Из чего делают электромобили металл
Обновлено: 16.05.2024
Увидел в комментах в моём журнале, что эта тема привлекает много внимания. Почитал, что об этом пишут в разных странах, в частности у нас в Норвегии, Европе и в других местах.
В двух словах: на сегодняшний день ситуация довольно печальна, идеи есть, а готовых технологических цепочек нет. Но обо всём по порядку.
В настоящее время на дорогах планеты ездят более 7 млн электрических машин. Вот небольшая статистика:Ю
Большинство из них находятся в начале своей «полезной» жизни, поэтому автомобильных батарей для переработки всё ещё мало. И это хорошо, потому что сегодня перерабатывается менее 5% всех литий-ионных аккумуляторов с истекшим сроком службы. А литий, кстати, очень редкий металл, и хватит ли его на всех — тоже пока не совсем понятно. Так что это процент должен увеличится.
Литий
Старые батареи можно использовать повторно
Когда мы говорим, что батарея электромобиля достигла конца своего срока службы, это не означает, что батарею нельзя использовать - просто ее ёмкость уменьшилась примерно до 70 процентов от первоначальной (или больше). Если на вашем электромобиле это случилось во время гарантии (обычно производители дают 8 лет гарантии на батарею), вам её заменят бесплатно. А вашу старую батарею можно использовать повторно в других приложениях, например, в домашних системах хранения энергии, где соотношение энергии к весу не имеет значения. Это решает проблему свалки в краткосрочной перспективе, но эти батареи в конечном итоге потеряют всю емкость для хранения энергии, и их придётся переработать.
Различные стадии процесса переработки батарей
В батарее, в зависимости от типа, очень много дорогих и редких металлов: литий, медь, никель, кобальт, магний и др. Для их извлечения, процесс переработки в целом можно разделить на разборку батарей, и различные методы извлечения элементов: механический (прямой), гидрометаллургический и пирометаллургический методы.
Процесс механического извлечения в настоящее время сосредоточен на катоде батареи, поскольку он содержит большинство редких материалов. Аккумулятор измельчается, а материалы разделяются посредством механических методов. Помимо того, что этот способ нетоксичен и потребляет мало энергии, прямая переработка сохраняет кристаллическую структуру катода, что позволяет использовать его в новой батарее с небольшой дополнительной обработкой. У этого типа переработки есть свои недостатки и перерабатывается только лишь 30-40 % материала батареи.
После механической обработки полученный материал очищается с помощью гидрометаллургии, пирометаллургии или их комбинации.
Гидрометаллургия включает выщелачивание ценных элементов из твердого материала и их последующее осаждение путем модификации химического состава фазы растворителя.
Пирометаллургия использует операции при повышенных температурах, при которых активируются окислительно-восстановительные реакции для плавления и очистки ценных металлов.
Два последних метода очень ресурсоёмки (= дороги).
Используя все три подхода, в теории можно переработать батареи на 100%. Если кому интересно, все детали переработки очень подробно расписаны здесь.
Утилизация литий-ионных аккумуляторов сегодня
Но это была теория, как же у нас с практикой?
На сегодня, первый этап, разборка батарей довольно хорошо налажен. Батареи разбираются вручную и отправляются в специальные хранилища.
В Норвегии, например, этим занимается компания Batteriretur AS. В будущем компания собирается автоматизировать эту работу, ну а пока количество батарей ещё небольшое и всё делается вручную.
После разборки батарей следующим этапом процесса переработки является извлечение составляющих элементов. В Норвегии нет таких технологий на настоящий момент, поэтому все батареи отправляют на фабрики во Европу и Азию. В Европе такие батареи часто попадают на перерабатывающие предприятия во Франции, Бельгии или Германии. Батареи сжигаются, а медь, кобальт и никель из батарей перерабатываются. К сожалению, в этом процессе сгорания литий полностью теряется. Следовательно, необходим новый метод, в котором также извлекается весь литий.
Одна из компаний, специализирующиеся на переработке аккумуляторов для электромобилей, это французская SNAM. Там работают над проектом Phenix Batteries. Цель — производить новые батареи на 80% из переработанных деталей. Строительство завода, на котором это будет происходить, уже началось.
В Норвегии все исследования в этом направлении объединены в проект LIBRES. Бюджет LIBRES составляет около 20 миллионов норвежских крон на 4 года. В проекте группа из Норвежского университета науки и техники NTNU работает над разработкой процесса 100%-го извлечения лития, никеля и кобальта из аккумуляторов с помощью гидрометаллургии. Они планируют запустить пилотную линию в 2024 году и полномасштабно начать работать с 2027 года. В проекте также участвуют шведы.
Учёные из Норвежского университета науки и техники NTNU
Аналогичные исследование ведутся в Германии, США и других странах.
Тесла и Маск
Тесла производит большинство электромобилей в мире. Как у Теслы с переработкой? Пока также. Тесла использует сторонние компании для этого, но грозится начать перерабатывать сама 100%. Но пока это только заявление.
Как мы видим, на сегодняшний день положение довольно-таки печально. Все технологии будут готовы только через несколько лет. Ну а пока, бОльшая часть аккумуляторов глупо закапывается в землю или сжигается.
Материалы для аккумуляторов электромобилей
Материалы для аккумуляторов электромобилей в будущем могут стать проблемой
Борьба за чистоту окружающей среды привела к существенному ограничению норм выбросов отработавших газов. Во многих городах уже частично ограничено движение машин с ДВС. Целый ряд стран через десяток лет запретят их использование вообще.
Выход из такой ситуации многие видят в применении электромобилей. На первый взгляд это должно решать проблему. С другой стороны, их количество вырастет многократно. В ближайшие пять лет продажи электрокаров возрастут до 7% от общего числа реализуемых авто.
К 2030 году эта цифра удвоится. К 2040 году прогнозируется рост продаж экологически чистых машин на уровне 38%. Когда эти проценты пересчитываются на реальное количество транспортных средств, возникает ряд вопросов.
Количество электромобилей в мире возрастает
Один из них — материалы для аккумуляторов электромобилей. Хватит ли их на всех автопроизводителей, ведь многие из них намерены существенно нарастить объемы выпуска.
Для производства литий-ионных источников питания основными составляющими являются литий, никель и кобальт. Геология утверждает, что их количество в природе ограничено. Если это так, то проблемы с их дефицитом могут возникнуть.
Какая ситуация сейчас
По данным исследовательской компании Wood Mackenzie сегодняшнее производство аккумуляторных батарей электромобилей обеспечивается материалами полностью. Особенностью ситуации является падение краткосрочных рыночных цен на литий, никель и кобальт.
Электромобиль Tesla
Такой факт служит тормозом для их производителей увеличивать предложения на рынке. Развитие добычи задерживается, а ведь спрос на материалы для аккумуляторов электромобилей будет расти. Поэтому дефицит может возникнуть уже к 2025 году. В первую очередь это коснется кобальта и лития.
Что в перспективе
Литий является основной составляющей литий-ионного источника питания. Потребность в нем вырастет в пределах двузначного числа. К 2030 году этот элемент будет потребляться в основном на аккумуляторы для электромобилей. Цифра будет находиться в пределах 80% от общей добычи.
Добыча лития
Кобальт не менее важен для изготовления батарей. По прогнозам Joint Research Centre проблемы с его наличием могут возникнуть уже через два года. С учетом такой ситуации автопроизводители пытаются создать аккумулятор без применения кобальта. Работы идут, но пока реальный результат не достигнут. Поэтому спрос на него, как и на другие материалы для аккумуляторов электромобилей, не снижается.
Никель
Количество этого материала по сравнению с другими в составе аккумуляторной батареи не так велико. Тем не менее, получение нужного его количества через пять лет может стать проблематичным.
Никель
Дело в том, что цены на никель низкие, что не позволяет достаточно развивать добычу. Инвестиции в развитие реализуются медленно. Иногда это строк составляет до десяти лет. Поэтому, вкладывать деньги для развития отрасли желательно уже сейчас.
Материалы для аккумуляторов электромобилей — графит и марганец
Эти материалы не станут дефицитными при любой потребности в аккумуляторных батареях для электрокаров. Страны восточной Африки в состоянии обеспечивать графитом всех потребителей с учетом перспективы их развития. Такая же ситуация в мире и с марганцем.
Автор: Сергей Морозов
Внимание! Эта статья защищается законом об авторском праве в цифровую эпоху (DMCA). Запрещается любое копирование без моего разрешения.
Их разработками занимаются, как известные автопроизводители, так и подразделения науки. Решение этого вопроса создаст существенный прорыв в реализации электрокаров.
Новая батарея для электромобиля от разных авторов
Среди них китайские, немецкие, тайваньские и другие разработчики. Они идут по разным направлениям, но имеют одну цель. Она состоит в получении наиболее эффективного источника питания, имеющего невысокую стоимость и минимальное время зарядки.
Аккумуляторы без кобальта
Китайская компания SVOLT Energy Technology заявила о начале серийного выпуска батарей для электромобилей, не содержащих кобальта. Сначала они будут использоваться для нужд Поднебесной. Ближе к концу 2023 года такие источники питания планируется производить и для европейского рынка.
Основными элементами батареи являются никель (75%) и марганец (25%). Благодаря такому составу (NMX) и полному отсутствию кобальта, получился более экологический и менее дорогой источник питания. Против классических литий-ионных ячеек типа NCM здесь стоимость ниже примерно на 5%. Для машин на электрической тяге это очень важно.
Аккумуляторный призматический элемент MNX на 115 А/час компании SVOLT Energy Technology
Новая батарея для электромобиля от компании SVOLT Energy Technology состоит из призматических ячеек NMX. Сегодня предлагается два их типа – на 226 А/час и 115 А/час. Впервые новинка была применена и показана на электромобиле ORA Cherry Cat. Его демонстрировала китайская компания Great Wall Motors в городе Чэнду на августовском автосалоне 2021 года.
Электромобиль ORA Cherry Cat. В качестве источника питания машина оснащена бескобальтовым аккумулятором.
Тяговый источник питания этой машины сформирован ячейками NMX на 115 А/час. При плотности энергии 170 Вт-час/кг его емкость равна 82,5 кВт-час. Компания утверждает, что наибольшая дальность хода на таком аккумуляторе превысит 600 километров. Параметр приведен для нормальных погодных условий.
Заявлено так же, что батарея достаточно мощная. С ее помощью электромотор разгоняет машину из положения полного покоя до 100 километров в час примерно за 5 секунд. В процессе эксплуатации количество эффективных зарядных циклов превышает 2500 раз.
Новая батарея для электромобиля с рекордной емкостью
Ее разработчиками стали ученые центра Гельмгольца (Германия, Дрезден). Утверждается, что емкость такого литий-металлического аккумулятора достигает 560 Вт-час/кг. Это в два раза выше, чем у эксплуатируемых сегодня литий-ионных батарей (285 Вт-час).
Фишкой такого результата стало исследование взаимодействия катода и электролита. Утверждается, что катод, богатый никелем, хранит огромное количество энергии. В свою очередь, жидкий электролит на ионной основе, не приводит к разрушению катода.
В итоге при совершении одной тысячи зарядных циклов источник питания электромобиля сохраняет около 88% емкости. Разработчики сообщили, что коэффициент полезного действия аккумулятора новой разработки составит не менее 99,94%. Это исключительно высокий результат.
Остается понять, когда новая батарея для электромобиля такой конструкции может быть реализована в жизнь. Разработчики пока не дают даже приблизительных сроков.
Аккумуляторы для вьетнамских электромобилей
VinFast – вьетнамский производитель электромобилей намерен в ближайшее время стать одним из лидеров рынка их продаж. Компания считает, что для этого нужно решить главный вопрос – оснастить машины быстро заряжаемыми аккумуляторами. Заявлено, что оптимальное время восстановления возможностей батареи до уровня 80% заряда не должно превышать 5 минут.
Для достижения этой цели VinFast налаживает сотрудничество с тремя другими известными компаниями мирового уровня. Среди них фирма из Израиля StoreDot. Ее профилем работы является сверхбыстрая зарядка батарей электромобилей. Уже сегодня утверждается, что по технологии израильтян аккумулятор емкостью 65 кВт-час можно зарядить на 80% за 5 минут.
Такая новая батарея для электромобиля может получить заявленные свойства благодаря двум особенностям. Во-первых, StoreDot заменяет графит в аноде на «наноразмерные металлоиды». Во-вторых, вместо графита внедряются «специально разработанные и синтезированные органически и неорганические соединения». Все это существенно снижает время зарядки.
Вторым компаньоном вьетнамской VinFast является тайваньская компания ProLogium. Ее профиль – твердотельные батареи. За такими конструкциями будущее, поскольку плотность энергии в них втрое больше, чем у литий-ионных источников питания. К тому же риск возгорания существенно меньше.
Третьим соратником вьетнамской компании стала китайская фирма Gotion-High Tech. Она занимается батареями на литий-железо-фосфатной основе (LFP). Здесь интерес VinFast в недорогих (против литий-ионных) источниках питания для электромобилей с небольшим запасом хода.
Таким образом новая батарея для электромобиля вьетнамского производства может иметь различную конструкцию. Ясно одно, что в любом случае она должна стать максимально эффективной.
Внимание! Эта статья депонирована и защищается законом об авторском праве в цифровую эпоху (DMCA). Запрещается любое копирование без моего разрешения.
Некоторые экологи часто представляют себе будущее, в котором электромобили выводят нефтяные компании из бизнеса. Фирмы прекращают закачивать канцерогены в землю, дабы разбить слой твердых сланцевых пород, скрывающих запасы черного золота, и никогда больше не добывают нефть в океанских глубинах, позволяя липкой черной слизи просачиваться на поверхность. Чтобы попасть в это будущее — когда нам больше не нужно будет добывать нефть из-под земли — компаниям вместо этого придется добывать много металла. Будет хуже или лучше?
Насколько электромобили экологичнее обычных?
Подобно солнечным батареям и ветряным турбинам, аккумуляторы для электромобилей изготавливаются из самых труднодоступных металлов на Земле — диспрозия, неодима, марганца, кобальта и лития. Да, список этих материалов звучит как список покупок Тони Старка. Производителям электромобилей понадобится гораздо больше этих металлов, если они хотят построить достаточно электромобилей, чтобы остановить глобальное потепление до 1,5 градуса, согласно целям Парижского климатического соглашения.
Если бы страны предприняли радикальные меры, необходимые для достижения этой цели — невероятно оптимистичного сценария — спрос на кобальт и литий превысил бы текущее предложение уже к 2022-2023 году.
«Сегодня мы добываем относительно небольшое количество лития. В 2023 году мы будем использовать больше для батарей электромобилей и хранения», говорит Эльза Доминиш, старший научный консультант в Институте устойчивого развития при Технологическому университете Сиднея. Она объясняет, что компаниям придется предлагать больше кобальта и лития, чтобы удовлетворить растущий спрос на электромобили. Чтобы не увеличивать объемы добычи этих металлов, компании могут утилизировать старые аккумуляторы электромобилей.
«Мы могли бы извлекать примерно 95% лития из вторичного сырья с помощью уже существующих технологий, но обычно решаем этого не делать», говорит Доминиш. «В настоящее время восстанавливается лишь небольшой процент, а переработчики извлекают только более дорогие металлы, такие как кобальт и никель».
Поскольку аккумуляторы служат не больше десяти лет, отработанные аккумуляторы могут стать богатым источником лития. Это важно, поскольку следующее поколение электромобилей будет, вероятно, оснащаться литиево-серными аккумуляторами, которые будут использовать больше лития, чем литий-ионные аккумуляторы — стандарт для нынешней отрасли.
Доминиш и ее коллеги смоделировали, как агрессивная переработка скорректирует спрос на добытый кобальт и никель. Как и ожидалось, переработка радикально снизит необходимость в добыче этих металлов. Если компании переработают старые батареи и примут литий-серные батареи на вооружение, это приведет к снижению спроса на добываемый кобальт, который не требуется в литий-серных батареях, однако приведет к росту спроса на добытый литий.
Переработка может иметь несколько видов. С одной стороны, компании могут брать старые аккумуляторы для электромобилей, которые уже не способны накапливать столько же энергии, как раньше, и использовать их как домашние аккумуляторы, накапливающие электричество, генерируемое солнечными батареями на крыше. С другой стороны, можно просто извлекать металлы из старых батарей и использовать их для производства новых. Это уже делают с кобальтом, но не с литием.
Больше утилизации будет означать меньше добычи, и это хорошо, потому что добыча чревата рисками. В настоящее время большая часть мирового кобальта поступает из Демократической Республики Конго, где отдельные шахтеры, десятки тысяч из которых — дети, собирают около 20% всего кобальта. Эти шахтеры могут целый день собирать кобальт руками, чтобы потом продать свою долю торговцу за доллар или два.
У этих шахтеров, как правило, нет защитного снаряжения, такого как перчатки и маски, поэтому они постоянно вдыхают кобальтовую пыль, которая может быть опасна для легких. Добыча лития производится не так, однако также имеет риски. На солончаках Аргентины, Боливии и Чили шахтеры черпают воду, богатую литием, из глубоких подземных источников и выливают ее в неглубокие пруды, где вода испаряется, оставляя после себя литий. При этом горнодобывающие компании используют подземные воды, крайне необходимые в засушливом пустынном регионе.
Переработка старых аккумуляторов для электромобилей могла бы ограничить потребность компаний в деструктивной добыче, но сама по себе утилизация не будет панацеей. Все равно придется добывать много кобальта, лития и других металлов.
Все еще думаете, что электромобили спасут мир от глобального потепления? Расскажите в нашем чате в Телеграме.
Читайте также: