Взгляд на будущее мобильных источников энергии

Глобальный успех ученых: литий-ионные аккумуляторы

Время от времени появляются новые технологии, радикально изменяющие жизнь людей, – к их числу относится и технология литий-ионных аккумуляторов. Исходным толчком к их появлению послужил поиск в 70-х годах прошлого столетия альтернативы обычным, неперезаряжаемым элементам питания, широко использовавшимся в кассетных плеерах и другой бытовой электронике. Литий-ионные аккумуляторы с самого начала заинтересовали исследователей благодаря ряду преимуществ: высокой плотности энергии, компактной конструкции и отсутствию эффекта памяти.

Однако серьезными проблемами, с которыми предстояло разобраться ученым, являлись легкая воспламеняемость таких аккумуляторов и склонность к возникновению внутриэлементных коротких замыканий. Работа над их решением продолжается и сейчас. Но решающим прорывом стали результаты научных исследований Джона Б. Гуденафа (США), М. Стенли Уиттингема (Великобритания) и Акиры Йошино (Япония), за которые они в 2019 году получили Нобелевскую премию по химии. В 1983 году был изготовлен первый литий-ионный аккумулятор, допускавший многократный заряд, а в 1991 году компания Sony вывела эту технику на рынок. С тех пор началось неудержимое триумфальное шествие, убедительно подтверждаемое и цифрами: в 2019 году объем мирового рынка литий-ионных аккумуляторов составлял около 40 млрд евро. По прогнозам, объем рынка к 2032 году может достичь от 139,6 до 446,85 миллиарда долларов США, с ежегодным среднегодовым темпом роста (CAGR) от 14,2% до 23,33% в течение периода с 2023 по 2032 годы.

От гаджетов до крупногабаритной уборочной техники:
аккумуляторы открывают новые возможности во всех областях

Мобильные телефоны, цифровые камеры, ноутбуки или карманные фонари: в мире почти не осталось электронных устройств, в которых не применялись бы литий-ионные аккумуляторы. Главными их преимуществами перед привычными никель-кадмиевыми или никель-металлогидридными аккумуляторами являются меньшие размеры и вес при высоких значениях емкости и энергоотдачи. Эти преимущества играют важную роль и при эксплуатации электроинструментов, садовой техники, пылесосов и ряда других аппаратов бытового и профессионального назначения.

Еще одной сферой широкого применения литий-ионной технологии, обусловленного возможностью соединения отдельных аккумуляторных элементов в батареи большой емкости, являются электрифицированные средства передвижения – от велосипедов, скутеров, сигвеев и т. п. до гибридных автомобилей, электромобилей и электробусов.

Благодаря своим компактным размерам, долгому сроку службы и отсутствию необходимости в каком-либо обслуживании литий-ионные аккумуляторы находят применение даже в качестве энергоаккумуляторов в солнечных энергоустановках. Обычные для бытового использования 6000 циклов заряда-разряда соответствуют примерно 20 годам эксплуатации, т. е. практически ресурсу самих солнечных батарей.

Сегодня литий-ионные – а завтра? Перспективы развития аккумуляторных технологий

Ясно, что литий-ионная аккумуляторная технология, уже завоевавшая столь широкое распространение и послужившая основой для создания целого ряда новых беспроводных решений, пока не намерена уступать свои позиции. Однако на пути ее дальнейшего развития есть преграды. Во-первых, в ближайшие годы спрос на энергоаккумуляторы для различных средств передвижения возрастет настолько, что его вряд ли удастся удовлетворить только за счет одной, уже существующей технологии. Во-вторых, уже сейчас ставятся задачи значительного повышения энергоемкости и сокращения времени заряда, решение которых, даже несмотря на потенциал дальнейшего усовершенствования литий-ионных аккумуляторных элементов, может потребовать других подходов. И, наконец, в среднесрочной перспективе возникнут проблемы с доступностью необходимого сырья, прежде всего кобальта и лития.

Поиски альтернативных решений начались уже давно. К их числу относится, например, батарея с твердотельным электролитом вместо обычного жидкого электропроводного вещества. Такие батареи должны обеспечивать как минимум 500-километровый пробег электромобилей от одного заряда и заряжаться в считаные минуты. В настоящее время ведутся активные исследования в области необходимых для них материалов и технологий производства. Еще одним перспективным направлением является создание магниевых батарей, призванных превзойти нынешние литий-ионные в энергоотдаче и надежности при меньшей стоимости. К тому же необходимое для них сырье – магний – встречается на нашей планете в тысячу раз чаще, чем литий, и допускает более простую повторную переработку.

Везде ли необходимы аккумуляторы? Вопросы повторной переработки и охраны окружающей среды

Обратившись в заключение к серьезной теме экологии и устойчивого развития, для литий-ионной аккумуляторной технологии можно подвести следующий баланс. С одной стороны, ее применение в транспортных средствах или солнечных энергоустановках, несомненно, способствует сбережению ресурсов и охране окружающей среды. С другой стороны, наблюдается практически неограниченное расширение сфер применения аккумуляторов – их устанавливают уже в кроссовки с подсветкой, мигающие огнями джемперы или светодиодные украшения. И этот тренд, напротив, противоречит идеям разумного использования ресурсов. Критичным является и вопрос переработки отходов, поскольку существующие в настоящее время технологии не позволяют справиться с колоссальными объемами выработавших ресурс автомобильных аккумуляторных батарей.

Впрочем, в связи с прогнозируемым дефицитом и, соответственно, удорожанием кобальта и ряда других сырьевых материалов уже исследуются возможные решения проблемы повторной переработки. Например, кобальт, никель и медь можно выплавлять. Другой подход предполагает измельчение легковоспламеняемых батарей в атмосфере азота и последующее выделение из измельченного материала графита, марганца, никеля и кобальта. Повторное использование этих веществ для производства тяговых аккумуляторных батарей позволяет уменьшить эквивалентные выбросы CO₂ на 40 % в сравнении с их изготовлением из нового сырья. Существуют и многие другие варианты, преследующие единую цель – повторное использование как можно большей доли вторичного сырья с как можно меньшими энергозатратами.

Наконец, существует и еще один подход, разрабатываемый под девизом «Вторая жизнь». Он предусматривает использование выработавших ресурс аккумуляторов в качестве стационарных накопителей энергии. Дело в том, что по истечении примерно 8 – 10 лет эксплуатации аккумуляторных батарей в электромобилях снижается их энергоемкость и, соответственно, дальность пробега от одного заряда. Это заставляет заменять батареи несмотря на то, что они еще сохраняют работоспособность. Поэтому некоторые автопроизводители планируют использовать батареи c пониженной зарядной емкостью для сооружения больших стационарных энергоаккумуляторов.

Таким образом, аккумуляторные технологии развиваются по многим направлениям, и путь в будущее обещает быть захватывающим.

Kärcher и аккумуляторные технологии:

4 вопроса д-ру Яну Бекеру, менеджеру Центра энергоаккумулирующих систем

Сколько лет прошло с момента появления на рынке первой аккумуляторной техники Kärcher?

Продукты с аккумуляторным питанием, обеспечивающие пользователям очевидные преимущества беспроводных технологий, присутствуют в нашем ассортименте уже более 30 лет. Все эти годы мы тщательно анализировали, в каких именно областях применения аккумуляторная техника обеспечивает наибольшую эффективность, и занимались вопросами практической реализации новых решений.

Сейчас, в рамках концепции «Беспроводная вселенная Kärcher», на рынок выводятся две новые аккумуляторные платформы. Чему уделялось главное внимание при их разработке?

Мы учитывали целый ряд важных аспектов – от повышения энергоотдачи и времени работы от одного заряда до отображения с минутной точностью времени, остающегося до конца процесса заряда, или запаса времени работы аппарата, приводимого в действие аккумулятором. Потребителям предлагаются аккумуляторы различной емкости с напряжением 18 или 36 В. При этом все аккумуляторы каждой платформы совместимы со всеми аппаратами, рассчитанными на соответствующее напряжение питания.

А какие новые аккумуляторные продукты появятся на рынке?

В сегменте продуктов для дома и сада новая аккумуляторная техника предлагается на рынке уже с весны 2019 года. В частности, к ней относятся аппараты среднего давления, аккумуляторные хозяйственные пылесосы, а также различные садовые инструменты. Для профессиональных пользователей продажи новой аккумуляторной техники, например пылесосов влажной и сухой уборки и инструментов для ухода за зелеными насаждениями, начнутся в 2020 году. А еще стоит упомянуть недавно представленный нами первый в мире профессиональный аккумуляторный аппарат высокого давления.

Литий-ионные аккумуляторы пока еще не сдают свои позиции, но появление новых аккумуляторных технологий – лишь вопрос времени. Как реагирует на это Kärcher?

Концепция наших аккумуляторных платформ такова, что новые типы аккумуляторных элементов без проблем вписываются в существующий интерфейс. Для нас это было очень важно – ведь мы всегда стремимся предложить клиентам перспективные решения, ориентированные на будущее.