Чем можно заменить литий
Перейти к содержимому

Чем можно заменить литий

  • автор:

Какие есть альтернативы литий-ионным батареям?

Новости об изобретении новых технологий хранения энергии появляются практически ежегодно. Но широкого распространения ни одна из них пока не получила. Хотя многие варианты могут составить хорошую конкуренцию традиционным литиевым аккумуляторам и со временем заменить их полностью.

Какие есть альтернативы литий-ионным батареям?

Перспективные аналоги Li-Ion батарей

В настоящее время многие коллективы исследователей занимаются разработкой новых технологий хранения энергии. Хотя их изобретения и не могут составить конкуренцию нынешним аккумуляторам, в будущем одна из таких технологий вполне может «выстрелить» и занять их место. К наиболее интересным относятся:

  • Литий-кобальтовые батареи. Способны выдерживать до тысячи циклов перезарядки, отличаются высокой энергоемкостью (до 200 Вт·ч/кг). Пока что их использование ограничено отдельными мобильными устройствами основное требование к которым – длительная автономная работа при минимальном весе. Связано это с достаточно высокой ценой таких батарей.
  • Литий-марганцевые. Разрабатывались параллельно с технологией Li-Ion, но не получили такого широкого распространения. Отличаются низким внутренним сопротивлением, что позволяет значительно увеличить силу отдаваемого тока. Используются в электроинструментах и других устройствах требовательных к силе тока.
  • NMC. Сочетают в себе кобальт, никель, марганец, что позволило заметно улучшить характеристики в сравнении с обычными Li-Ion аккумуляторами. К тому же способны выдерживать более 2000 циклов зарядки. В связи с отличными характеристиками широко используются в производстве электромобилей.
  • Железо-фосфатные. Отличаются высокой безопасностью, способны выдержать большой уровень перезаряда без повреждения. Но энергоемкость таких аккумуляторов невелика, поэтому широкого применения пока эта технология не нашла.

Ведутся разработки и множества других аналогов литий-полимерным батареям, например, устройства на основе графена. Но перспектива их распространения пока очень далека, большая часть разработок находятся в лучшем случае на стадии создания лабораторных прототипов. Тестирование батарей происходит с помощью специальных станций — https://ilpa-tech.ru/produktsiya/testirovanie-batarej-stantsii-testirovaniya

Альтернативные технологии запасания энергии

Наиболее перспективной альтернативой является выработка электричества прямо в устройстве, например, в топливной ячейке, работающей на метаноле либо водороде. Попытки внедрения такой технологии предпринимались в начале 2000-х, но успеха не имели.

Еще одно интересное направление – прозрачные солнечные панели. Хотя КПД у них невысок, как и количество вырабатываемой энергии, их можно использовать в качестве замены обычного стекла, что может сделать их неплохим дополнительным источником питания.

Коаксиальные кабели: применение и характеристики

Онлайн казино и Мелбет слоты для начинающих игроков

Поймай улыбку фортуны – заходи на официальный сайт онлайн казино GGpoker и получи массу удовольствия!

Обзор официального сайта онлайн-казино Мостбет

Лазерная коррекция зрения в Красноярске

Сможет ли натрий стать заменой литию в батареях электромобилей

Фото: Unsplash

Натрий-ионные аккумуляторы экологичнее и дешевле литий-ионных, но вместе с низкой стоимостью ниже и их эффективность. Разбираемся, когда натриевые батареи выйдут на рынок и будут ли они применяться в электромобилях

Об эксперте: Антон Скибин, директор по направлению «Электроэнергетика» Кластера энергоэффективных технологий Фонда «Сколково».

С развитием технологий растет и потребность в эффективных и мощных батареях. Ключевым компонентом для питания устройств от смартфонов до электромобилей остается литий. В России вопрос обеспечения сырьем стал еще острее, поскольку Аргентина и Чили, на границах которых находится более половины мировых запасов сырья, приостановили поставки. Пока у России есть запасы лития, но, чтобы избежать дефицита в будущем, планируется начать промышленную добычу металла. Закрыть потребности за счет внутреннего производства возможно будет, по оценкам экспертов, к 2030 году. Так, «Росатом» и «Норникель» готовят к освоению перспективное Колмозерское месторождение в Мурманской области. Помимо этого, в стране разрабатываются и альтернативные технологии.

Натрий или литий?

В течение последних двух десятилетий литий-ионные аккумуляторы являются одними из лучших типов батарей и пользуются большим спросом. Их выбирают из-за высокой плотности энергии (они могут выдавать 100–300 Вт⋅ч/кг, что больше по сравнению с аналогами), минимального саморазряда (4–6% за месяц, 10–20% за год), легкого веса, запаса рабочих циклов разряда-заряда (более 1000) и других преимуществ.

Однако литий — дорогостоящий щелочной материал, и его запасы по всему миру ограничены. Поэтому основная проблема литий-ионных батарей — растущий спрос, который все сложнее удовлетворять. В связи с развитием электротранспорта уже сейчас требуются более доступные и дешевые технологии накопления. Именно поэтому сегодня так активно обсуждается идея о массовом производстве натриевых батарей, которые не смогут полностью заменить литий, но станут возможной альтернативой.

Натрий — широко распространенный металл. Его стоимость значительно ниже, чем лития, что делает натриевые батареи потенциально рентабельнее. По мнению ученых, они менее подвержены тепловому выходу из строя и экологичны, поскольку изготовлены из более распространенных и менее токсичных материалов. Однако сейчас натрий-ионные аккумуляторы демонстрируют плотность энергии всего 120–160 Вт⋅ч/кг и без улучшений не смогут составить конкуренцию литий-ионным. Последние хоть и выше в цене, но могут обеспечивать большое количество стабильных циклов и долгое время выполнять свою прямую задачу. Плотность энергии — одна из важных характеристик для электромобиля. Для сравнения: известный всем бензин имеет самые высокие показатели — более 5 тыс. Вт⋅ч/кг. Помимо этого, существует еще много теоретически возможных накопителей, например металл-воздушные батареи, по которым удельная емкость оценивается до 3 тыс. Вт⋅ч/кг.

Фото:Unsplash

Выход накопителей на рынок

На снижение стоимости и появление альтернативных накопителей влияют исследования, изобретения, научная и техническая доработки. Показательный пример — свинцовые батареи, которые существуют более 150 лет. Сегодня технология отлажена, построены заводы и спрос на свинцовые батареи удовлетворен. Литий-ионным аккумуляторам потребовалось 40–50 лет, чтобы выйти на рынок. У натриевых батарей в этом плане есть преимущество. Технологию уже в течение 10–15 лет активно обсуждают в научных и лабораторных кругах. При этом базовая архитектура батареи не меняется — ученые используют наработки и подходы предыдущих лет.

Однако для изготовления натрий-ионных аккумуляторов необходимо подбирать оптимальные материалы, чем сегодня и занимаются российские ученые. Так, в прошлом году в своем исследовании специалисты из Сколтеха и МГУ впервые описали, синтезировали и испытали новый катодный материал, который увеличивает на 10–15% энергоемкость натрий-ионной батареи. Кроме того, благодаря этому материалу аккумуляторы смогут работать при низких температурах, что актуально для России. Также проводятся независимые исследования. Все это влияет не только на скорость появления натрий-ионных накопителей, но и на конечную стоимость батареи.

Следующий важный шаг — появление компаний, которые внедряют технологии в прототипы и проводят тесты. Дальше это должно перейти в полусерийные производства. То есть на основе химической системы будут создаваться продукты и будет появляться понимание, как это работает и полезна ли новая система, например, для электромобилей. Сейчас на уровне результатов из лабораторий пока сложно оценить, насколько эффективен натрий-ионный аккумулятор и где его точно будут применять.

Так выглядит литий-ионная батарея электромобиля

Перспективы появления натрий-ионной батареи

Нельзя однозначно сказать, что натриевые батареи станут лучшей из альтернатив для электромобилей. Возможно, для создания подходящего аккумулятора ученые задействуют все стабильные химические системы накопления. Чтобы технология считалась стабильной, нужно учитывать три фактора. Первый — достигнут ли предел параметров. Например, литий-ионные аккумуляторы долгое время широко не применялись, потому что специалисты продолжали повышать емкость батареи. Первые системы выдавали всего лишь десятки Вт⋅ч/кг, позже показатель увеличился до ста. Сегодня речь идет уже о повышении емкости до 300 Вт⋅ч/кг, но это пока что предел.

Второй важный фактор — предсказуема ли цена, доступна ли система на разных рынках. Пока натрий-ионная система не стабилизируется с точки зрения цены, массово применяться она не будет. При этом такая батарея может быть дешевле или дороже аналоговых литий-ионных аккумуляторов. Все зависит от применяемых технологий.

И третий фактор — наносят ли натрий-ионные батареи критический ущерб экологии. Ученые должны предложить эффективный способ переработки аккумулятора или варианты его повторного использования. Также важно понимать, наносит ли вред окружающей среде получение исходных материалов для изготовления батареи и выделяются ли опасные вещества при ее работе. Помимо этих трех факторов существует еще много вопросов, которые необходимо исследовать. Только после получения всех ответов станет понятно, заменят ли натрий-ионные аккумуляторы литий-ионные или займут место одной из альтернатив.

Российские ученые нашли дешевую и надежную замену литиевым аккумуляторам

Ученые из России разработали технологию использования натрия вместо лития в аккумуляторах. Они смогли добиться схожей емкости АКБ, что делает технологию весьма перспективной на фоне того, что натрий дешевле лития вследствие более широкого его распространения. Кроме того, батареи на его основе намного более стабильны в сравнении с литиевыми.

Достойная замена литию

Российские ученые нашли возможную альтернативу литию для использования в современных аккумуляторах. Команда отечественных специалистов из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН совместно с иностранными коллегами из Центра им. Гельмгольца в Дрезден-Россендорфе (Германия) под руководством профессора Центра Аркадия Крашенинникова нашла способ замены этого щелочного металла на другой – натрий.

Как сообщили CNews представители «МИСиС», использование натрия в элементах питания выгодно тем, что он представлен на Земле в значительно большем количестве, чем литий – к примеру, он есть даже в обычной поваренной соли. При этом его использование в АКБ не приведет к значительной потере емкости в сравнении с батареями на основе лития, который, к тому же, за счет ограниченных запасов этого металла, стоит заметно дороже натрия.

Как натрий работает в аккумуляторах

В ходе исследований российские ученые выяснили, что для достижения схожей с литиевым аккумулятором емкости при использовании натрия нужно «уложить» атомы элементов определенным, многослойным способом. Они экспериментировали с трехслойной структурой – слой атомов натрия сверху и снизу был закрыт слоями графена – перспективного материала, представляющего собой двухмерную решетку из атомов углерода.

batt601.jpg

Разница между однослойной и многослойной структурами АКБ

Особенный способ укладки атомов натрия заключается в их расположении в несколько слоев, находящихся один над другим. Подобная структура достигается за счет перехода атомов из металла в пространство между двумя листами графена под высоким напряжением, что имитирует процесс заряда аккумулятора. Получается своего рода «сэндвич» из слоя углерода, двух слоев щелочного металла (натрия) и дополнительного слоя углерода.

При такой структуре емкость аккумуляторов, по словам специалистов, становится схожей с емкостью стандартных литиевых батарей – 335 мАч/гр у натриевых (мАч на один грамм вещества) против 372 мАч/гр у литиевых

Надежность натриевых АКБ

Эксперименты по использованию натрия в элементах питания показали, что увеличение количества слоев не приводит к дестабилизации всего аккумулятора. Если бы вместо натрия применялся литий, эффект был бы прямо противоположный – чем выше число слоев, тем хуже была бы стабильность.

batt602.jpg

Авторы новой технологии натриевых аккумуляторов не сомневаются в ее эффективности

«Долгое время считалось, что атомы лития в аккумуляторах могут располагаться только в один слой, в противном случае система будет нестабильна. Несмотря на это недавние эксперименты наших коллег из Германии показали, что при тщательном подборе методов можно создавать многослойные стабильные структуры лития между слоями графена. Это открывает широкие перспективы к увеличению емкости таких структур. Поэтому нам было интересно изучить возможность формирования многослойных структур с другими щелочными металлами, в том числе и с натрием, при помощи численного моделирования», – отметил научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Илья Чепкасов, один из авторов исследования с использованием натрия в аккумуляторах.

Слова Ильи Чепкасова подтвердил его коллега Захар Попов, старший научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» и ИБХФ РАН. Он добавил, что, несмотря на тот факт, что атомы лития гораздо сильнее связываются с графеном, увеличение числа слоев лития приводит к меньшей стабильности. В случае натрия наблюдается обратная тенденция – рост числа слоев этого металла приводит к росту стабильности таких структур.

Преимущество натрия над литием при использовании в элементах питания признал даже сам Джон Гуденаф (John Goodenough), создатель литий-ионной батареи и лауреат многих престижных премий. Весной 2017 г. совместно с группой исследователей из Техасского университета США он разработал технологию твердотельного аккумулятора с повышенной плотностью энергии. Новый тип батарей выдерживает температур до -60 градусов Цельсия, не взрывается от перегрева или повреждения оболочки, а при утилизации не вредит окружающей среде. Для накапливания энергии в такой батарее вместо лития используется натрий, который можно добывать даже из морской воды.

До отказа от лития еще далеко

На момент публикации материала разработка натриевых аккумуляторов находилась на стадии подготовки к созданию экспериментального образца, который в дальнейшем будет изучаться в лабораторных условиях. Притом выполнять эти работы будут иностранные коллеги российских ученых – из Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф.

batt600.jpg

Несмотря на обилие альтернативных технологий, литиевые аккумуляторы по-прежнему используются повсеместно

Между тем, сроки начала распространения новых АКБ, даже примерные, специалисты не называют. Технология Джона Гуденафа, даже по прошествии более трех лет с момента анонса, тоже пока не применяется в производстве батарей.

Другая разработка «МИСиС»

В августе 2019 г. специалисты «МИСиС» разработали еще одну альтернативу литиевым элементам питания. Как сообщал CNews, они придумали принцип использования растения «борщевик» при производстве электродов для суперконденсаторов (СК). Созданная ими технология была протестирована в лабораторных условиях, и эксперимент завершился успехом.

По задумке ученых из МИСиС, в качестве сырья для производства электродов суперконденсаторов должны использоваться только стебли борщевика. Для их превращения в углеродный материал, а затем и в электроды они подвергаются обработке по особой технологии, включающей в себя ряд этапов, к примеру, обработку в соляной кислоте и насыщение углекислым газом.

Отечественный рынок инфраструктурного ПО: что имеем и куда идем?
Импортонезависимость

Автопроизводители пытаются заменить литий в аккумуляторах электрокаров

Производство лития для литиево-ионных аккумуляторов в мире явно не догоняет производство электрокаров, являясь к тому же дорогим и экологически грязным процессом. Автопроизводители предлагают альтернативу

—>

Китайское совместное предприятие, в котором участвует Volkswagen, представило автомобиль, в аккумуляторах которого вместо дорогого и дефицитного лития используется дешевый и распространенный натрий. Насколько перспективной может быть эта разработка?

Автомобиль бренда Sehol, который принадлежит совместному китайскому предприятию по производству электромобилей Volkswagen Anhui и JAC Motors — это небольшой автомобиль, вроде малолитражки. Его главная особенность — это натриево-ионная батарея от производителя аккумуляторов Hina Battery. Тестовый образец имеет запас хода в 250 километров. Вроде, немного, но для города вполне достаточно. Конечно, натрий-ионные батареи имеют меньшую емкость. Зато компоненты для них в 50 раз дешевле и экологичнее. И при этом натрий, в отличие от лития можно добывать в избытке из простой морской воды или каменной соли. Это направление, которым в последние годы занимаются многие крупные производители и в разной степени все они добились того или иного успеха, говорит главный редактор журнала «За рулем» Максим Кадаков:

Максим Кадаков главный редактор журнала «За рулем» «Натрий-ионными аккумуляторами серьезно занимаются в Корее, несколько компаний занимаются этим в Китае. Натриевые аккумуляторы интересны. Прежде всего, более доступным и более дешевым сырьем. Натрий дешевле лития раз в 50 или 100. Кроме того натриевые батареи терпимее относятся к полному разряду до 0 и лучше переносят низкие температуры. В чем натриевые батареи проигрывают пока: во-первых, в не доведенности технологий, потому что опытные образцы — это еще не серийное производство, во-вторых, меньшей емкостью — примерно в два раза, чем у литий-ионных того же размера. Разработок много, но путь от опытных образцов до серийного производства непредсказуем».

В среднем для автомобильного аккумулятора надо как минимум 10 килограмм чистого лития. После пандемийного спада цена на него стала резко расти и достигала к началу нынешнего года 80 тысяч долларов за тонну. И хотя после этого она несколько снизилась, все большая зависимость от этого металла у многих вызывает тревогу.

Кроме того, производство лития — вещь мягко говоря, небезупречная с экологической точки зрения. Незадолго до Нового года руководитель литиевых операций американской химкомпании Albemarle Corp. Эрик Норрис в интервью Financial Times выразил уверенность, что цены на литий будут оставаться на высоком уровне, а спрос на него расти со скоростью дополнительные 200 тысяч тонн каждый год. То есть, исходя из нынешней динамики, к 2040 году производство лития потребуется увеличить в 40 раз. Все осознают, что это тупиковый путь, говорит автоэксперт Артем Бобцов:

Артем Бобцов автоэксперт «На сегодняшний момент стоимость электромобиля, стоимость батареи составляет до 40%. Конечно, все производители хотели бы этот компонент удешевить. Не все продвинулись в этом направлении. Toyota много экспериментировала с водородной технологией, но не смогла ее достаточно удешевить для того, чтобы сделать водородные автомобили по более привлекательной цене, и была вынуждена вернуться полностью к электротяге. Многие производители экспериментировали с графеновыми батареями, но они получаются дороже, чем обычные литиевые. Пока все продолжают использовать литиевую технологию, хотя все понимают, что она конечна, потому что заявляемые объемы производства электромобилей на ближайшие 10 лет существенно превосходят возможности по добыче этого металла».

Всего по данным Геологической службы США, разведанные запасы лития в мире составляют порядка 86 миллионов тонн. По его добыче лидируют Австралия, Чили и Аргентина. Также запасы обнаружены в Боливии, Китае, Афганистане. В России 50% запасов лития сосредоточено в редкометалльных месторождениях в Мурманской области.

Больше всего складывающаяся ситуация тревожит Европу, которая приняла решение полностью прекратить продажи автомобилей с двигателями внутреннего сгорания уже в 2035 году. И это при том, что собственной добычи лития у нее пока нет. Существуют, правда, планы по достаточно скромному его производству во Франции и еще более расплывчатые — в Португалии, где предполагаются его значительные залежи. Но хотя это пока еще лишь планы, они уже встречают ожесточенные протесты экологов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *