Пять технологий аккумуляторов, которые могут вывести электромобили за пределы литий-ионной эры

Литий-ионные батареи вряд ли исчезнут из электромобилей в ближайшем будущем. Они по-прежнему доминируют на рынке благодаря десятилетиям разработок, снижению стоимости и уже сформировавшейся производственной экосистеме.

Однако исследователи и производители аккумуляторов активно работают над альтернативными технологиями, которые позволили бы уменьшить зависимость от лития и других критически важных материалов, повысить безопасность или значительно увеличить плотность энергии. Некоторые из этих решений уже начинают переходить к серийному производству, другие пока остаются на экспериментальной стадии. Рассмотрим пять технологий, способных изменить будущее электромобилей.

1. Натрий-ионные батареи

Натрий-ионные аккумуляторы сегодня, пожалуй, являются ближайшей альтернативой литий-ионным батареям с точки зрения готовности к широкому коммерческому применению. Они работают по схожему принципу, но вместо лития используют натрий — широко распространенный и доступный элемент.

Технология уже масштабируется крупными производителями, включая CATL и BYD, а первые электромобили с натрий-ионными батареями появились в Китае.

Главный компромисс здесь — плотность энергии. Современные натрий-ионные элементы способны достигать примерно 175 ватт-час на килограмм, тогда как у наиболее совершенных литий-ионных батарей этот показатель составляет до 205 ватт-час на килограмм, а у некоторых литий-никель-марганец-кобальт-оксидных аккумуляторов — около 265 ватт-час на килограмм.

Поэтому на первом этапе натрий-ионные батареи лучше всего подходят для компактных электромобилей, городского транспорта и коммерческой техники, где максимальный запас хода не является главным требованием.

2. Твердотельные батареи

В твердотельных аккумуляторах жидкий электролит, используемый в традиционных литий-ионных элементах, заменен твердым материалом. Такая конструкция обещает повысить безопасность и потенциально обеспечить значительно большую плотность энергии, особенно при использовании литий-металлического анода.

В перспективе это может позволить увеличить запас хода электромобилей без существенного роста размеров и массы аккумуляторной батареи.

Главная проблема технологии — производство. Твердотельные элементы пока остаются дорогими и сложными в изготовлении в больших объемах. Кроме того, их преимущества ещё предстоит доказать в условиях массового производства автомобильных аккумуляторных систем.

Международное энергетическое агентство (IEA) отмечает быстрый прогресс в этой области, однако полноценная коммерциализация твердотельных батарей по-прежнему остаётся серьёзной инженерной задачей.

3. Литий-серные батареи

Литий-серные аккумуляторы способны обеспечить существенный скачок в плотности энергии, что делает их особенно привлекательными для электромобилей с большим запасом хода и более тяжелых видов электрического транспорта.

Сера — распространенный и недорогой материал, а сама химия литий-серных батарей потенциально позволяет хранить значительно больше энергии на единицу массы по сравнению с современными традиционными литий-ионными аккумуляторами.

IEA относит литий-серные батареи к перспективным технологиям, которые могут найти применение там, где требуется исключительно высокая плотность энергии, — в частности, в электрических грузовиках, судах и самолетах.

Однако серьезным препятствием остается долговечность. Современные конструкции могут иметь ограниченный ресурс циклов зарядки-разрядки и сталкиваются с рядом других технических проблем, которые пока не позволяют наладить их широкое коммерческое производство. Недавние сравнительные исследования также указывают на высокую стоимость и экологические сложности существующих литий-серных решений.

4. Магний-ионные батареи

В магний-ионных аккумуляторах литий заменяется магнием — распространенным элементом, который теоретически способен переносить два электрона на один ион вместо одного. Эта особенность потенциально позволяет создавать батареи с высокой энергоемкостью. Кроме того, магний доступнее лития, что в перспективе может снизить нагрузку на цепочки поставок сырья.

Но у технологии есть серьезная проблема: ионы магния активно взаимодействуют с материалами внутри аккумулятора. Из-за этого крайне сложно создать электроды и электролиты, которые обеспечивали бы эффективную зарядку и разрядку батареи на протяжении большого числа циклов.

Поэтому сегодня магний-ионные аккумуляторы остаются главным образом предметом научных исследований и разработок и ещё далеки от применения в серийных электромобилях.

5. Батареи на основе цинка

Цинковые аккумуляторы привлекают внимание благодаря доступности и относительно невысокой стоимости цинка, а также возможности создания более безопасных конструкций. Особенно интересны водные системы, в которых используются электролиты на основе воды.

Разрабатываются различные варианты таких батарей, включая цинк-ионные и цинк-воздушные системы. Среди их потенциальных преимуществ — более низкая стоимость материалов и меньший риск возгорания.

Главные проблемы — плотность энергии и возможность многократной перезарядки. Цинковым технологиям еще предстоит значительно улучшить свои характеристики, прежде чем они смогут конкурировать с литий-ионными батареями в легковых электромобилях, где масса и габариты аккумулятора имеют критическое значение.

Некоторые современные разработки уже демонстрируют впечатляющий ресурс циклов, однако на данном этапе большинство цинковых технологий больше подходит для стационарных систем хранения энергии, чем для электромобилей.

Скорее всего, в будущем не появится одна универсальная технология, которая полностью вытеснит литий-ионные батареи во всех видах транспорта.

Натрий-ионные аккумуляторы могут занять нишу доступных городских электромобилей, твердотельные батареи — электромобилей премиум-класса с большим запасом хода, а литий-серные технологии в перспективе способны открыть новые возможности для тяжелого электрического транспорта. Другие типы аккумуляторов, вероятно, найдут применение в специализированных сферах.

Пока литий-ионные батареи остаются технологией, которую предстоит превзойти. Но гонка за их преемником — а возможно, сразу несколькими преемниками — уже началась.