ионные батареи замедляется. Если мы не будем увеличивать исследования на электродных материалах на основе обильного железа, меди и других материалов, масштабная разработка электромобилей будет ограничена.
Электрические автомобили нуждаются в мощных, легких и доступных батареях. Наилучший выбор - литий-ионные аккумуляторные батареи - они относительно компактны и стабильны, но они все еще слишком громоздки и дороги для широкого использования.
В течение двадцати лет производительность перезаряжаемых литиево-ионных батарей неуклонно возрастала. Емкость аккумуляторной батареи более чем в три раза увеличила запас энергии от 200 ватт-часов на литр (Вт-1) до 700 ватт-часов (Вт-1). Стоимость снизилась в 30 раз до 150 долл. За кВт-ч, но это все равно выше 100 долл. США за кВтч. Для электромобилей (50-100 кВтч) Аккумулятор достаточно прочен, но он все еще весит около 600 килограммов и занимает до 500 литров пространства.
По мере того, как традиционные технологии приближаются к основным пределам, темпы технологического прогресса замедляются. Количество заряда, которое может храниться в зазорах кристаллической структуры материала электрода, близко к теоретическому максимуму. Ожидаемый рост рынка не приводит к существенному снижению цены - рынок уже велик ,
Исследователи предупредили, что кобальт, никель и другие заменители редких металлов должны быть найдены как можно скорее, чтобы удовлетворить растущий спрос на электромобили, поскольку их дефицит подталкивает цены: за последние два года кобальт, никель и другие редкие Цена металла увеличилась в четыре раза с 22 долл. США за килограмм до 81 долл. США за килограмм. Ученым и инженерам настоятельно рекомендуется разрабатывать дешевые, обычные металлы, такие как железо и медь, поскольку производители сокращают углы и нарушают правила охраны окружающей среды и безопасности. Возможные альтернативы.
Исследователи говорят, что литий-ионные батареи работают за счет перемещения ионов лития между двумя электродами. Ток ионного разряда от анода к катоду обеспечивает питание автомобиля. Когда заряжается аккумулятор, ионы лития будут переплавляться.
В современных коммерческих батареях для электромобилей литиевые ионы удерживаются в крошечных пустотах в кристаллах, которые составляют электроды (эти кристаллы называются интеркалированными электродами). Анод обычно изготовлен из графита, а катод - из оксида металла. Материалы, используемые на электродах, особенно редкие металлы, такие как кобальт и никель, являются редкостью и дорогими.
На наш взгляд, наиболее перспективной альтернативой является использование в электроде материала преобразования. Медь, железо, фторид и кремний реагируют с ионами лития. Переходный металл в конверсионном катоде может удерживать в 6 раз больше атомов лития, чем стандартный катод. Этот материал расширяется и может удерживать больше атомов лития.
Если нет изменений, спрос будет превышать производство через 20 лет. Мы ожидаем, что цена кобальта возрастет к 2030 году, а цена на никель вырастет в 2037 году или раньше.
Автопроизводители и правительство ожидают к 2025 году выпускать от 10 до 20 миллионов электромобилей. Если для каждой автомобильной батареи требуется 10 кг кобальта, к 2025 году электромобилям необходимо 100 000-200 000 тонн кобальта в год - - Это основная часть мирового производства в мире. Также каждый год требуется 400 000-800 000 тонн никеля, что составляет 20-40% используемых сегодня металлов. Когда грузовики, автобусы, самолеты и катера переключаются на питание от батареи, им нужно больше Больше электроэнергии.
К 2050 году производство от 50 до 80 миллионов электромобилей в год потребует от 500 000 до 800 000 тонн кобальта. К 2030 году это значительно превысит текущую добычу. Аналогичным образом, к 2050 году спрос на никель будет Увеличение в 2-3 раза. К середине 1930-х годов нехватка никеля будет очевидна.
Литий-ионные батареи имеют срок службы 15-20 лет, что в три раза превышает срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов через 5-7 лет. Нефтеперерабатывающие заводы могут добывать руды низкого качества, особенно в случае повышения цен. Но более высокие затраты на переработку повысят цены. Как только мы достигнем пиковых значений, мы оценим, что цена на электромобильные батареи может возрасти более чем на 1.000. Если катоды сделаны с меньшим количеством металлов, «пики кобальта» могут быть отложены на несколько лет. Однако катодные материалы, которые используют меньше кобальта, находятся в стадии разработки, быстрее разрушаются и требуют более частой замены.
