Чи існує у літій-іонних батарей майбутнє?

Розвиток літій-іонних акумуляторів досяг свого апогею. Що ж буде далі? Давайте розбиратися.


Штучні тканини, пластик, будматеріали — це все є продуктом наукових відкриттів та досліджень. Але в сучасному світі високих технологій людина прив’язана ще й до літій-іонних акумуляторів, що живлять майже всю техніку у домі. Обмежені об’ємом, але компактні та надійні вони вже стали звичними для нас, та здається, що цей винахыд існував завжди. Експерти говорять про те, що літій-іонові акумулятори вже відживають своє та зникнуть з нашого життя на протязі наступних 10 років.

Два роки назад Washington Post досліджували тему видобутку дорогих матеріалів, що містяться в таких батареях: графіту, кобальту та літію. В одній з таких статей видання показало відеоролик. Дія відбувається в Африці. Вузька мутна річка, а на березі річки по обидвох бокам ходять жінки у квітчастих сукнях, діти та хаос. Ми потрапляємо у процесс, коли робота кипить: у річці всі промивають невеличкі частки землі або камені. Саме тут виготовляють кобальт, без якого не може функціонувати жоден акумулятор смартфону. Більша частина видобутку кобальту виготовляється в африканському регіоні — країні Конго. В Конго працюють офіційні шахти з шахтарями, яким платять мінімальну зарплатню.

У цьому відео окрім гуманітарних проблем, що існують в Конго можна побачити й головну проблему Li-ion батарей. Аналітичне агентство Bloomberg New Energy Finance прийшли до висновку, що у 2016 році місткість усіх проданих акумуляторів зіставила біля 120 ГВт*ч. Якщо перевести цей об’єм в зрозумілі цифри, то це приблизно 7,5 мільярдів смартфонів. Майже кожному по смартфону. Іншим цивілізаціям наш спосіб життя може здатися дивним: людина цілий день ходить із пластиковою коробочкою або ж кількома такими пристроями та увечері приходить додому, щоб зарядити її. А зранку знову йде на роботу, щоб витрачати весь запас електроенергії.

А якщо людство стане використовувати Li-ion батареї в промислових масштабах в електромобілях, то ринок кобальту це навряд чи витримає. Людей, що добувають кобальт, заженуть в рабство, а метал почне поступово зникати з ринку, його недостача буде більш ніж помітною.

Але це не єдина проблема Li-ion батарей.

Коробочка про запас

Якщо хтось перший задумає відкрити загадку хто ж придумав літієві акумулятори, то майже напевне зайде в глухий кут. В одній роботі тільки написали про ідею, заклавши сам принцип, в іншій – показали компонент, а в третій – зібрали цілісний акумулятор. Джерел, де б описували дану технологію дуже багато, на це пішло десятки років та сотні матеріалів, над якими працювали безліч колективів.

Принцип літій-іонних акумуляторів простий. Ця коробка містить, два електроди (електропровідний матеріал, який виконаний в певній формі, це може бути як пластина, так і циліндр, тощо), розділені мембраною, які містяться в електроліті, який наповнений іонами літія. В популярнійшій версії акумулятора на сьогодні один електрод зроблений з графіту, інший – з оксиду кобальту СoO2.

Головні часточки в таких батареях, як можна зрозуміти з назви, це атоми літію. Вони дуже легкі та рухливі й тому дуже добре зберігають енергію. Батареї з одної сторони отримують максимальну місткість на оптимальну масу, оскільки кожен з атомів літію може зберігати по одному електрону. З іншої сторони, мобільність атомів літію дозволяють акумуляторам швидко втрачати заряд, виробляючи струм, оскільки ці процеси пов’язані з переміщенням літію всередині самого пристрою. Графіт та оксид кобальту підібрані під літій: їх кристалічні решітки організовані таким чином, що дозволяють частинкам літію легко проходити крізь них.

Коли акумулятор заряджений на всі 100%, в графітовому електроді міститься багато іонів літію. Після того, як акумулятор підключається до зовнішньої нагрузки, графіт стає позитивним електродом, а оксид кобальту – негативним. Позитивні іони літію під дією електричного поля починають текти по електроліту до негативного електроду, а графіт для електронейтральності віддає на внутрішні електрони. Далі ці електрони функціонують по ланцюжку і приходять вже до CoO2, де «допомагають» іонам літію створити оксид кобальту LiCoO2.

При процесі зарядження акумулятора весь шлях повторюється, але навпаки. Іони літію та електрони виходять з оксиду кобальту, перші біжать по електроліту, а за ними – через внутрішній ланцюжок (електрони біжать у зворотну сторону), щоб знову зустрітися в графіті. Кінець першого циклу роботи.

Звучить це досить нескладно: іони літію під дією зовнішнього поля перетікають від одного електроду до іншого, проштовхуючи через зовнішній ланцюжок електрони. Але перше враження оманливе.

Внутрішня напруга

Ми звикли сприймати технологічні новинки як чорні ящики. Натискаєш на кнопку та отримуєш результат. Ми не задумуємось про те, що відбулося всередині. З акумулятором це помітніше чи то через форму, чи то через простоту використання. Але іноді «чорні ящики» починають поводитися непередбачувано, оголюючи свою начинку.

Найпростіший приклад – це вибухи та самозаймання літій-іонних акумуляторів в минулому. Ще декілька років назад замість графітового електрода використовувався чистий металевий літій, від якого за час багаторазових циклів зарядки та розрядки в сторону CoO2 утворювалися дендрити. Вони коротили позитивні та негативні електроди один на одного і через акумулятор починали проходити електронні струми. Це запускало чергу невиправних хімічних реакцій з виділенням тепла, акумулятор плавився та вибухав. Схожа історія була з акумуляторами телефону Samsung Galaxy Note 7, але вони вибухали не через знос, а через помилки при збірці акумуляторів.

Вздуття літій-іонної батареї

Інший приклад не такий небезпечний, проте, більш знайомий: якщо розрядити пристрій до нуля, то після того він вже гірше тримає заряд тому, що кришталева структура електроду оксиду кобальту частково зруйнувалася під напором атомів літію.

Ще більше проблем було з зарядним пристроєм. Декілька процентів до величини току або напруження – акумулятори одразу ж почали псуватися. В наш час користувачі гаджетів захищені від цих фокусів зарядних пристроїв. Вшиті електронні схеми в зарядних пристроях контролюють хід зарядки, але раніше цього не було й акумулятори витримували набагато менше циклів заряду та розряду. Вся начинка гаджетів ретельно підігнана і перевірена роками досліджень, щоби ми могли отримувати задоволення від простоти користування.

Тепер розробники техніки ставлять перед собою нові цілі – Li-ion акумулятори починають активно використовуватися в електротранспорті. У звіті Bloomberg New Energy Finance було зазначено, що у 2022 році обсяг ринку літій-іонних акумуляторів стане більше, ніж батарейок для споживчої техніки.

Зробити великий за об’ємом Li-ion акумулятор (які використовуються в електромобілях) непросто. Це ціла схема акумуляторів, що синхронізовані між собою. Так акумулятор Tesla Model S складається із 16 блоків по 74 елементи кожен – всього 1184 елементи. Ця конструкція коштує половину вартості електрокара. Щоб мінімізувати витрати, Ілон Маск відкрив в пустелі Невада велику фабрику з виготовлення літій-іонних акумуляторів. За планом, загальна місткість акумуляторів за рік має складати 35 ГВт*ч.

Гігафабрика по виготовленню літій-іонних батарей у Неваді

Екскурсії на цю фабрику проходять в умовах підвищеної секретності. Закриті кімнати, комерційні таємниці та заборонені зони. З’єднати 1200 батарей так, щоб вони всі одночасно заряджалися та розряджалися – це нереально складне завдання. Будь-яка помилка може привести до пожеж, вибухів, та інших втрат.

У літій-іонних батарей існують і інші недоліки. Один з них – це конструктивне з’єднання між потужністю акумулятора та його об’ємом. При розробці нового Li-ion акумулятора варто враховувати елемент великої потужності. Така батарея матиме великий об’єм, тобто доволі габаритна на вигляд. Маленький акумулятор показуватиме маленьку потужність. Це не завжди зручно на практиці. Інший недолік – це їх місткість. Місткість Li-ion найбільша серед усіх, але все-таки достатньо маленька. Так акумулятор Tesla Model S важить 540 кг і це більш як чверть ваги всієї машини. Тож, підводні човни на батареях — це нереальна затія для розробників.

Погана енергетика

Недоліки Li-ion акумуляторів навряд коли-небудь переважать їх переваги. Але все не так просто. Акумулятор являє собою не тільки «чорний ящик», він ніби атом з іншої галактики, нероздільний на складові. Наприклад, 100 г ковбаси містить 60 г води, 20 г вуглеводів та 12 г білків; у футболці 60% бавовни та 40% поліестеру. А у літій-іонних батареях від 0-100% енергії, а решта – порожнеча.

Звичайно, ми знаємо, що це не так. Всі акумулятори складаються з різних елементів. Але вдома всі батареї телефонів та ПК – це бездушний продукт без вмісту та історії. Вони оживають лише тоді, коли починають барахлити та глючити або колись хто-небудь з домашніх забажає дізнатися що у цьому пристрої всередині.

Журналісти видання Motherboard знищили телефон за допомогою промислового блендера. Як результат вони знайшли 31 хімічний елемент. Золото, галій, ванадій – звідки вони там та для чого?

Всередині сучасних акумуляторів теж багато складових, які можуть бути несподіванкою. Дикий видобуток кобальту – це найвигідніша справа в африканському місті Колвезі. Чоловіки гуртом йдуть до підземелля, де без спеціальних інструментів добувають гірну породу, після чого віддають її жінкам та дітям на промивку та продають готовий продукт тим, хто скуповує подібний матеріал. Виторг на одного чоловіка складає 2−3 $ на день. Добуток знаходиться на межі виживання. Тут вірять у те, що підземний матеріал у вигляді кобальту можна розпізнати по квітках, що живуть над ними на землі.

Після статей Washington Post про видобуток кобальту, майже кожен великий виробник мав би щось відповісти на таке журналістське розслідування. Дехто виправдовувався, що вони ретельно перевіряють шляхи доставлення та купують кобальт з легальних джерел. Інші відмовлялися перевіряти що-небудь, а хтось і зовсім пообіцяв відмовитись від кобальту. Але довіритись їм дуже складно. Електроди на кобальті переважають свої аналоги, а шляхи доставлення цього металу надто складні для відстежування раз та назавжди.

Тут існують дві причини. Про першу причину ми вже говорили: майже 60% світового обсягу кобальту добувають в Конго. Так скллалося історично. США на законодавчому рівні реєструє усі метали, що вони добувають, але серед цього переліку немає кобальту. Не так просто перекрити фінансовий потік, який забезпечує більше ніж половину акумуляторів на цій планеті.

Друга причина витікає з першої. Основний користувач кобальту – це ті компанії, що виготовляють Li-ion акумулятори. Ціна на цей метал піднялася за останні роки аж в сім разів. На швидкий заробіток злетілися найталановитіші підприємці. Майже всі вони за національністю китайці. Матеріали йдуть на виробництво або на склади підприємцям у КНР. Ринок кобальту не такий вже простий насправді та включає в собі цілий ряд труднощів у вигляді культурних колізій та мовних проблем. Тут панують свої правила, де дитяча праця та низька заробітна плата являється нормою для всіх.

З літієм подібних проблем не менше. Близько половини літію добувається у Чілі, Аргентині та Болівії. Для робочих там досить хороші умови, але сама розробка може загрожувати екології району. З-під землі викачують велику кількість солоної води, відфільтрувавши яку потім отримують цінний метал. На одну тонну літію потрібно прокачати 2 млн. л. розсолу при умовах засухи. Думки експертів тут розходяться: одні кажуть, що це ніяк не вплине на запаси прісної води, інші кажуть про те, що все може закінчитися плачевно.

Добування літію

Якщо казати про ресурси для літій-іонних батарей, то існує ще одна категорія побоювань, які виключають етичні міркування та посиланя на екологію. По деякім оцінкам цих ресурсів може дійсно не вистачити. Так по оцінках журналу Nature, вже через десять років запит на кобальт перевищуватиме об’єми виробництва. І в цій ситуації навіть китайці не допоможуть.

Інші експерти вважають, що запасів кобальту вистачить як мінімум на 40 років, а про інші метали в найближчий час хвилюватися безпідставно. Чия тут правда зрозуміти складно. Але якщо ми замінимо двигуни внутрішнього згорання на електричні аналоги (а до цього йде), хтось може дуже сильно постраждати. Шляхи постачання сировини для сучасних батарей на літію дуже обмежені. Вони не зможуть так швидко розширитися, коли ринок електромобілів стрімко зросте.

Позбавитись від літію

Що маємо у висновку? Li-ion в сучасному світі дуже добре прижилися, але шляхів для подальшого розвитку в вигляді електрокарів (велика маса та складнощі з масштабуванням) на батареях практично немає. Це все потребує багато коштів та ресурсів, яких не так просто знайти. Отже, потрібно шукати інші технології.

Потроху можна модифікувати Li-ion акумулятори наприклад, замінити електроди. Типовий приклад це ще одне дослідження Nature. Там автори замість електродів на основі оксиду кобальту пропонують використовувати оксид марганцю. Вже було проведено перше випробування цієї технології. В підсумку батареї мали хорошу місткість, стабільні показники, але занадто високе напруження для заряджання. В перспективі можна було б отримати більш дешевий пристрій, але такий акумулятор може бути громіздким та небезпечним для користувача.

Таких аналогів з десяток: літєво-ферофосфатні батареї, літій-нікелеві, літій-флуоридні, та кожен з них являється небезпечним для користування. До того ж по технічним характеристикам вони програють сучасним батареям і підходять для користування лише в обмежених сферах діяльності. Враховуючи, що собівартість Li-ion акумуляторів з 2010 року впала в 4 рази, а попит вже майже задовільнений, аналогам Li-ion акумуляторів без помітних переваг буде дуже важко знайти свого клієнта.

Можна було діяти жорсткіше та все-таки знайти інші шляхи для вирішення електрохімічного збереження енергії. Тут вибір дуже широкий: натрій-іонні акумулятори, літій-повітряні акумулятори, водневі топливні елементи та мікробні топливні елементи, стокові батареї. В кожному аналогу існує перевага перед літій-іонними акумуляторами. Візьмемо для прикладу стокові батареї. Там обсяг енергозапасу не залежить від потужності елементу і тому вони ідеально підійдуть для збереження зайвої електроенергії в розподілених електромережах або мережах, що пов’язані на відновлення джерел енергії.

Сучасна qwerty-клавіатура була винайдена в кінці XIX століття. Вона оптимізована не так під швидкість або зручність текстового набору, а під роботу механічних печатних машин. Вона була зроблена таким чином, що найпопулярніші символи були максимально віддалені одне від одного для того, щоб молоточки цих букв не торкалися один одного під час друкування. На друкувальних машинках ми вже давно не друкуємо. Зараз існують і інші інструменти для тих, хто пише статті чи книги, але так вже повелося, що ми використовуємо все той же алгоритм для друкування тексту.

З Li-ion акумуляторами схожа історія. Вони не дуже підійдуть для новітніх технологій, таких як електромобіль, але постачання вже налагоджено, мережі збуту теж прижилися. Порвати зі всім цим та перейти на нову технологію буде дуже складно. Це придає деякої інтриги до того, як будуть змінюватися технології збереження електричної енергії під тиском нових потреб, що диктує час. Зворотний зв’язок теж важливий. Не тільки повсякденність змушена перелаштовуватися під наукові відкриття, але й наука з технологіями трансформуються, підлаштовуючись під реалії нашого життя.

БІЛЬШЕ ЦІКАВОГО: