​Цели развития и мифы о технологии аккумуляторных батарей. Отвечате Mercedes-Benz.

-
12:47
67
​Цели развития и мифы о технологии аккумуляторных батарей. Отвечате Mercedes-Benz.

Батарейная система является, пожалуй, наиболее важным компонентом аккумуляторных электромобилей. Наряду с получением максимально возможной плотности энергии, такие аспекты, как безопасность, вес и устойчивость, играют решающую роль.

Профессор д-р Андреас Хинтеннах (Andreas Hintennach) является руководителем отдела исследований аккумуляторных элементов в компании Daimler. Он не только объясняет основы современных литий-ионных элементов, но и рассказывает о том, у каких технологий будущего есть реальные шансы.

Батарейная система является ключевым элементом электрической мобильности. Каждый день в компании Daimler специалисты различных дисциплин занимаются всеми аспектами этой технологии хранения, от фундаментальных исследований до зрелости производства. Требования сложны и варьируются в зависимости от области применения. Причина этого заключается в том, что 48-вольтовые гибриды мягкого типа, гибриды со штекерными разъемами и чисто электрические трансмиссии требуют различных направлений развития. Чтобы держать эту горячо обсуждаемую тему в поле зрения, Андреас Хинтеннах в ходе цифрового круглого стола ознакомил представителей СМИ с техническими принципами, а также с целями разработки и исследований Daimler.

Профессор Хинтеннах (Hintennach), вы работаете над исследованиями и разработками аккумуляторов - актуальной "горячей" темой с точки зрения электронной мобильности. Как компания "Mercedes-Benz" решает эту тему?

Аккумуляторная техника является ключевым элементом электрической мобильности и не готовым продуктом, а неотъемлемой частью архитектуры автомобиля. Поэтому мы охватываем все этапы от фундаментальных исследований до зрелости производства. Наша деятельность включает в себя непрерывную оптимизацию текущего поколения литий-ионных аккумуляторных систем, дальнейшее развитие имеющихся на мировом рынке элементов и исследования аккумуляторных систем нового поколения. Но, конечно же, есть и другие области, связанные с батареями для электромобилей. Мы также работаем над системой управления аккумуляторами, которая представляет собой сложный компьютер, который вы всегда можете усовершенствовать. Тепловое управление также является важной темой. Оно отвечает за срок службы, а также производительность аккумулятора. Вы должны действительно понимать механизм технологий, чтобы иметь возможность принимать правильные решения.

На чем вы в настоящее время сосредоточены?

В то время как наша совершенно новая модель EQC выводится на рынок, мы готовим путь для следующих поколений мощных батарейных электромобилей. Литиево-ионные батареи - наиболее распространенный тип, используемый сегодня в электронике и электромобилях. В ближайшие годы эта технология будет продолжать задавать темп - но впереди нас ждет нечто большее. Что касается исследований и разработок, то мы следуем нескольким конкретным руководящим принципам. Мы последовательно работаем над инновациями и альтернативами, выходящими за рамки литий-ионных - не в последнюю очередь в отношении плотности энергии и времени зарядки, но также и в отношении устойчивости. Например, мы договорились о партнерстве с компанией Farasis Energy (Ganzhou) Co., Ltd. с целью применения целостного подхода по всей цепочке создания стоимости: часть аккумуляторных элементов для следующего поколения автомобилей нашего бренда EQ-продуктов и технологий уже должна производиться со 100-процентным использованием электричества из возобновляемых источников энергии.

Наша компетенция в области технологической оценки материалов и элементов, а также в области научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ постоянно расширяется.

То есть это больше, чем просто увеличение кВт/ч на батарею?

Разумеется, энергетическая ёмкость имеет большое значение. Но это еще не все: безопасность для нас является решающим фактором. Существенные изменения, связанные с этим, могут позволить получить более высокую емкость - но с компромиссами в плане безопасности. Для нас об этом, безусловно, не может быть и речи. Мерседес-Бенц должен быть эталоном, когда речь заходит о безопасности, и это относится и к его аккумуляторной батарее. Одним из наших руководящих принципов развития является также гибкость: в компании Daimler существует множество вариантов корпусов для аккумуляторных батарей, от "умных" до "Mercedes-Benz" легковых и фургонных автомобилей - автобусов и тяжелых грузовиков - и, наконец, от гибридов с низким напряжением 48 вольт до вставных гибридов и чисто электромобилей. И, конечно же, решения, которые мы придумываем, должны быть устойчивыми.

Насколько важна устойчивость в развитии?

Устойчивость стала основным принципом любой деятельности компании Daimler в области развития. Поскольку производство транспортных средств, естественно, требует большого количества сырья, одним из направлений нашей деятельности в области развития является минимизация потребности в природных ресурсах, а также повышение прозрачности на начальном этапе. В ходе разработки мы создаем концепцию для каждой модели автомобиля, в которой все компоненты и материалы анализируются на предмет их пригодности для использования в условиях круговой экономики. Что касается аккумуляторов, то эта концепция уже используется для фундаментальных исследований, в которых драгоценные материалы могут быть заменены, минимизированы или использованы более эффективно. Более того, уже с самого начала учитывается пригодность к переработке. Таким образом, производство батарей становится частью целостного подхода - замкнутого цикла, так называемой круговой экономики.

Каково воздействие электромобилей на окружающую среду? Электрические двигатели оказывают заметно меньшее влияние, чем двигатели внутреннего сгорания, когда речь заходит о производстве.

Производство двигателей внутреннего сгорания за последние 133 года неуклонно улучшается. Аккумулятор и топливный элемент, с другой стороны, в настоящее время начинают работать с большим количеством выбросов из-за возросшей потребности в энергии. Однако, с точки зрения эксплуатации они оба гораздо эффективнее. И это окупается в долгосрочной перспективе. Даже если мы не заряжаем их с помощью нейтрального электричества CO₂, автомобили, работающие на батареях, в течение своего жизненного цикла производят примерно на 40% меньше выбросов, чем автомобили с бензиновыми двигателями, и на 30% меньше, чем автомобили, работающие на дизельном топливе. И в этих подсчётах не учитывается даже наша цель CO₂ по сокращению производства к 2039 году и по переработке сырья, которое будет включено в производственный цикл в будущем. И то, и другое еще больше повысит экологичность наших автомобилей и тем самым внесет вклад в нашу "Ambition2039". Сегодня наши автомобили уже на 95 % восстановлены.

Сколько времени пройдет до создания рынка вторичного сырья?

Через восемь-десять лет появится значительное количество автомобильных аккумуляторов, которые можно будет перерабатывать. Затем, в частности, будут переработаны кобальт, никель, медь, а позже и кремний. Мы уже очень хорошо подготовились, и есть процессы, а также возможности для возврата вторичного сырья в производственный цикл. В настоящее время мы делаем это с помощью наших тестовых батарей. Создание функционирующего рынка вторичного сырья для Европы имеет большое политическое значение, так как в Европе практически нет первичных источников. Но мы, конечно же, делаем все возможное, чтобы батареи работали как можно дольше.

Какие материалы используются в батарее?

С литий-ионной технологией структура ячейки всегда похожа, независимо от того, является ли это сотовый телефон или батарея EV. Всегда есть два металлических листа, таких как медь и алюминий. Между металлическими листами находятся два полюса с катодом и анодом, среди которых происходит электрическая реакция. Для реакции требуется реактивный металл, например, литий. Самым большим стоимостным фактором является состав катода, то есть положительный полюс батареи. Он состоит из смеси никеля, марганца и кобальта. Анод сделан из графитового порошка, лития, электролитов и сепаратора.

И где играет вышеупомянутый кремний?

В будущем кремний в значительной степени заменит графитовый порошок. Это позволит увеличить плотность энергии батарей примерно до 20-25 %. Кремний позволяет нам использовать материалы со стороны катода, которые не совместимы с используемым в настоящее время графитом. Представьте себе два стакана. Если вы хотите налить воду из одного в другой, то второй должен быть как минимум такого же размера, чтобы он не переливался. Аналогично, анод и катод должны гармонизировать, что мы называем "балансировкой". Однако для повышения скорости зарядки также используется кремний.

Важный признак: Кобальт часто ассоциируется с нарушениями прав человека и нанесением ущерба окружающей среде в связи с его добычей, особенно когда он поступает из Демократической Республики Конго. Что делает Даймлер в связи с этим?

Мы разработали подход, направленный на то, чтобы наши поставщики соответствовали нашим требованиям в отношении устойчивого развития, и при этом стремимся достичь большей прозрачности в цепочке поставок. С этой целью мы привлекли аудиторскую компанию для уточнения и мониторинга каждого этапа цепочки поставок кобальта в соответствии со стандартами ОЭСР. Ведь электромобильность является по-настоящему устойчивой только в том случае, если сырье добывается в экологически рациональных условиях.

Другая стратегия заключается в замене кобальта на другие, менее критичные материалы ...

Мы проводим исследование. С нынешним поколением аккумуляторных элементов нам уже удалось снизить долю кобальта в активном материале (никеле, марганце, кобальте, литии) примерно с трети до менее чем 20%. В настоящее время в лаборатории мы работаем с менее чем десятью процентами, и в будущем эта доля будет снижаться еще больше. С химической точки зрения существует множество аргументов в пользу полного отказа от кобальта. Чем больше сокращается смесь материалов, тем легче и эффективнее ее переработка. Энергия, необходимая для химического производства, также снижается, так как смесь легче производить.

Что заменит кобальт и другие материалы, такие как литий?

Это материалы, которые в основном основываются на марганце - сырье, которое с экологической точки зрения менее проблематично и с которым легче работать. Для марганца уже существуют отличные перерабатывающие предприятия, так как он десятилетиями используется в виде щелочных батарей (неперезаряжаемых батарей). Задача исследователей состоит в том, чтобы сделать этот тип аккумуляторов заряжаемым. Мы ожидаем, что технология будет готова к выходу на рынок во второй половине 2020-х годов. Другой альтернативой является литиево-серная батарея. Сера - это промышленные отходы, которые практически не требуют никаких затрат, очень чисты и могут быть легко переработаны. Она создает значительные проблемы с точки зрения плотности энергии, но в то же время обладает непревзойденным экологическим балансом. Однако для того, чтобы эта технология стала доступной для легковых автомобилей, могут потребоваться годы.

Литий также является предметом критики. Может ли это сырье также быть заменено?

Может. Магниево-серная батарея, например, не содержит лития. Мы знакомы с магнием из повседневной жизни в виде мела. Большим преимуществом является то, что он свободно доступен. Швабский Альб, например, полностью состоит из меловой части. Тем не менее, наши исследования в настоящее время находятся в лабораторной стадии.

Значит, альтернативы литий-ионной батарее в настоящее время нет?

Есть, в некоторых приложениях. Есть даже технологии, которые превосходят литий-ионную батарею. К ним относится полупроводниковая батарея, которую мы будем использовать в нашем городском автобусе Mercedes-Benz eCitaro во второй половине 2020-х годов. Технология имеет очень длительный срок службы, а также не содержит кобальта, никеля и марганца. Однако его энергетическая плотность ниже, что делает его относительно большим и медленным в зарядке. Поэтому она хороша для коммерческого транспорта, но не для легковых автомобилей. Литий-ионная батарея будет с нами еще долгие годы.

Каким будет следующий "священный грааль"? Твердотельные батареи - это будущее?

Нет ни одной пост-литиево-ионной технологии. Будь то элементы с твердотельными электролитами, литий-металлические аноды или системы с литиевой серой - все технологии отличаются своими специфическими требованиями к материалам, областью применения и не в последнюю очередь уровнем зрелости. Каждая технология имеет свои специфические плюсы и минусы. Хорошая новость заключается в том, что существует множество путей, которые снижают риск потенциального тупика в развитии. Еще не за горами - но и не очень далеко находятся батареи, в которых графитовое покрытие анода может быть заменено новыми материалами, такими как литий-металлическая фольга или кремниевый порошок. Оба они значительно увеличивают плотность энергии. Это приводит к увеличению дальности действия и даже может поддерживать быструю зарядку. Все полупроводниковые батареи имеют большие преимущества, когда речь заходит о безопасности, но мы все еще работаем над быстрой зарядкой и более длительным сроком службы, прежде чем мы сможем сказать "это технология, которую мы должны принести в дорогу сейчас" в отношении наших легковых автомобилей.

И что будет дальше по дороге?

Литий-сера - одна из возможных альтернатив. Замена никеля и кобальта современных батарей серой значительно повысит экологическую устойчивость. Плотность энергии также имеет большой потенциал, но срок службы еще невелик, и пройдет некоторое время, пока не произойдет прорыв в этой области. В литиево-воздушных батареях действительно есть только литий. Остальное - кислород - просто исходит из воздуха. Химически это понятие похоже на то, что есть в топливном элементе, где мы используем водород. Плотность энергии была бы выдающейся - но эта технология все еще достаточно далека от совершенства.

С вашим исследовательским автомобилем VISION AVTR вы продвинулись на шаг дальше, далеко завтра. Является ли технология органических батарей действительно вариантом?

С VISION AVTR компания Mercedes-Benz представляет экологичное видение мобильности без выбросов вредных веществ - в том числе и в сфере технологий вождения. Впервые революционная технология аккумуляторов состоит из органических элементов на основе графена и, таким образом, не использует редкие, токсичные или дорогие материалы, такие как металлы. Это делает электронную мобильность независимой от ископаемых ресурсов. Абсолютной революцией является 100%-ная пригодность к переработке путем компостирования благодаря своей материальности - яркий пример будущей круговой экономики в сырьевом секторе. Наряду с экспоненциально высокой плотностью энергии, технология поражает своей исключительной способностью к быстрой зарядке. Органические батареи в настоящее время являются частью наших фундаментальных исследований. Пройдет еще несколько лет, прежде чем она будет установлена в автомобилях Mercedes-Benz - но потенциал есть!

География:
  • Германия
RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...