Почему у литий-ионных аккумуляторов не будет и не может быть единого прорывного «преемника», в своей колонке рассуждает научный редактор InScience.News.
11 февраля в журнале Forbes вышла колонка за авторством Ариэля Коэна («я освещаю безопасность, энергию, Европу, Россию и Ближний Восток» — так пишет он о себе сам), которая озаглавлена «Какие батареи будут двигать будущее» (в русском переводе теряется игра слов в словосочетании Will Power The Future).
Поскольку я параллельно еще работаю заместителем по коммуникациям в Центре компетенций НТИ «Новые и мобильные источники энергии» при ИПХФ РАН, я не мог пройти мимо текста с таким заголовком, ибо задачей нашего центра и является создание источников энергии будущего. Письмо Коэна задело меня настолько, что я написал в Forbes ответный текст — на что не последовало никакой реакции (что неудивительно, учитывая некоторые жанровые особенности обсуждаемого текста).
Так что же пророчит нам господин Коэн?
Увы, похоже, слишком широкий разброс интересов журналиста — от безопасности до Ближнего Востока — привел его к слишком узкому жанру, к единственному адресату и к очень узкому пониманию будущего.
Во-первых, нужно отметить, что эта колонка — не аналитический обзор источников питания будущего. Это совсем другой жанр — обращение к новой администрации США, к Джо Байдену. Байденом колонка начинается, Байденом и заканчивается. Коэн отмечает, что новая администрация, отойдя от позиций Трампа, считавшего глобальное потепление заговором ученых и экологов, делает ставку в углеродной нейтральности на локализацию в США производства литий-ионных аккумуляторов.
Все так, отмечает Коэн, в Китае производится 79% всех литий-ионников мира, а в США — всего 7%. Но дальше он говорит, что не надо догонять Китай в этом, а нужно сделать ставку на другую технологию. И вот тут начинаются странности.
Единственная технология, которая по мнению Коэна, обеспечит прорыв в энергии будущего, — это… Нет, это не водородные топливные элементы. Это твердотельные литий-ионные батареи (SSB). На которые и должна поставить администрация США.
Спору нет, теоретически твердотельные батареи (поясним, что в данном случае речь идет о батареях, в которых жидкий электролит заменен на твердый, что позволяет сильно уменьшить расстояние между анодом и катодом) во многом лучше стандартных литий-ионников. Во-первых, они действительно имеют более высокую удельную плотность энергии, чем современные батареи. Быть может, при помощи их удастся сделать реальный пробег электромобиля вдвое больше. Во-вторых, они имеют гораздо большую пожаробезопасность. Но тут, как и у множества современных «прорывных технологий», существует несколько «но».
Уровень готовности технологии (TRL) твердотельных батарей для автомобилей (а именно на это делает упор автор) где-то на уровне 5 из 9. То есть в лабораториях показана рабочая технология, но пока что ни один автомобиль на таких батареях не поехал, даже опытный. Плюс цена: пока что стоимость одной батареи на 20 А*ч оценивается в десятки тысяч долларов, а для одного автомобиля нужно около сотни таких батарей. Ну, добавим, что твердотельные батареи никак не смогут сократить время зарядки авто до трех-четырех минут, времени заправки обычного автомобиля. Это мы еще молчим про нестабильность этих батарей, низкие токи etc.
При этом в статье ни словом не упомянута альтернативная батареям технология электромобиля: автомобиль на водородных топливных элементах, которые имеют плотность энергии втрое больше, чем у литий-ионных аккумуляторов. TRL этой технологии — 9. Водородные автомобили с пробегом в 700–800 километров уже много лет серийно производятся все большим и большим количеством компаний (Toyota, Huyndai и так далее), их цена уже снизилась до уровня «ниже Теслы», они менее пожароопасны и заправляются водородом, как обычные автомобили бензином. Дело за малым — за распространением водородной инфраструктуры заправок. И во всем мире этим уже занимаются. Даже в России — но «эксперт по России» и «эксперт по энергии» этого даже не слышал! Я уж молчу про США.
У штата Калифорния, например, есть амбиции построить тысячу водородных заправочных станций. Водородные топливные элементы уже питают автобусы (рейсовые автобусы на городских линиях), железнодорожный транспорт (уже выходит на линии в Европе), буксиры и даже экспериментальные самолеты. Только Hyundai планирует поставить на рынок 2000 водородных автобусов к концу 2022 года, Токио — 1200 водородных автобусов к 2030 году. Автопроизводители проявляют живой интерес к технологии топливных элементов. Они приобретают лицензии, вступают в совместные предприятия с разработчиками топливных элементов или даже скупают их. Вот несколько примеров: Bosch покупает технологию топливных элементов у шведской инжиниринговой компании Power Cell; производитель силовых агрегатов Cummins берет на себя Hydrogenics, канадскую фирму, специализирующуюся на так называемых протонно-обменных мембранных топливных элементах; Weichai Power, крупный китайский производитель дизельных двигателей, создает совместное предприятие с другой канадской фирмой — специалистом по топливным элементам, Ballard Power. Согласно дорожной карте ЕС, к 2050 году водородом будет покрыто 2250 ТВТ·ч (или 24% всех энергетических потребностей).
Перспективные разработки в области топливных элементов, работающих на тяжелых грузовиках, также заслуживают внимания. Так, дочка Hyzon — Horizon Fuel Cells со штаб-квартирой в Сингапуре — поставила первые в мире 42-тонные грузовики на топливных элементах в коммерческую эксплуатацию в 2019 году и теперь имеет заказ от новозеландской компании Hiringa на 1500 грузовиков. Hino объявила о своей собственной инициативе по водородным грузовикам. Ранее в этом году три компании Navistar, General Motors и OneH2 объявили о партнерстве для вывода на рынок дальнемагистрального водородного грузовика. С той же целью Kenwood сотрудничала с Toyota. Daimler Trucks North America и Cummins говорили о разработке водородных грузовиков. Как мне кажется, в нашей стране водородный транспорт в первую очередь тоже появится в виде поездов, автобусов и грузовиков, и уже плотно прорабатывается комплексное развитие такого транспорта на Сахалине.
Удивительно и еще одно. Для автора колонки рынок применения батарей (или скажем шире, вторичных электрохимических источников тока) — это исключительно гаджеты и автомобили. А ведь есть область применения, где не только твердотельные, но и литий-ионные аккумуляторы, скорее всего, не выиграют конкуренцию, но которая крайне нужна в энергетике, — что показал недавний снежный локаут в Техасе. Эта область — рынок накопителей энергии, которые позволят скомпенсировать провалы производства энергии от возобновляемых источников. Здесь не так важна плотность энергии и тут, вероятнее всего, будут играть роль и отработавшие свое в электромобилях литий-ионники, обретшие вторую жизнь, и пост-литий-ионные аккумуляторы (TRL натрий-ионных аккумуляторов сейчас находится около 6), и проточные редокс-батареи, о которых автор тоже, похоже, не слышал. Как и о твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ), которые могут конкурировать с литий-ионными аккумуляторами в области питания робототехнических устройств, например. Да и твердотельные аккумуляторы бывают не только литий-ионные. Например, лантан-фторидный аккумулятор никогда не будет поставлен на автомобиль — дорого, но вот как источник питания для имплантируемых медицинских устройств он может быть очень хорош с его потенциальными 700 Вт*ч/кг против 250 у современных литий-ионников.
«Технология-панацея» — это хорошо, но почти никогда не бывает. Всегда находятся разные ниши, для которых нужны собственные решения.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
