Cobalt Red

Чтобы добиться массового распространения электромобилей на запланированных уровнях, необходимо, чтобы батареи электромобилей стали дешевле и смогли обеспечить большую дальность пробега между зарядками. Цены на литий-ионные аккумуляторы неуклонно снижаются, поскольку производители электромобилей стремятся достичь паритета стоимости с автомобилями внутреннего сгорания. Стоимость производства литий-ионных аккумуляторов, измеряемая в ценах за киловатт-час, снизилась на 89 процентов - с 1200 долларов за киловатт-час в 2010 году до 132 долларов за киловатт-час в 2021 году. По прогнозам, к 2024 году себестоимость достигнет важной отметки в $100/кВт-ч, и тогда EV достигнут ценового паритета с автомобилями, работающими на газе. 9 Не меньшее значение для ускорения внедрения EV, чем стоимость, имеет дальность пробега автомобиля между зарядками. Для увеличения дальности пробега требуются батареи с более высокой плотностью энергии, и только литий-ионные химические технологии с использованием кобальтовых катодов в настоящее время способны обеспечить максимальную плотность энергии при сохранении термической стабильности. Чтобы понять, почему это так, необходимо сделать краткий обзор принципов работы батарей.

Батареи служат портативными источниками электрической энергии, восстанавливая химический дисбаланс между катодом (положительным электродом) и анодом (отрицательным электродом). Катод и анод разделены химическим барьером, называемым электролитом. Когда катод и анод подключаются к устройству, создается цепь, в результате которой происходит химическая реакция, порождающая положительные ионы и отрицательные электроны на аноде. На катоде происходит противоположная реакция. Природа всегда стремится к равновесию, поэтому положительные ионы и отрицательные электроны на аноде движутся к катоду, но добираются до места назначения разными путями. Ионы проходят непосредственно через электролит к катоду, в то время как электроны проходят через внешнюю цепь к катоду. Электроны не могут пройти через электролит, потому что его химическая природа действует как барьер и заставляет их проходить через внешнюю цепь / устройство. Этот поток электронов создает энергию, которая питает устройство. По мере того как батарея вырабатывает электрическую энергию, химические вещества внутри нее постепенно "расходуются". Перезаряжаемая батарея, с другой стороны, позволяет изменить направление потока электронов и ионов с помощью другого источника энергии, который возвращает все в исходную точку. Различные материалы обладают разными способностями высвобождать, притягивать и накапливать электроны и ионы, и именно здесь в дело вступают литий и кобальт.

Химические технологии на основе лития стали доминирующей формой для перезаряжаемых батарей, поскольку литий - самый легкий металл в мире, что дает очевидные преимущества для потребительских технологий и электромобилей. Кобальт используется в катодах литий-ионных батарей, поскольку он обладает уникальной электронной конфигурацией, которая позволяет батарее оставаться стабильной при более высокой плотности энергии в течение нескольких циклов заряда-разряда. Более высокая плотность энергии означает, что батарея может держать больше заряда, что очень важно для увеличения дальности поездки электромобиля между зарядками.

Сегодня используются три основных типа литий-ионных аккумуляторов: литий-кобальтовый оксид (LCO), литий-никель-марганец-кобальтовый оксид (L-NMC) и литий-никель-кобальт-алюминиевый оксид (L-NCA). Литий составляет всего 7 процентов материалов, используемых в каждом типе батарей, в то время как кобальт может достигать 60 процентов. 10 У каждого химического состава батарей есть свои сильные и слабые стороны.

LCO-батареи обладают высокой плотностью энергии, что позволяет им хранить больше энергии на вес батареи. Это качество делает их идеальными для использования в потребительских электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, планшеты и ноутбуки. Компромисс заключается в том, что LCO-батареи имеют более короткий срок службы и выдают меньшее количество энергии, что делает их непригодными для использования в электромобилях.

Батареи L-NMC используются в большинстве электромобилей, за исключением Tesla, которая использует батареи L-NCA. С 2015 года в этих батареях наметилась тенденция к снижению доли кобальта за счет увеличения доли никеля. 11 Никель обладает меньшей термической стабильностью, чем кобальт, поэтому чем выше доля никеля в батарее, тем ниже ее стабильность и безопасность.

Ограниченные поставки и высокая стоимость кобальта не остались незамеченными для индустрии EV. Исследователи батарей работают над альтернативными конструкциями, которые могут минимизировать или вовсе отказаться от использования кобальта. В настоящее время большинство альтернатив без кобальта имеют существенные недостатки, связанные с плотностью энергии, термостабильностью, стоимостью производства и долговечностью. Кроме того, многие из них находятся на расстоянии десятилетия или более от коммерческого производства.