Чому за твердотілими акумуляторами для електромобілів майбутнє та хто буде перший у цих перегонах: заяви від Toyota, Honda, Dodge та QuantumScape

Мало хто знає, але задовго до безмежної популярності Tesla світ наповнювали електромобілі. У 1881 році на Першій міжнародній виставці електрики у Парижі представили перший триколісний електромобіль Густава Трове, який розвивав швидкість до 12 км/год за дальності ходу 14-26 км.

У 1897-му компанія Electric Carriage & Wagon Company розпочала комерційне виробництво електромобілів у США та запустила електротаксі, що курсувало вулицями Нью-Йорка під назвою Electric Vehicle Company. 

1901 року Фердинанд Порше представив перше у світі гібридне авто Lohner-Porsche Mixte Hybrid.

Тоді електромобілі були справді популярні. Проте постійне здешевлення палива та масове виробництво Ford T завдали удару по цій індустрії.

Пік популярності технології припав на паливну кризу у 1970-х, що спонукали великих автовиробників розробляти варіанти транспортних засобів на альтернативному паливі.

Електромобілі вже не здаються дивиною, адже, як ми уже з’ясували, вони існують понад 100 років. Вони швидко перетворюються на повноцінних учасників дорожнього руху, а часом і на об’єкти захоплення, особливо коли йдеться про динаміку розгону або високотехнологічні фішки. Такі моделі, як Nissan Leaf, Tesla Model S, Volkswagen ID.4 або навіть Zeekr 001, стали звичними для нас автомобілями.

Та попри всі успіхи інженерів, міцність і потужність акумуляторів досі є найбільшою перешкодою для того, аби такий транспорт почувався на дорогах впевненіше. Багато хто хоче знати, коли вони стануть доступнішими, довговічнішими й здатними заряджатись за лічені хвилини.

Куди рухається індустрія та чому батареї досі «важкі»?

Здавалося б, ми вже маємо електрокари з чудовим запасом ходу, але більшості з нас усе одно кортить побачити цифру в 700 чи навіть 1000 км на одному заряді. Нинішні літій-іонні батареї (Li-ion) дають високий коефіцієнт енергії на одиницю маси (Wh/kg), проте ще поступаються рідкому паливу, яке має вдесятеро вищу енергетичну щільність. Ця різниця й визначає, чому великі акумуляторні блоки з’їдають пристойну частку ваги електромобіля.

До того ж виробництво літій-іонних батарей має чимало викликів: потрібні нікель, кобальт, марганець, залізо, літій і, звісно ж, відповідальне ланцюгове постачання. Щойно зростає попит на електромобілі, збільшується попит на ці матеріали, а водночас і скепсис щодо етичних та екологічних аспектів їхнього видобутку. Значна частина виробничих потужностей іде з Китаю, а дефіцит ресурсів чи коливання цін спричиняють бурю на світових ринках.

Де виготовляють батареї для електрокарів: 10 найбільших виробників акумуляторів для електромобілів

За даними Visual Capitalist станом на кінець 2023 року, 10 найбільших виробників акумуляторів для електромобілів сконцентровані у Південно-Східній Азії, а саме у трьох країнах — Китаї, Південній Кореї та Японії.

Китайська компанія CATL стрімко зросла менш ніж за десять років та є найбільшим виробником акумуляторів у світі з часткою ринку 34%. Тоді як у 2023 році BYD випередила LG Energy Solution і посіла друге місце. Це відбулося завдяки попиту на власні моделі та зростанню кількості угод із сторонніми компаніями. Наразі китайські компанії посідають чи не усі позиції у рейтингу, що створює монополію на ринку.

Яке майбутнє очікувати?

Підписуйтеся на наші соцмережі

Попри труднощі науковці не сидять без діла. Інженери-хіміки оптимізують катоди та аноди, експериментують із структурами осередків і вигадують, як спростити виробництво та перероблення акумуляторів. Час від часу з’являються гарячі повідомлення про проривні винаходи, які обіцяють удвічі збільшити запас ходу чи скоротити час заряджання до 10 хвилин. 

Прогрес у технології акумуляторів як для побутової електроніки, так і для електромобілів є поступовим і відбувається з моменту появи сучасних літій-іонних елементів майже 30 років тому. Три чинники разом сприяють зниженню витрат приблизно на 8% на рік: вдосконалення хімічного складу акумуляторів, вища продуктивність на заводах з виробництва елементів та економія завдяки масштабу за великого виробництва.

Які технології використовують сьогодні?

Гібридні, плагін-гібридні та повністю електричні транспортні засоби використовують акумуляторні батареї для живлення своїх електродвигунів. Тип батареї залежить від типу транспортного засобу.

Гібриди зазвичай мають найменші акумулятори, тоді як гібриди з можливістю підзаряджатися (PHEV) та повністю електричні транспортні засоби (EV) мають більші акумулятори. 

На відміну від акумуляторних батарей у вашому телефоні або ноутбуці, акумулятори для електромобілів мають складні системи охолодження та програмне забезпечення для керування батареєю, що забезпечує їхню продуктивність і запас ходу протягом багатьох років надійної служби. 

Цікаво, що законодавство США вимагає, аби гарантія на батареї становила щонайменше вісім років, або 100 тис. миль пробігу. В Україні такого законодавства немає, зважаючи на відсутність автомобілебудування. Більшість батарей, що використовують у помірному кліматі, прослужать понад 15 років, а часто й довше, ніж термін служби самого транспортного засобу.

Сучасні автомобілі використовують чотири типи акумуляторів: 

Більшість сучасних електромобілів використовують саме літій-іонні акумулятори. Це та сама технологія, що й у смартфонах та ноутбуках, і відома високим співвідношенням потужності до ваги. Дуже ефективні та здатні витримувати високі температури, вони наразі є найкращим варіантом для утримання стабільного заряду і придатні для перероблення. 

Однак літій-іонні акумулятори стали об'єктом пильної уваги через не надто екологічний спосіб видобутку матеріалів для них. Так, для очищення однієї тонни літію потрібно 500 тис. галонів води (приблизно 1 892 000 л). Існує багато типів літій-іонних акумуляторів з різним хімічним складом. Новіший тип літій-іонних батарей, який називається літій-залізо-фосфат (скорочено LFP), містить менше критично важливих мінералів, що робить їх дешевшими і більш екологічними у виробництві. Акумулятори LFP не мають такої ж здатності швидко заряджатися і розряджатися, але вони роблять звичайні електромобілі доступнішими, ніж будь-коли.

1892705 літри

1892705

1892705

Інші популярні акумулятори — нікель-металогідридні (або Ni-MH) — використовують у гібридних автомобілях, які поєднують бензиновий двигун з електродвигуном. Ці автомобілі використовують енергію бензину для підзаряджання бортової батареї та мають довгостроковий ресурс, проте вони дорогі у виготовленні. 

Свинцево-кислотні та ультраконденсатори використовують як вторинні накопичувачі й допомагають вирівняти навантаження на літій-іонні батареї.

Твердотілі батареї покликані врятувати світ: коли очікувати на інновації

Нові технології, як-от твердотілі батареї, з’являться на масовому ринку уже за кілька років. Вони пропонують більшу щільність енергії, швидше перезаряджання і кращу безпеку, ніж елементи з рідкими електролітами. Деякі з них повністю відмовляються від сучасних графітових анодів — речовини, перероблення і постачання якої майже повністю контролюють китайські виробники.

Комерціалізація триває, і великі автоконцерни — від японських до європейських — намагаються випустити такі акумулятори у найближчі 5-10 років. Поки що перевагу у цьому мають японські компанії, і ось чому.

Toyota оголосила про свої плани щодо акумуляторів: використанням твердотілих батарей може збільшити запас ходу майже на 70% і скоротити час швидкого заряджання постійним струмом на 10-80% з 30 хвилин до 10. Хоча на будь-які заяви про запас ходу суттєво впливають припущення щодо базового транспортного засобу та його характеристик, як-от вага та аеродинаміка.

Раніше Toyota повідомила в інтерв'ю з Autoline під час CES 2022, що її перший автомобіль з твердотілими батареями надійде у продаж до 2025 року. Компанія додала, що першими автомобілями Toyota, які використовуватимуть нові батареї, будуть гібриди, а не повністю електричні транспортні засоби. Щоправда, ми поки що так і не отримали свого нового автомобіля.

У листопаді 2024 року компанія Honda оголосила про те, що вона створить тестову виробничу лінію для твердотілих елементів, щоб зрозуміти, які матеріали та процеси забезпечать конкурентоспроможні за вартістю великі обсяги для нової технології.

Компанія Nissan підтвердила, що випустить свій перший серійний автомобіль на твердотілих акумуляторах наступного покоління у 2028 році, після того як новаторську силову установку випробують у реальних умовах до 2026-го.

Нещодавно компанія Stellantis заявила, що її партнер Factorial протестує власні «напівтверді» елементи, використовуючи «квазітвердий електроліт» з літієвим анодом (а не графітовим) у реальних умовах випробувань в парку електричних Dodge Charger Daytonas, але не раніше 2026 року.

Інші автовиробники також придивляються до твердотілих технологій. Наприклад, компанія MG, що належить SAIC, планує випустити свій перший автомобіль на твердотілих батареях до 2025 року, а компанія IM Motor вже представила модель L6 з напівтвердотілою батареєю ємністю 133 кВт-год, яка має разючий запас ходу і можливість швидкого заряджання.

Як і будь-яке досягнення на передовій електричних або електронних технологій, твердотілі елементи важко перенести з лабораторії у серійне виробництво електромобілів вже сьогодні. На кожні 100 багатообіцяльних лабораторних випробувань акумуляторів, можливо, один із них дійде до лінії прототипів. Toyota засвоїла цей урок 15 років тому, коли не змогла виготовити літій-іонну батарею, яку обрала для третього покоління Toyota Prius 2010 року, і була змушена повернутися до своїх перевірених 15-річних нікель-металгідридних елементів.

Реанімування автомобілебудування: тепер без китайських батарей?

Сіва Сіварам, генеральний директор стартапу QuantumScape, що розробляє чисті твердотільні елементи, в інтерв'ю Reuters у грудні 2024-го сказав: «У 2025 році щонайменше дві компанії повідомлять, що у них є твердотіла батарея. А до кінця 2025-го хтось оголосить, що планує автомобіль з твердотілими батареями». А потім обережно додав: «Твердотілі батареї будуть вироблятися у великих обсягах наприкінці цього десятиліття».

Чи будуть причетні до цього китайці? «Я не думаю, що чисті твердотілі елементи прийдуть з Китаю», — сказав він. (Китайські виробники елементів і компанії, що випускають електромобілі, звісно, відрізняються.) 

Повна відмова від графітових анодів, зазначив Сіварам, підриває одну з сильних сторін Китаю в галузі електромобільних батарей. Це звільнило б виробників акумуляторів від потреби у матеріалі, ланцюжок постачань якого сьогодні контролює Китай. 

Отже, анонси свідчать про те, що твердотілі елементи дійсно з'являться в електромобілях, які продаватимуть у Північній Америці, можливо, ще до 2030 року. Але ми б не оголошували конкретний рік, в якому це станеться, принаймні поки що.

Підписуйтеся на наші соцмережі