Стремительный рост продаж электромобилей вызывает нехватку аккумуляторов. Чтобы решить эту проблему, мы должны улучшить переработку сырья, используемого в батареях, и ускорить разработку новых типов батарей.

Это кажется естественным следствием его осуждения, когда профессор Пол Норби почти бесшумно въезжает на своем электромобиле на стоянку в кампусе DTU Lyngby по пути в офис. Здесь его исследования сосредоточены на создании знаний, которые, среди прочего, могут проложить путь к созданию более качественных аккумуляторов для автомобилей.

«На мой взгляд, электромобиль решает гораздо больше проблем, чем создает», — говорит профессор.

Зеленый статус электромобилей всегда вызывал бурные споры, особенно потому, что производство аккумуляторов для электромобилей генерирует значительно больше CO ₂ , чем обычные автомобильные аккумуляторы, а добыча их сырья потенциально проблематична.

Однако анализ жизненного цикла электромобиля — от сборочной линии до свалки — показывает, что электромобили в Дании выделяют в целом значительно меньше CO ₂ , чем автомобили, работающие на бензине или дизельном топливе. Кроме того, были приняты меры для обеспечения более экологичной добычи, которая принесет пользу шахтерам и окружающей среде.

Пол Норби — лишь один из растущей группы людей, инвестирующих в будущее без ископаемого топлива, покупая электромобиль: по данным Международного энергетического агентства, в прошлом году по всему миру было продано 6,6 млн электромобилей. Это в три раза больше, чем двумя годами ранее. Фактически, среднее количество электромобилей, проданных всего за одну неделю в 2021 году, было равно общему количеству электромобилей, проданных за весь 2013 год.

Этот быстрый рост продаж приводит к нехватке аккумуляторов. Отчасти потому, что будет сложно достаточно быстро и ответственно извлекать такое сырье, как кобальт, литий, никель и графит, которые в настоящее время часто используются в батареях. И отчасти потому, что спрос на батареи, вероятно, превысит производственные мощности в течение определенного периода времени.

Давление на сырье

В исследовании, проведенном в апреле этого года, исследователи из KU Leuven в Бельгии подсчитали, что для достижения цели стать климатически нейтральной к 2050 году Европе потребуется в 36 раз больше лития и более чем в четыре раза больше кобальта, чем сейчас. Это создаст битву за ресурсы.

По словам Пола Норби, одним из способов устранения неизбежных узких мест является разработка новых и более совершенных типов аккумуляторов, в которых используется меньше сырья, которое будет наиболее востребовано.

Проблема с поставками, среди прочего, ускорит работу по поиску альтернатив литий-ионным батареям , которые сегодня используются в большинстве электромобилей и которые по-прежнему содержат примерно 10% кобальта, несмотря на попытки уменьшить его количество.

Уже были проведены обширные исследования, чтобы найти альтернативы кобальту, заменив его, среди прочего, железом или марганцем. Это приводит профессора к смелому прогнозу:

«Через пять лет в наших литий-ионных батареях не будет кобальта. Это очень смелое заявление, но именно к этому мы и движемся, потому что кобальт проблематичен во многих отношениях».

Более быстрый процесс разработки

Вес батареи, производительность и цена играют большую роль в определении того, является ли что-то интересной альтернативой популярной литий-ионной батарее. Первые два параметра помогают гарантировать, что электромобили смогут работать как можно дольше на одном заряде.

Вместе с рядом коллег из DTU Пол Норби участвует в крупнейшем и самом дорогом исследовательском проекте ЕС по аккумуляторным батареям на сегодняшний день — BIG-MAP. Их задача — разработать эффективный процесс оценки того, какие материалы являются хорошими кандидатами для разработки новых и эффективных аккумуляторов не только для использования в автомобилях, но и для перехода к «зеленому» транспорту в целом.

«Создав эффективный процесс разработки, тестирования и оценки новых материалов, мы можем значительно увеличить скорость процесса разработки материалов. Таким образом, мы объединяем теоретическое моделирование с экспериментальной работой и создаем автономный процесс машинного обучения, который позволяет нам постоянно оценивайте и решайте, по какому пути идти дальше», — говорит он.

Их работа вносит фундаментальные знания о материалах, которые имеют реальное или потенциальное применение в качестве новых или существующих материалов. Во многих отношениях это шаг, предшествующий разработке новых аккумуляторов, но это важный шаг, позволяющий избежать работы над идеями, которые в конечном итоге окажутся неэффективными.

Следующий шаг развития

По словам Пола Норби, следующим шагом в разработке новых батарей станут твердотельные батареи. В отличие от современных литий-ионных батарей, электролит (то есть соединение между положительным и отрицательным полюсами батареи) является твердым, а не жидким, и состоит из стекла, минералов или полимеров.

Несколько крупных производителей автомобилей вложили значительные средства в разработку твердотельных аккумуляторов, которые, как ожидается, будут более пожаробезопасными, заряжаться значительно быстрее и содержать в два раза больше энергии, чем имеющиеся сегодня литий-ионные аккумуляторы. Несколько автомобильных брендов объявили, что к 2025 году они рассчитывают выпустить пригодный для использования твердотельный аккумулятор.

По словам Пола Норби, самая большая мечта — иметь литий-воздушную батарею с плотностью энергии, близкой к плотности энергии ископаемого топлива, и не требующую кобальта.

«Преимущества разработки литий-воздушной батареи всегда были огромными, но получить их невероятно сложно. Если бы не огромные преимущества, которые мы можем получить, никто бы никогда не попытался это сделать».

Объединив расчеты с экспериментальной работой, исследователи DTU показали, что теоретически возможно создать литий-воздушную батарею. Однако пока что очень трудно добиться достаточной энергоэффективности, скорости зарядки и долговечности.

«Это определенно то, что может произвести революцию в технологии аккумуляторов , но до этого еще далеко, если это вообще возможно», — говорит он.

Новая жизнь старых аккумуляторов

Рециркуляция также будет играть важную роль в предотвращении нехватки сырья в долгосрочной перспективе. По оценкам вышеупомянутого исследования KU Leuven, если сейчас Европа вложит значительные средства, континент сможет покрыть 40–75% потребности в сырье для «зеленого перехода» только за счет вторичной переработки.

« Общественные дебаты оставляют впечатление, что рециркуляция начинается здесь и сейчас, но это не так. Материалы аккумуляторов перерабатываются уже очень давно. Пока это было сложно и дорого, но разработка более дешевых и эффективных методов переработки движется быстро», — говорит Пол Норби.

Данные Европарламента показывают, что в 2019 году 51% портативных аккумуляторов, проданных в ЕС, был собран для переработки, но политики ЕС работают над корректировкой правил, чтобы обеспечить более высокий уровень утилизации, в том числе аккумуляторов из хранилищ и электромобилей.

«Практически все материалы в батареях в будущем придется перерабатывать, даже если это невыгодно», — говорит профессор Норби.

Tesla и Volkswagen сообщают, что они уже могут перерабатывать более 90% материалов в своих батареях. Конечно, процесс переработки, несомненно, проще, когда речь идет о разборке 500-килограммовых аккумуляторов и сортировке их по кучам пригодного для использования сырья, чем при работе со смесью более мелких аккумуляторов, например, от мобильных телефонов и ноутбуков, которые содержат разные типы металлов в разной степени. суммы.

«Теперь мы будем получать эти большие батареи, где вы точно знаете, что в них содержится, как с ними обращались и из чего они сделаны. Это также значительно упрощает их разборку», — говорит Пол Норби.

Есть и другие способы рециркуляции аккумуляторов электромобилей: когда зарядная способность становится слишком низкой для использования аккумуляторов в автомобилях, их можно использовать для других целей, например, для хранения энергии на небольших местных заводах по производству солнечных батарей. Стопка использованных батарей может образовывать локальную единицу хранения на 10–15 лет, прежде чем потребуется разобрать батареи и снова использовать сырье.

Продлевая таким образом срок службы батарей, мы также можем выиграть время для разработки более дешевых и лучших способов переработки сырья.