Литий стоит больших денег, так почему же мы не перерабатываем литиевые батареи?
Электромобили, электроинструменты, умные часы — литий-ионные аккумуляторы сейчас повсюду. Однако материалы для их изготовления конечны, и их получение имеет экологические, гуманитарные и экономические последствия. Переработка является ключом к решению этих проблем, но недавнее исследование показывает, что большинство литий-ионных аккумуляторов никогда не перерабатываются.
Литий и несколько других металлов, из которых состоят эти батареи, невероятно ценны. Стоимость необработанного лития примерно в семь раз превышает стоимость свинца того же веса, но, в отличие от литиевых батарей, почти все свинцово-кислотные батареи перерабатываются. Так что в игре есть нечто большее, чем чистая экономика.
Оказывается, есть веские причины, по которым утилизация литиевых батарей до сих пор не состоялась. Но некоторые компании рассчитывают изменить это, и это хорошо, поскольку переработка литиевых батарей станет важной частью перехода к возобновляемым источникам энергии.
Свинцово-кислотные уроки
Насколько велика разница между литиевыми и свинцовыми батареями? Согласно отчету Международного энергетического агентства за 2021 год, в 2021 году средняя цена одной метрической тонны карбоната лития для аккумуляторов составляла 17 000 долларов по сравнению с 2 425 долларами на рынках свинца в Северной Америке, и в настоящее время на сырье приходится более половины стоимости аккумуляторов.
Дисбаланс переработки также нелогичен с точки зрения поставок свежих материалов. По данным Геологической службы США, мировые источники лития составляют 89 миллионов тонн, большая часть которых происходит из Южной Америки . Напротив, мировые поставки свинца в 2 миллиарда тонн были в 22 раза выше, чем лития.
Несмотря на меньшее предложение лития, исследование, проведенное в Журнале Индийского института науки , показало, что менее 1 процента литий-ионных аккумуляторов перерабатывается в США и ЕС по сравнению с 99 процентами свинцово-кислотных аккумуляторов, которые чаще всего используются в газовых транспортных средствах и электрических сетях. Согласно исследованию, проблемы переработки варьируются от постоянно развивающейся технологии аккумуляторов до дорогостоящей транспортировки опасных материалов и неадекватного государственного регулирования.
Все ожидали постепенного отказа от свинца, но его продолжающийся экономический успех высокими показателями переработки.
Каждый раз, когда вы покупаете аккумулятор для своего автомобиля, вы должны вернуть весь аккумулятор, а затем он попадает в цепочку переработки. Это не сработало для литиевых батарей, отчасти потому, что существует очень много форматов. Связанная с этим проблема заключается в том, что технология литиевых батарей быстро меняется — каждые один-два года.
Но преодоление этих проблем утилизации является обязательным. Аккумуляторы на основе лития содержат больше энергии в меньшем корпусе по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами. Они имеют решающее значение для обезуглероживания транспорта и обеспечения повсеместного перехода на возобновляемые источники энергии, помогая обеспечить предсказуемое снабжение электроэнергией от ветровой и солнечной энергии. Достижение этих переходов в глобальном масштабе является масштабной задачей.
Соответственно, глобальное потребление лития увеличилось на 33% с 2020 года. Если будут достигнуты цели использования возобновляемых источников энергии, достаточные для того, чтобы остановить изменение климата, то, по данным МЭА, ожидается, что спрос на литий вырастет в 43 раза.
Литий — не единственный материал, который может ограничивать использование этих батарей. Анод и катод аккумуляторов содержат материалы, такие как кобальт и никель, которые также подвержены потенциальным перебоям с поставками. Таким образом, переработка может помочь решить множество проблем с поставками. Если вы хотите сделать новую батарею, старая батарея содержит точно такие же компоненты.
Бум по переработке аккумуляторов
В отчете Геологической службы США отмечается, что около двух десятков компаний в Северной Америке и Европе занимаются переработкой литиевых батарей или планируют это сделать — по сравнению с одним предприятием всего несколько лет назад.
Для тех немногих предприятий, которые могут регенерировать материалы из литий-ионных аккумуляторов, традиционные процессы недостаточно эффективны для рекуперации высококачественного лития для использования в переделке аккумуляторов. Например, метод пирометаллургии легко масштабируется и работает с батареями любого формата, но он включает в себя энергоемкий процесс с использованием высокой температуры для сжигания батареи. В то время как зола будет содержать полезные материалы, пирометаллургия может производить токсичные пары и ограничивать извлечение других ценных компонентов. Другие методы включают измельчение батареи, а затем извлечение материалов с использованием длительных и сложных химических процессов, которые различаются в зависимости от используемой технологии батареи.
Пути переработки материалов аккумуляторов сопряжены с разными проблемами и возвращают материалы на разные этапы производственного процесса
Прямая переработка является альтернативой, которая в основном разбирает батарею и сохраняет материалы катода и анода для восстановления. Этот метод находится в зачаточном состоянии, но он может быть дешевле, безопаснее и эффективнее. Процесс усложняется необходимостью вручную разбирать огромное количество форматов батарей. Блок литиевых батарей содержит модули элементов, и именно в этих элементах находятся ценные металлы. Ручной доступ к этим ячейкам выполним, но утомителен, а для обработки больших объемов необходима автоматизация.
Перерабатывать такие материалы немного сложнее. У шведского производителя аккумуляторов есть несколько программ в рамках инициативы, которую он называет Revolt, в том числе пилотный завод по переработке, который работает с конца 2020 года. Они также находятся в процессе разработки Revolt Ett, полномасштабного завода по переработке, готового выйти на объемы переработки в 125 000 тонн батарей в год, начиная с 2023 года.
Как и в большинстве компаний, процесс Northvolt не является прямой переработкой. Тем не менее, он разбирает батареи до уровня модулей, прежде чем начинать дробление, измельчение или химические процессы. Прошлой осенью компания Northvolt произвела свой первый аккумулятор только из переработанного материала. У Northvolt есть робот, который он настраивает на своей экспериментальной установке, и компания надеется в будущем значительно автоматизировать большую часть процесса демонтажа.
Часть плана компании по обеспечению успеха переработки также включает калибровку рынка, чтобы убедиться, что переработка является системно интегрированной, что поддерживается четким регулированием.
Снятие с производства
Сегодня многие технологии переработки берут всю батарею и просто бросают ее в печь и плавят, или бросают в измельчитель и измельчают. В Gigafactory процесс переработки, состоящий из двух частей, включает в себя эту разборку, за которой следует гидрометаллургический или химический процесс. В настоящее время компания ABTC строит свой первый объект в северной Неваде, который может извлекать материалы для аккумуляторов менее чем за три часа. Компания ожидает, что он будет завершен к концу 2022 года и сможет принимать 20 000 метрических тонн вторсырья в год. Если это будет достигнуто, это составит около пятой части общего веса лития-сырца, произведенного в 2021 году.
Несмотря на быстрые технологические изменения, более длительный срок службы литиевых батарей дает возможность приспосабливаться к перерабатывающим предприятиям. Большинство литиевых батарей используются в течение многих лет, прежде чем потребуется замена, что может помочь таким компаниям, как ABTC, подготовиться к следующему этапу переработки.
Создание экономики замкнутого цикла
Один из способов сделать вторичную переработку повсеместной — заставить производителей думать о возможности вторичной переработки с самого начала. В последние годы эта идея набрала популярность: производители и переработчики работают вместе, чтобы получить прибыль, создавая как можно меньше отходов. В линейной экономике, когда батарея разряжается, она оказывается на свалке. В экономике замкнутого цикла вместо того, чтобы выбрасываться, батареи начинают свою жизнь заново в качестве сырья и возвращаются обратно в производственную цепочку. Это означает, что теоретически все вовлеченные компании могут бесконечно получать прибыль, практически не тратя впустую материал.
Но чтобы циклическая экономика батарей работала, заводы по переработке должны соответствовать производительности заводов-изготовителей. Потому что до сих пор нет заводов по переработке в промышленных масштабах.
Это обеспечит стабильные поставки, снизит затраты и, возможно, уменьшит воздействие на окружающую среду по сравнению с добычей полезных ископаемых. Для достижения этой цели необходимо развивать партнерские отношения на всех этапах цепочки поставок, от нефтеперерабатывающих заводов до производителей автомобилей и переработчиков аккумуляторов.
Здесь пригодится опыт переработки свинцово-кислотных аккумуляторов:
везде, где вы можете купить аккумулятор, вы можете вернуть его. Самый простой выбор оказался эффективным для свинцово-кислотных аккумуляторов, и нечто подобное должно последовать и для литий-ионных.
Инновации для литий-ионных аккумуляторов все еще находятся в зачаточном состоянии, и основные разработки произошли немногим более чем за последнее десятилетие, по сравнению с полувековой давностью для свинцово-кислотных аккумуляторов.
Мировой и российский рынок лития – новой нефти энергоперехода
Вы читаете эту статью с экрана гаджета или ноутбука благодаря таким достижениям человечества, как электричество, интернет и литий-ионный аккумулятор. Создатели последнего в 2019 году получили Нобелевскую премию. Но дело не только в гаджетах. Ранее я много писал о развитии безуглеродных технологий в энергетике. Развитие электротранспорта и накопителей энергии для поддержки возобновляемой энергетики составляют важную часть ухода человечества от сжигаемых топлив. При этом энергопереход требует не только новых технологий, но и новых материалов. На смену углеводородам приходят новые ресурсы. Один из главных среди них — литий, который иногда называют нефтью 21-го века. Эта статья посвящена обзору рынков лития и технологий его применения, и перспективам России на этих рынках.
Революционное изобретение
Промышленному использованию лития чуть меньше 100 лет. В 1923 году его первая промышленная добыча составила всего 46 тонн в год. Но за этот век области применения лития несколько раз менялись. Он использовался для производства огнестойкого стекла и керамики, смазок для авиационных двигателей, в атомной промышленности.
Первые химические накопители электроэнергии изобрели более 200 лет назад, но прорыв в их применении случился относительно недавно. В начале 1970-х году Майкл Уиттингем впервые продемонстрировал возможность создания литиевых аккумуляторов, в которых происходило обратимое движение ионов лития между катодом и анодом, а не химическое разрушение последних, как в других химических элементах питания. В 1980-е Джон Гуденаф подобрал улучшенный материал для катода с кобальтом, повысивший напряжение аккумулятора. А современный вариант литий-ионного аккумулятора с анодом из графита и катодом из кобальтита лития создал Акира Ёсино. Первый литий-ионный аккумулятор по его патенту выпустила корпорация Sony в 1991 году.
В 2019 году Уиттингем, Гуденаф и Ёсино получили Нобелевскую премию по химии с формулировкой «За создание литий-ионных батарей» в полном соответствии с завещанием Нобеля, призвавшего вручать премии не только за выдающиеся научные исследования, но и за революционные изобретения, приносящие наибольшую пользу человечеству.
Уиттингем, Гуденаф и Ёсино
Литий-ионные аккумуляторы действительно совершили революцию в накоплении энергии. Легкие и компактные, они в разы превышают традиционные аккумуляторы по запасаемой энергии на единицу массы (более 250 Вт*ч/кг против 40 Вт*ч/кг у свинцово-кислотных), обладают большой длительностью работы и числом циклов зарядки, у них практически отсутствует эффект памяти. При этом развитие технологии литий-ионных аккумуляторов и улучшение их свойств активно продолжается.
Рынок лития
В 1991 году, когда Sony выпустила на рынок первый литий-ионный аккумулятор, мировые объемы потребления легкого металла составляли около 5000 т. С бумом бытовой электроники рост потребления лития для аккумуляторов растет. Но лишь спустя четверть века, в 2015 году, по данным геологической службы США, литий-ионные аккумуляторы становятся основным сегментом использования лития, превысив 35% от его мирового потребления. А с 2017 основной объем аккумуляторов приходится на электромобили.
В 2020 году уже 71% мирового потребления лития приходится на рынок литий-ионных аккумуляторов. В абсолютных цифрах объемы добычи лития выросли с 5000 т в 1991 до более 85000 в 2020. Ниже представлен график мировой добычи по данным Геологической службы США (USGS).
Электромобили как драйвер роста
Основным драйвером потребления литий-ионных аккумуляторов в последнее десятилетие стало растущее производство электромобилей. В 2010 году их было всего порядка 100 тыс. штук, но за 10 лет их количество на дорогах выросло в 100 раз.
Сборка аккумуляторных батарей электромобилей Ауди
В 2020 году продажи легковых электромобилей во всем мире уже превысили 3 миллиона, что составило около 4,6% их мировых автопродаж. А общий мировой автопарк легковых электромобилей превысил 10 млн. Кстати, машин Tesla из них всего 2 млн.
Электрификация разных сегментов транспорта идет неравномерно. Если среди грузовиков доля электромобилей в продажах пока около 1%, то в сегменте автобусов она уже достигает почти 40%. Почти половина мирового парка электрического автотранспорта находится в Китае. (Global EV Outlook 2021 IEA, Electric Vehicle Outlook 2021 BNEF).
Мировой рынок электротранпорта по регионам (слева) и по типам транспорта (справа)
И темпы электрификации транспорта будут нарастать. Более 20 стран и 70 городов уже объявили о планах поэтапного отказа от транспорта с двигателями внутреннего сгорания в ближайшие десятилетия. В случае сохранения текущих темпов развития, по прогнозам Международного энергетического агентства, к 2030 году продажи электромобилей в мире достигнут 20 млн. в год, а к 2040 г. — 30 млн.
Мировой парк электромобилей к 2030 году вырастет минимум в 15 раз и достигнет в зависимости от сценария развития от 145 млн. до 245 млн. штук, или 7%-13% всего автопарка.
По прогнозу BNEF, уже к 2035 году доля электромобилей в продажах новых авто в среднем по миру достигнет 50% даже без специальных мер по стимулированию. В Европе уже сейчас, в 2021 году, этот показатель подбирается к 20%.
Прогноз структуры продаж новых автомобилей по типам. Данные Bloomberg ENF.
В 1991 году весь мировой объем рынка литий-ионных аккумуляторов был менее 130 кВт*ч, т.е. сопоставим с емкостью аккумуляторов всего пары современных автомобилей Tesla. К 2020 суммарная накопленная емкость всех литий-ионных аккумуляторов в мире выросла в миллионы раз и превысила 500 ГВт*ч. Из них около 180 ГВт*ч были добавлены только в 2020 году. Из них 134,5 ГВт*ч пришлось на аккумуляторы легковых электромобилей. Кстати, средняя емкость батареи проданного в 2020 году электромобиля была около 43 кВт*ч.
С 2017 года общая емкость батарей электромобилей в мире (тогда чуть менее 100 ГВт*ч, а сейчас более 300 ГВт*ч) превысила емкость аккумуляторов потребительской электроники.
Суммарная накопленная емкость литий-ионных аккумуляторов по отраслям
На 2020 год литий-ионные аккумуляторные ячейки производятся на 181 крупных мегафабриках (производительностью более 1 ГВт*ч), из которых 136 находятся в Китае, а в Европе и США лишь 16 и 10, соответственно. Объем рынка литий-ионных аккумуляторов в денежном выражении в 2020 году — более $46 млрд.
Прогноз годовых продаж литий-ионных баратей по сегментам. Данные Statistica
Ожидается, что к 2030 году годовые продажи автомобильных аккумуляторов вырастут минимум в 10 раз и составят не менее 1300-1500 ГВт*ч.
Несмотря на амбициозную задачу по наращиванию мощностей накопителей энергии для сглаживания непостоянной выработки от возобновляемых источников энергии, ожидается, что в 2030 году именно на аккумуляторы для электромобилей будет приходиться более 90% всей их емкости. Это подчеркивает центральную роль электромобилей на рынке аккумуляторов и сейчас и в ближайшие десятилетия.
Кстати, с электроэнергией проблем быть не должно. Да, потребность в электроэнергии для автотранспорта вырастет почти до 1000 ТВт*ч в год в 2030, а к 2050 вырастет еще в 5-8 раз. В Европе, где доля электротранспорта ожидается наиболее высокой, на него через 10 лет будет уходить до 6% электроэнергии. По оценкам Bloomberg NEF, если весь транспорт к 2050 году будет электрифицирован, это приведет к росту потребления электроэнергии на 25%. Но с учетом тренда на электрификацию, в мире и без того ожидается утроение (по прогнозам IRENA) потребление электроэнергии по сравнению с сегодняшним уровнем.
Стоимость литий-ионных батарей
За счет роста производства и внедрения новых технологий стоимость литий-ионных батарей за 30 лет упала почти в 50 раз. С более чем $7500 за кВт*ч в 1991 году до $137 за кВт*ч в 2020 (см график из Nature ниже). По оценкам экспертов Bloomberg ожидается, что ценовая отметка аккумуляторов в $100 за кВт*ч, при которой может быть достигнут ценовой паритет электромобилей с сопоставимыми бензиновыми автомобилями, будет преодолена в ближайшие 2-3 года. И даже колебания цен на рынке сырья не смогут существенно отсрочить эту планку более чем на пару лет.
Падение цены на литий-ионные аккумуляторы за последние 30 лет
По оценкам BNEF в настоящий момент доля аккумуляторной батареи в итоговой стоимости среднего электромобиля опустилась до рекордных 21%. Еще 5 лет назад ее вклад был втрое выше, почти 57%. При этом стоимость самого лития в батарее не превышает нескольких процентов.
Спрос на литий и колебания цен
Для литий-ионной батареи одного электромобиля емкостью около 100 кВт*ч нужно в среднем порядка 8-10 кг лития, 35 кг никеля, 20 кг марганца, 14 кг кобальта и до 70 кг графита (Nature, IEA, Barrons). Но это очень условная и непостоянная пропорция, поскольку технологии меняются, снижается ресурсоемкость аккумуляторов, подбираются новые материалы, в том числе даже создаются литий-ионные аккумуляторы без использования никеля, кобальта и магния. И даже литию пытаются найти замену в виде натрия.
Однако литий-ионные аккумуляторы как класс прочно заняли свою нишу в накопителях энергии и остаются наиболее эффективными. А их ключевой компонент, вынесенный в название, остается незаменимым материалом. Спрос на него в ближайшие 20 лет может вырасти более чем в 40 раз, тогда как на другие компоненты лишь в 7-25 раз (см график ниже).
Прогнозиреумый рост спроса на критически важные минералы для литий-ионных батарей по сравнению с 2020 годом
При этом добыча лития уже выросла втрое за последние 10 лет. В 2016 году Илон Маск уже заявил, что для выпуска 500 000 автомобилей Tesla на одной Гигафабрике ему придется скупать весь литий мира. На тот момент он был не так уж и неправ. А сейчас таких гигафабрик по миру строится уже несколько.
Не столкнется ли электротранспортный прогресс с дефицитом лития в будущем и не создаст ли это новых проблем и зависимостей? Короткий ответ на оба вопроса — вполне возможно.
С одной стороны, литий довольно распространенный металл на Земле. Его текущие разведанные мировые запасы по данным Геологической службы США (USGS) составляют 21 млн.т, чего должно хватить на несколько десятилетий. К тому же запасы эти отражают лишь ресурсы, которые могут быть освоены по текущим технологиям и на текущем уровне цен. С ростом спроса, развитием технологий и цены ресурса, объем разведанных запасов будет увеличен. Литий в теории можно добывать хоть из морской воды.
Но с другой стороны, ажиотажный спрос на литий-ионные аккумуляторы может расти так стремительно, что добывающая отрасль с геологоразведкой и подготовкой новых месторождений может за ним и не поспевать.
Разрыв ожидаемого спроса (красная линия) и предложения лития от существующих проектов его добычи
Для справки: выше на графике показан баланс спроса/предложения лития в LCE (Lithium carbonate equivalent — эквивалент карбоната лития). Эта величина часто используемая для количественного измерения рынка лития. 1 тонна металлического лития = 5,323 тонн LCE.
Например, на текущий момент ряд аналитиков (Benchmark, на рис. выше, или UBS) прогнозируют к 2025 году разрыв между возможным спросом и предложением исходя из существующих планов развития добычи в размере, сопоставимом с объемом всего рынка в 2016 году, т.е. дефицит в размере около 35 тыс.т. металлического лития.
Дисбаланс спроса и предложения не может не отражаться на ценах. С 2002 по 2015 год (как раз перед заявлением Маска о необходимости Tesla всего лития мира) цены на карбонат лития выросли примерно втрое и не превышали $6 тыс. за тонну.
Но к 2018 году цены достигли исторического пика — более $18 тыс. за тонну. После чего последовал спад, вызванный перепроизводством и пандемией COVID-19. В 2020 году производство лития превысило спрос почти в полтора раза. Это вызвало свертывание ряда новых небольших проектов по добыче лития в Австралии и Канаде.
Однако мировая экономика быстро восстанавливается, спрос на литий растет уже больше года. Только с начала 2021 года цена на литий уже подскочила вдвое и подбирается к очередному рекорду.
Цены на карбонат лития в тысячах долларов за тонну.
Но как бы не менялась зигзагообразная кривая цены на литий, его доля в стоимости аккумуляторной батареи электромобиля составляет не более нескольких процентов. Сами батареи дешевеют, и спрос на них растет. Так что спрос на литий в ближайшие десятилетия будет только расти. А значит будет расти и спрос на новые месторождения и источники лития.
Добыча лития
Крупнейшие разрабатываемые месторождиня лития находятся в Австралии и Южной Америке — Чили, Бразилии, Аргентине, а так же в Китае. В таблице ниже представлены данные по добыче и разведанным запасам лития в крупнейших странах-поставщиках металла по данным USGS.
Производство лития в 2020 г, т (металл)
Разведанные запасы, т (металл)
Добыча лития ведется двумя основными способами. Первый, исторически появившийся раньше и чуть более дорогой по себестоимости — путем добычи руды в виде минерала сподумена, с дальнейшим извлечение карбоната лития. Себестоимость добычи лития таким способом может достигать $5-6, но при высоких ценах на литий и она позволяет работать в прибыль.
Второй способ появился в 1990-е и больше характерен для месторождений Южной Америки — это выпаривание рассолов из подземных соляных озер, содержащих высокие концентрации солей лития. Себестоимость процесса в несколько раз ниже, до 1-3 $ за кг. карбоната лития, поскольку цепочка переделов у него ниже, а выпаривание происходит естественным путем в открытых озерах-бассейнах на палящем солнце в горных пустынях Южной Америки.
Кроме того, рассол содержит и другие востребованные минералы, такие как калий, магний и др, что еще повышает экономическую отдачу. Правда процесс естественного выпаривания занимает около года, так что масштабирование такого производства имеет определенный временной лаг.
Солевые литиевые бассейны в солончаке Салар-де-Атака́ма на юге Чили. Это вид сверху на участок размером 6 на 10 км. Рядом еще два сопоставимых по площади.
Крупнейшие месторождения разрабатывают международные корпорации. Топ пять крупнейших поставщиков лития в 2021 году по данным Mining Technology выглядит так:
Jiangxi Ganfeng Lithium (Китай). Ведут добычу лития в Китае, Австралии, Аргентине и Мексике.
Albemarle (США). Ведут добычу лития в Чили и США.
Tianqi Lithium (Китай). Ведут добычу в Китае и Австралии.
SQM — Sociedad Química y Minera (Чили). Работают в Чили, Аргентине и Австралии.
Pilbara Minerals (Австралия). Разрабатывает одно из крупнейших рудных месторождений мира в западной Австралии, в регионе Пилбара.
Переработка литий-йонных батарей
С учетом все большего роста рынка литий-ионных батарей, их переработка может стать не только способом решения проблемы с накоплением опасных отходов, но и крупным вторичным источником лития и других ценных материалов. Высокая доля переработки б/у батарей (сейчас не менее 50%, а будет выше) так же закладывается в регулирующие документы энергоперехода для многих регионов, в первую очередь Европы.
С учетом небольшой деградации литий-ионных батарей, после их использования в электромобилях (после снижения емкости до 80%) можно будет использовать их в системах накопления энергии, как это уже делается сейчас. Но этот процесс не бесконечен, а технологии аккумуляторов развиваются, позволяя извлекать больше пользы из того же количества материалов. Так что основной способ утилизации батарей — их переработка.
Механическое измельчение литий-ионных аккумуляторов при переработке
Сейчас переработка проводится двумя основными способами. Пирометаллургическим, при котором измельченные аккумуляторы плавятся с дальнейшим разделением компонент, и гидрометаллургическим, при котором они растворяются в кислоте, а затем высушиваются и выделяются из «черной массы».
Прогнозируемый Circular Energy Storage объем б/у литий-ионных аккумуляторов, доступных к переработке, по секторам
На текущий момент объем отработавших свой срок литий-ионных аккумуляторов электромобилей достиг порядка 2 ГВт*ч (более 13 тыс.т). Пока он относительно небольшой по сравнению с отработавшими аккумуляторами других сегментов, в основном бытовой электроники. Суммарно сейчас перерабатывается более 200 тыс.т. аккумуляторов, и это менее половины от всего объема аккумуляторных отходов.
Но по прогнозам IEA, с середины 2020-х б/у аккумуляторы автомобилей начнут доминировать в объёме отработавших литий-ионных аккумуляторов. А общий объем доступных к переработке отходов к 2030 году превысит 1200 тыс.т. С учетом существующих технологий по извлечению до 95% компонентов из батарей, это позволит возвращать на рынок до 10% необходимого сырья — никеля, кобальта и т.д.. Конкретно лития можно будет извлекать из этого вторичного источника в размере 2-7% от рыночного спроса, или до 15 тыс.т. Еще 10-15% аккумуляторов к 2030 г. смогут быть вторично использованы в системах хранения.
На 2020 год в деньгах мировой рынок переработки литий-ионных аккумуляторов составляет около $2 млрд.. При этом 50% мощностей по переработке находятся в Китае, у дочерней компании CATL, одного из крупнейших производителей аккумуляторов. К 2030 году рынок вырастет минимум в 6-10 раз.
А что в России
В СССР первый литиевый рудник заработал еще в 1942 году на Завитинском пегматитовом месторождении, которое разрабатывалось Забайкальским ГОКом. Однако в 1990-е месторождение было законсервировано, сначала потеряв госзаказ, а затем не выдержав конкуренции с южноамериканскими производителями.
Красноярский химико-металлургический завод, который в советское время выпускал гидроксид лития из сырья с Завитинского месторождения, с 1998 года работает на импортном сырье.
С 2017 года в МИСИС разрабатывается технология извлечения лития из отвалов производств, в том числе Завитинского месторождения. В случае успешного внедрения ожидается, что из 20 млн.т. отвалов можно будет извлечь до 40 тыс. т. карбоната лития. Проект ведется в сотрудничестве дочерних компаний Русала и Росатома.
Интерес к литию проявляет и углеводородная отрасль. У Газпрома и ИНК (Иркутская нефтяная компания) есть проекты по извлечению лития из попутных гидроминеральных рассолов на газовых и нефтяных месторождениях в Иркутской области. Проведены НИОКР, даже получены первые партии сырья, но других подробностей пока не сообщается.
Холдинг «Атомредметзолото», который входит в структуру Росатома, сейчас рассматривает варианты по вложению до 50 млрд.р. в проекты добычи лития как в России (Мурманская и Иркутская области), так и за рубежом (Южная Америка, Африка).
За рубежом через уранодобывающий холдинг Uranium One Росатом уже несколько лет ищет варианты вхождения в литиевые проекты в Аргентине, Чили, Боливии, а так же в Нигерии. Подробности переговоров пока тоже не уточняются, но утверждается, что компания обладает технологией более эффективного извлечения лития из рассолов — до 70% против существующих 30%.
Год назад, в сентябре 2020 г., генеральный директор АО «Техснабэкспорт» Сергей Полгородник в интервью газете «Страна Росатом» сообщил, что цель Росатома — с 2023 года начать производство лития из рудного сырья, а к 2025 году – из гидроминерального сырья (рассолы). К 2025 году планируется занять 3,5% мирового рынка лития, а к 2030-му — 9-10%.
Но на текущий момент, по данным правительственной стратегии развития электротранспорта, до 1500 т лития ежегодно в Россию импортируется, хотя собственные запасы на 16 месторождениях оцениваются в 1-1,5 млн.т. Это порядка 5% мировых запасов.
В плане производства литий-ионных аккумуляторов есть более конкретные примеры и планы, пусть и не всегда удачные. В 2011 году Роснано был построен крупнейший в России завод по выпуску литий-ионных батарей «Лиотех» проектной мощностью 1 ГВт*ч в год. Однако к 2014 году из-за низкого спроса он приостановил работу, а в 2016 обанкротился. Лишь в конце 2019 года было заключено мировое соглашение с кредиторами и завод кое-как продолжил работу. Но судя по всему отсутствие средств на технологическое обновление ставит под большой вопрос его дальнейшее существование. Сейчас на главной странице сайта говорится о сниженной в 10 раз от проектной мощности и о распродаже аккумуляторов со скидкой в 75%.
Зато в 2021 этом году дочерняя структура Росатома (ООО «Ренера») купила 49% южнокорейского производителя литий-ионных батарей Enertech International Inc. И недавно были озвучены планы по строительству в Калининградской области, на площадке законсервированной Балтийской АЭС, совместного завода по производству литий-ионных ячеек и аккумуляторов. Завод должен заработать к 2026 году, а его мощность составит не менее 3 ГВт*ч в год, с возможностью расширения до 12 ГВт*ч в год.
В области переработки аккумуляторов в России тоже уже есть пусть небольшая, но многолетняя история. Одним из первых, еще в 2014 году, переработкой литий-ионных аккумуляторов занялся небольшой частный завод Мегаполисресурс в Челябинске. В 2015 году мне даже довелось побывать на нем, по ссылке можно посмотреть этот репортаж с моими фотографиями.
Долгие годы компания была единственным местом, где перерабатывались аккумуляторы, поэтому с ними работали даже крупные сети типа ИКЕИ или администрации крупных городов. Применяемая ими гидрометаллургическая технология позволяет выделять ценные элементы типа кобальта, меди, лития и алюминия и даже делать процесс переработки прибыльным. Но до сих пор главной проблемой является отсутствие централизованной системы сбора и небольшой поток входящего сырья, так что эта деятельность во многом для них факультативна.
Батарейки и аккумуляторы на заводе Мегаполисресурс, в т.ч.привезенные автором
Сейчас за переработку опасных химических отходов, в том числе и литий-ионных аккумуляторов, берется все тот же Росатом. К 2024 году в Дзержинске Нижегородской области его дочерняя структура АО «Русатом Гринвей» планирует построить крупнейший завод по переработке литий-ионных аккумуляторов. Технологическая основа взята в Германии — у компаний Redux Recycling GmbH. Завод будет иметь пять автоматизированных линий сортировке и переработке разного типа батарей общей производительностью до 50 тыс. т. в год. Размер инвестиций в производство — 5 млрд рублей.
Предполагается, что у госкомпании не будет проблем с поставкой продукции от переработки (на тот же завод в Калининградской области) и централизованным сбором отработавших аккумуляторов. К моменту запуска завода может быть налажен сбор батарей электробусов, работающих или планирующихся к поставке в крупные города. В том числе в самой Нижегородской области, которая стала одним из пилотных регионов по развитию электротранспорта в России.
Собственно, электробусы — это самый массовый и пока практически единственный серийно выпускаемый вид электротранспорта в России. Вполне, кстати, в рамках мировых тенденций. Как я писал выше, доля электрификации автобусов самая высокая — до 40% в новых продажах по миру.
Электробусы у нас выпускают КАМАЗ и ЛИАЗ. В Москве уже работают 750 электробусов, к 2024 году их количество планируется довести до 2200 штук (1/3 от общего числа автобусов), а к 2030 году планируется заменить на электробусы все автобусы столицы. Параллельно этот опыт планируют распространять и на другие крупные города.
Емкость батарей наиболее популярной модели KAMAZ-6282 80 кВт*ч, а сами аккумуляторы японского производства. Но не исключено, что с пуском калининградской мегафабрики, степень локализации отечественных электробусов повысится и они перейдут на российско-корейские аккумуляторы.
Электробус KAMAZ-6282. Самый массовый отечественный электротранспорт. Фото с сайта производителя
Согласно же недавно принятой Правительством Концепции развития электротранспорта в России до 2030 года, к 2025 году планируется произвести в стране 25 тыс. электротранспортных средств, а число зарядных станций довести до 9,4 тыс. штук. Видимо электробусы внесут существенный вклад в число этих транспортных средств, их выпускают до 300 шт. в год.
Легковые же и коммерческие электромобили в России пока не выпускают, хотя некоторые разработки есть у КАМАЗа, ГАЗа и Волгабаса. Общее число зарегистрированных электромобилей в России на начало 2021 года составляет около 11 тыс. штук. Но согласно правительственной стратегии, в 2023 году планируется запуск сборки электромобилей KIA и Hyundai в Калининграде. Возможно, расчет по достижению количества отечественных электромобилей сделан именно на них.
Выводы
Литий действительно «новая нефть» или как минимум один из новых «углеводородов». Но, как и с традиционными углеводородами, главный выигрыш в экономике дает не только и не столько наличие ресурса, сколько знания и люди, позволяющие получать в новом литиевом мире высокотехнологичную продукцию с высокой добавленной стоимостью.
Весь рынок добычи лития в 2020 году составляет порядка $5 млрд. Физически литий в основном добывается в Австралии, Чили и Китае, при этом существенная часть добычи контролируется компаниями из Китая и США. Как и переработки б/у аккумуляторов.
Мировой рынок литий-ионных аккумуляторов составляет уже около $45 млрд. и в основном сосредоточен в Китае и Южной Корее. На 2021 год всего 6 компаний, китайские BYD, CATL и SK Innovation и южно-корейские LG Energy Solution, Panasonic и Samsung SDI занимают 89% рынка производства литий-ионных элементов и батарей для электромобилей.
Мировой рынок легковых электромобилей в 2020 году превысил $120 млрд. И тут не смотря на известность Tesla заправляют в основном китайские производители, а к ним подбираются переориентирующиеся мировые автогиганты.
Поэтому если Россия хочет успеть занять свое место в стремительно формирующемся рынке энергоперехода на «новую нефть», то нам действительно стоит кооперироваться с мировыми игроками, как это в принципе сейчас и делается разными госкорпорациями, и больше внимания уделять науке, экономике знаний и развитию технологий.
Использованные источники (помимо ссылок по тексту):
P.S.: Традиционно я планирую сделать видеоверсию этой статьи для своего youtube-канала, чуть попозже. А пока вы можете подписаться на него (это очень поможет его развитию) и посмотреть там другие видео об энергетике и атомных технологиях.
Дата-центр ITSOFT — размещение и аренда серверов и стоек в двух дата-центрах в Москве. За последние годы UPTIME 100%. Размещение GPU-ферм и ASIC-майнеров, аренда GPU-серверов, лицензии связи, SSL-сертификаты, администрирование серверов и поддержка сайтов.
Сколько лития в одной батарейке?
В простонародье называемые литиевые батарейки таблетки применяются для энергоснабжения часов, весов, процессоров и других гаджетов с небольшим энергопотреблением. Стоимость «таблеток» начинается от 10 рублей и ограничивается лишь аппетитами производителей и дистрибьюторов.
Литиевая батарейка основана на работе необратимо-окислительной реакции. Анодом выступает металлический литий, твердым катодом могут использоваться оксид марганца, дисульфид железа, оксид меди, из жидких стоит отметить оксид серы, тионилхлорид. При этом из окислителей применяется активный литий, эффективно отделяющий электроны.
Бобинные литиевые батарейки служат до 20 лет, применяются потребителями, не превышающими запрос в 150 мА. Срок службы элементов до 20 лет. Спиральные конструкции имеют большую поверхность лития, импульсно дают до 4 А, при постоянном токе – 0,1-1,8 А.
Полимерная батарея чувствительна к механическим повреждениям, переохлаждению, а также к перепадам напряжения и перегрузкам, поэтому подключать аккумулятор стоит только к стабильной электросети. Срок службы литиевой батареи достаточно длителен, но рано или поздно она теряет первоначальную емкость.
Сколько лития В электромобиле?
В среднем один автомобильный литий-ионный аккумулятор содержит до 8 кг лития, 35 кг никеля, 20 кг марганца и 14 кг кобальта.
Сколько лития В машине Тесла?
Всего в тяговой аккумуляторной батарее Tesla – 7104 таких элементов (аккумуляторов).
Сколько лития?
В 2019 году глобальные подтвержденные запасы этого металла оценивались в 17 млн тонн. В России — около 900 000 тонн. Если взять потенциально «плодородные» месторождения, то получится около 62 млн тонн. Возможно, геологи разведают новые месторождения, но в любом случае лития на Земле мало.
Сколько батареек в Тесла?
Весь процесс комплектации проходит в полностью стерильном помещении, с использованием роботов. Каждый блок состоит из 74 элементов, по виду крайне схожих с простыми пальчиковыми батарейками (литий-ионные ячейки Panasonic), разделенных на 6 групп.
Как долго живет батарея в Тесле?
Заявленный пробег у них — до 500 000 км. То есть 1,5 тысячи полных циклов заряда — или 17-18 лет эксплуатации. Но и тут важно понимать, что по истечении этого срока батарея не перестанет работать в один день. Вместо этого АКБ будет постепенно деградировать, теряя запас хода.
Где взять литий?
Существует два способа добычи лития: рудный и гидроминеральный. В первом случае металл добывают в шахтах или карьерах из пегматитовых минералов, во-втором — из подземных рассолов. Большая часть лития добывается из глин солончаков.
Сколько лития в одной батарейке? Ответы пользователей
Пусть не все новоявленные электрокары имеют настолько же вместительную батарею, как Tesla, уменьшим вес лития, необходимого для производства, на .
Кобальтовый ров и ад раскаленного лития: какие технологии Tesla не по зубам . По пробегу на одной зарядке она близка к Chevrolet Bolt, .
Это свойство лития дает возможность создавать на его основе батареи и аккумуляторы с . призванные заменить традиционные щелочные и солевые батарейки.
Одно из крупнейших в мире месторождений лития Солончак Уюни, Боливия . Если одной частью проблемы утилизации аккумуляторов является .
Сегодня мы заглянем внутрь тяговой аккумуляторной батареи электромобиля Tesla Model S, узнаем, как она устроена и раскроем магию успеха этой аккумуляторной .
Австралия – крупнейший в мире производитель лития, спрос на который, особенно в Китае, быстро растет из-за развития сектора электромобилей .
. общее содержание лития во всех литий-металлических элементах, . перевозимые в транспортной единице, относятся к одной и той же категории, .
СВОЙСТВА, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ЛИТИЕМ. Батарейки с литиевым отрицательным электродом выпускаются в цилиндрическом, дисковом и призматическом корпусах.
Сколько лития в одной батарейке? Видео-ответы
Получение ЛИТИЯ из батарейки
Литий — это очень интересный и нужный металл. Особенно в химии, но так же он недешевый. Поэтому, я решил добыть .
РАЗБИРАЕМ БАТАРЕЙКУ И ДОБЫВАЕМ ЛИТИЙ
Если вас интересует, как достать металлический литий из батарейки, то эта информация именно для вас. Чтобы все .
РАБОТА ЛИТИЕВОГО АККУМУЛЯТОРА
Все носят литий-ионные аккумуляторы с собой (в разных устройствах), но мало кто знает как они работают. Давайте раскроем секрет этих батарей. Начнем с интересного факта: знаете ли вы, что первая батарея была создана 160 лет назад? Это была свинцово-кислотная, построенная в 1859 году Гастоном Планте. И хотя мир с тех пор прошел долгий путь, похожим элементам удалось дожить до наших дней. Все благодаря их способности мгновенно выдавать огромную мощность, которая требуется например стартерам автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Немаловажна и цена – свинцово-кислотные аккумуляторы по сей день не имеют конкуренции по дешевизне.
В 1908 году Томас Эдисон представил миру никель-железные (Ni-Fe) батареи. Он проектировал их под электромобили. К сожалению, стоимость производства Ni-Fe оказалась настолько высокой, что нашла покупателей только среди производителей устройств для подземных работ или электропоездов, для которых кислотных было недостаточно. Ni-Fe аккумуляторы до сих пор используются, например, в локомотивах лондонского метрополитена (эксплуатируемых в случае отключения электроэнергии в городе).
В 1909 году были созданы первые никель-кадмиевые (Ni-Cd) батареи. Их карьера быстро набрала обороты, в основном из-за умеренно доступной цены. Изначально использовавшиеся в авиации (для запуска двигателей) и для питания устройств военной связи, никель-кадмиевые батареи стали основным источником энергии даже для знаменитых ракет Фау-2.
После войны наступила эра транзисторов и миниатюризации, а вместе с ней и необходимость делать батареи легче и меньше. Еще в 1960-х годах Volkswagen разработал никель-металлогидридные (NiMh) элементы. Эти батареи через некоторое время смогли хранить более чем в 2 раза больше энергии, чем их кадмиевые собратья с такими же размерами. Кроме того, производство тех аккумуляторов было даже дешевле, поэтому в 1980-х годах они наводнили рынок и практически захватили его. И хотя на горизонте уже была очень многообещающая литиевая технология, NiMh-элементы долгое время оставались основным источником энергии для дешевых электроинструментов, фотоаппаратов, игрушек с дистанционным управлением и даже электромобилей (Toyota Prius, Honda Civic Hybrid или Forde Espace Hybrid). К сожалению, даже такой важный ценовой аспект или хорошие параметры не могли дать шанса против стремительно приближающейся эры лития.
В 2019 году Джон Гуденаф, Стэнли Уиттингем и Акира Йошино были удостоены Нобелевской премии по химии за разработку и разработку литий-ионных батарей. Именно они заметили потенциал лития еще в 1970-х годах и начали его исследовать. Первая литиевая батарея была разработана Exxon в 1978 году. Фактически, потребовалась еще около 10 лет упорной работы, чтобы наконец в 1991 году Sony выпустила полностью безопасные, эффективные и небольшие литий-ионные батареи, доступные каждому. Их параметры были настолько революционными, что никто не сомневался, что они только начали экспансию, которую нельзя остановить. Сегодня, примерно через 30 лет после их рождения, сложно найти человека, у которого нет хотя бы одной такой батарейки с собой (в телефоне или часах) и хотя бы несколько дома. Так почему был выбран литий и что в нем такого необычного?
Элемент литий был открыт в 1817 году. Это означает, что прошло почти 150 лет, прежде чем он стал считаться компонентом батарей. Почему это заняло так много времени? По простой причине – литий – довольно проблемный элемент, который сложно приручить. Чтобы полностью понять его преимущества и недостатки, нужно начать с основ.
В основном все аккумуляторы (как и обычные батареи) представляют собой емкости, заполненные химическими соединениями, которые вступают в реакцию друг с другом и производят электричество. Именно этот ток является здесь ключевым, потому что он несет электричество, без которого не может работать ни одно электронное устройство.
Но как электрический ток передает энергию смартфону? Ток – это устремленный вперед поток электронов. Правда на самом деле электроны медленные. Но тут важна не скорость, а количество, и в этом отношении каждую секунду триллионы этих «маленьких шариков» просачиваются через электронику смартфонов.
Тот кто изучал квантовую физику знает, что думать об электронах как о «маленьких шариках» – это развлечение для дошкольников. Но электроны настолько малы, что мы не можем их увидеть даже в лучшие микроскопы. Кто знает, может они в действительности имеют форму квадратов, треугольников или ромбододэкаэдров (простите за наш французский). Кроме того, форма с точки зрения переноса энергии не имеет никакого значения. Речь идет о самом движении молекул и о последствиях, которые за этим идут.
Поднимая камень и бросая его вперед, вы придаете ему определенную скорость. А если мы также рассмотрим массу камня, то сможем говорить о том, что физики называют импульсом. Чем больше скорость камня и больше его масса, тем больше импульс. Физики называют эту способность ускоренных объектов разрушать переносом энергии.
Механически это выглядит так: бросая камень, вы расходуете энергию своих мышц. Чем больше её используете, тем больше устанете, но камень также будет набирать скорость и иметь больше энергии, чтобы делать то, для чего вы его послали – простой расчет. А теперь самое интересное – когда камень попадает в свою конечную цель (в окно), происходит еще один обмен энергией. В результате удара камень должен замедлиться, он теряет энергию. Сколько он теряет зависит от того, насколько он замедляется. Здесь в игру вступает окно, и оно должно получить весь этот импульс. Если бы не было много энергии (камень был легким и медленно летел), стекло как-то выдержало бы, и камень отскочил. С другой стороны, если этой энергии будет слишком много (тяжелый камень и быстрый), стекло так сильно деформируется, что разобьется, и камень, лишь слегка замедленный, улетит дальше.
Пример прекрасно иллюстрирует, что происходит с электронами. Если удастся разогнать их и направить к смартфону, они начнут тереться и биться о заключенную в нем электронику, передавая ему энергию. Если впустим слишком много этой энергии, та хрупкая электроника развалится на части, как стекло. К счастью, сам телефон беспокоится о нужном количестве энергии, поэтому сейчас не будем разбираться с этим фактом.
Идём дальше, ток, то есть поток ускоренных электронов, может переносить с собой энергию. Не случайно электричество основано на электронах – именно эти частицы, а не протоны или нейтроны, легче всего заставить двигаться. Достаточно собрать их огромное количество в одном месте и закрыть там. Электроны не любят компанию друг друга и предпочитают держаться подальше.
Электроны в сфере стараются уйти друг от друга подальше. Просто у электронов есть так называемый «отрицательный заряд», а физика говорит что частицы с одинаковым зарядом всегда будут отталкивать друг друга.
Электроны хотят убежать друг от друга, но им нечем заняться, когда они заперты в таком аккумуляторе или батарее. Решение появляется, когда вставляем в телефон такую батарею. Тогда электросхемы смартфона станут единственным выходом, хотя тот путь представляет собой настоящую полосу препятствий, полную конденсаторов, резисторов, транзисторов и других чипов.
Из описания все кажется простым – электроны текут по цепи телефона в одном направлении, а затем, перезарядив аккумулятор, мы переносим их обратно и можем снова запустить цикл. К сожалению, реальное исполнение такого механизма – это совсем другая история. Электроны настолько малы, что мы даже не знаем, как они выглядят. Было бы еще сложнее поймать их в сети и просто закрыть с одной стороны батареи. Тогда приходилось бы рассчитывать на то, что они спокойно переплывут на другую его сторону и позволят себе снова там сблизиться. Нереально. Как же тогда это делается? Батареи и аккумуляторы наполнены химическими веществами которые вступают в реакцию друг с другом и производят электричество.
Вместо того чтобы задаваться вопросом где взять отдельные электроны, можем использовать тот факт, что их лучший источник – это атомы – в конце концов электроны летают вокруг своих ядер роями. Да и сами атомы часто сгруппированы в более крупные кластеры называемые молекулами, или образуют серию еще более крупных химических соединений. Мы умеем не только без труда их увидеть, но и закрыть где хотим и в каком надо количестве.
Когда дело доходит до доноров, то можем выбирать среди 118 различных элементов. Стоит знать что у каждого из них есть свой индивидуальный номер, называемый атомным, который напрямую определяет сколько электронов вращается вокруг ядра данного элемента. Все это хорошо видно на таблице Менделеева.
Конечно выбор не совсем произвольный – одни элементы более согласованы, чем другие. Есть и такие, в которых даже нет смысла их убеждать работать согласно нашим целям – выделим этих отстающих белым. Почему это не имеет смысла? Большинство из них просто радиоактивные элементы, и нам не нужны такие дела в домашних батарейках. В свою очередь, белый столбец, видимый с правой стороны начиная с гелия, – это так называемые благородные газы. Они названы так потому, что слишком благородны, чтобы жертвовать свои электроны для питания какой-то вульгарной электроники (смайлик).
Исключая эти «белые пятна», получаем 76 элементов, которые смешиваются и сочетаются друг с другом в природе, потенциально давая начало тысячам различных химических соединений. А нам нужны химические соединения, которые реагируют друг с другом охотно отдавая электроны, и такие, что электроны притягиваются друг к другу пока не перезарядятся.
В 1800 году человек по имени Алессандро Вольта обнаружил первую такую пару реакций. Оказалось, что если растворить цинк (Zn) в правильном растворе, он без проблем даст нам 2 электрона. С другой стороны, медь (Cu) не очень любит такое растворение, и с радостью предоставит убежище двум электронам, благодаря которым сможет выйти из такого раствора. И хотя такой честный односторонний обмен электронами между цинком и медью стал основой первой в истории батареи, к сожалению этот процесс необратим. Во время этого обмена в структуре соединений происходят необратимые изменения, и мы не можем просто подключить такую батарею к зарядному устройству и транспортировать электроны обратно. Это было по крайней мере 200 лет назад, потому что сегодняшние знания в области химии и технологий позволяют создавать аккумуляторы на основе цинка и меди, которые можно перезаряжать.
Первая полностью обратимая пара реакций была открыта Гастоном Планте, получившим крещение свинцово-кислотной батареей. Свинец, застрявший на одной стороне батареи, вступает в реакцию с раствором серной кислоты, высвобождая по пути 2 электрона. С другой стороны, герметизирован оксид свинца. Свинец хочет оторваться от кислорода, а для этого ему нужны два паразитных электрона. Обе реакции полностью обратимы. Это означает, что можем подключить такую батарею к зарядному устройству, и она принудительно оторвет отправленные электроны с другого конца (свинец снова соединится с кислородом) и перенесет их обратно в начало, втолкнув их в атом свинца (который оставил их раньше).
Обратите внимание, что в случае истории цинка и меди, а также свинца и его оксида, говориться только о двух пожертвованных электронах. Но почему два? Медь (Cu) и цинк (Zn) имеют 29 и 30 электронов соответственно, а свинец – 82! Забрать у него всего два электрона, поскольку у него их так много, кажется пустой тратой потенциала. В конце концов чем больше электронов берем, тем больше энергии должны использовать, верно? Конечно, но вытаскивание электрона с орбиты тоже проблема. Помните силу и энергию наших мышц, способных бросить камень? Электрон просто так не полетит вперед, потому что для этого ему нужна энергия. Энергия, возникающая в результате химических реакций. Тут настоящая проблема с этим механизмом, посмотрим на таблицу энергий необходимых для ионизации элементов (ионизация, т.е. удаление или добавление к ним электронов). Это покажет что извлечение каждого последующего электрона из элемента требует в среднем вдвое больше энергии, чем предыдущего. В результате можем легко заставить большинство атомов отдать один электрон. На получение второго уходит вдвое больше энергии. Третий электрон уже в 4 раза больше энергии, чем вначале. Четыре или более электронов – это тема за пределами досягаемости. Конечно если мы не установим в батарею микроскопическую лазерную пушку, которая может выбивать любое количество электронов из атомов. Тогда да, не было бы проблем (снова смайлик).
Такое электронное ограничение полностью меняет правила игры. На этом этапе мы не хотим использовать элементы с большим количеством электронов, потому что все равно получим два или три из них. Это важно, потому что чем больше электронов имеет элемент, тем больше протонов и нейтронов автоматически оказывается в его ядре, и, таким образом, весь атом становится тяжелее. Имеет ли тогда смысл упаковывать большие и тяжелые атомы свинца (82 электрона) в аккумулятор, поскольку могли бы также извлечь 2 электрона из гораздо более легких элементов? Среди прочего, именно этот фактор позволяет батареям на основе никеля (Ni-Fe, Ni-Cd, NiMh) вырабатывать в 2-4 раза больше энергии из каждого килограмма батареи, чем их тяжелые свинцовые собратья. И хотя никель не намного меньше атома свинца, химические соединения, которые он использует в своих реакциях, можно легко сжать, свернуть и закрыть в небольшом цилиндрическом корпусе. Кислотные батареи и их реакции требуют значительно больше места.
Если свинец настолько громоздок, почему батареи на его основе до сих пор питают стартеры в автомобилях? Из-за того, что в автомобилях много места, а с двумя тоннами стали на колесах, аккумулятор весом в несколько килограммов не имеет никакого значения, в пользу кислотных АКБ идут три вещи:
- Во-первых, они и по сей день остаются самым дешевым типом аккумуляторов. Свинец не так распространен в земной коре, как никель, но его получение довольно дешево, как и серная кислота, необходимая для реакции. Кроме того, вся батарея настолько проста в сборке, что теоретически можете сделать ее самостоятельно дома.
- Второе – неплохое напряжение, которое вырабатывает такая батарея. Поскольку в химии аккумуляторов, помимо количества отданных электронов важно насколько соединение хочет от них избавиться или принять их. Тем более что электроны выбрасываются с одной стороны и засасываются с другой стороны банки. Большая скорость, как в случае с камнем, означает больше энергии которую электроны оставят, когда попадают в электронику наших устройств. Химический состав свинцово-кислотных аккумуляторов генерирует напряжение 2 В, что не такой уж плохой результат по сравнению с 1,2 В в Ni-Cd и NiMh. Конечно батареи в автомобилях имеют напряжение до 12 вольт, но это только благодаря подключению 6 небольших свинцово-кислотных аккумуляторов внутри.
- Третий момент – это мощность. Каждая химическая реакция протекает с определенной скоростью, а реакция свинца и серной кислоты – чрезвычайно быстро. В сочетании с относительно высоким напряжением элемента он позволяет за доли секунды генерировать огромную мощность, необходимую для запуска стартеров автомобиля (ток от аккумулятора достигает значения в несколько сотен ампер). Компоненты Ni-Cd и NiMh не могут проводить такой большой ток, а их компактная конструкция делает их гораздо более чувствительными к повышению температуры при таком токе. Их преимущество перед свинцом заключается в гораздо большем количестве накопленной энергии, которая, если не нужно ее быстро извлекать, может служить намного дольше.
Мобильные телефоны и другая портативная электроника – это совсем другая тема, чем стартер автомобиля. В этом случае малые габариты и вес – залог успеха. Все хотят чтобы у телефона был большой экран и он был быстрым, и он должен быть в маленьком и тонком корпусе. Исследователи понимали в каком направлении движется индустрия мобильных устройств, поэтому решили создать самые легкие и мощные батареи в истории. Вот для этого и пришлось попытаться приручить один из самых легких доступных элементов.
Здесь на сцену выходит литий (Li). В таблице Менделеева он отмечен цифрой 3, что делает его одним из самых легких известных нам элементов – в этом отношении он проигрывает только водороду и гелию. В литии также интересно то, что, будучи элементом легче чем кислород или азот, в отличие от них он является твердым телом. Благодаря этому его атомы плотно упакованы, и такой компактный материал намного проще обработать и поместить в небольшую батарею. Конечно газы можно обрабатывать высоким давлением и сжимать, но если у нас есть сверхлегкий литий, зачем париться?
Литий весит примерно столько же, сколько сосновая древесина. Его плотность составляет около 0,51 г / см3, он почти в два раза легче воды, примерно в 16 раз легче никеля и в 20 раз свинца. Идеальный рецепт сверхлегких батарей.
Весь секрет литий-ионных аккумуляторов на самом деле в термине «ионный». Ионизация – это термин удаления или добавления электронов к атомам. Когда элемент отдает электрон или получает электрон, мы называем его ионом. Стандартный литий имеет 3 электрона. Двое из них находятся так близко к ядру атома и настолько ими увлечены, что мы можем забыть о них. Зато литий настолько хочет избавиться от этого третьего электрона, что вступает в реакцию практически со всем, что встречается на его пути – даже с водой или воздухом. И пусть вас не смущает внешний вид – литий настолько хочет стать ионом, что отдав один этот электрон, он генерирует напряжение 3,2 – 3,8 В! Это означает, что каждый электрон выпущенный литием, переносит в 3 раза больше энергии, чем от никелевых батарей, и в два раза больше, чем от кислотных. Тогда если свинец отдает два электрона, в чем же преимущество лития?
Каждая батарея использует химические реакции для передачи и получения электронов – они являются единственным возможным источником энергии, необходимой для этого. Ученые, получившие Нобелевскую премию за разработку литиевых батарей, фактически получили ее за некоторый обман с литием. Они знали, что заставлять этот элемент отдавать электрон – не вопрос – одноразовые литиевые батареи существуют уже много лет. Проблема заключалась чтобы найти реакцию, при которой литий на другой стороне батареи с радостью принял бы отданный электрон обратно. Конечно было несколько таких реакций, но все они имели свои ограничения и существенные недостатки, которые полностью подрывали потенциал лития. Затем в 70-х кто-то подумал, что на самом деле никакой реакции не должно происходить, пока литий не узнает об этом.
Атом лития с тремя электронами на борту довольно большой. Но когда он отдает свой электрон и становится ионом, его диаметр практически удваивается. Тогда он более чем на 20% меньше свинца, который уже отдал два электрона! Согласитесь, это большая разница. Кроме того, ученые обнаружили структуру под названием оксид кобальта. Оказалось что ион лития имеет как раз такой размер, что отлично помещается в узкие промежутки между слоями этого соединения. Кроме того кобальт не очень разборчивый элемент и может позаботиться о дополнительном электроне, который также дает ему литий. В конце концов, такой оксид кобальта с застрявшим там литием называется оксидом кобальта лития (LiCoO 2), и это основное соединение, используемое в литий-ионных батареях. А процесс внедрения атомов в структуру соединения называется интеркаляцией (смайлик умного вида).
В такой системе литий ощущается как часть взаимоотношений, хотя и не образует с ними полноценной связи. Для этого подключаем оксид лития-кобальта к зарядному устройству и начинаем откачивать электроны.
Это действие на кобальт не производит никакого впечатления – это металл, похожий на медь и железо, то есть проводник которому все равно, складываем ли мы в него электрон. И уж точно не пожалеет о том, который только что получил из лития. К сожалению, такая ситуация ставит ион лития в трудное положение. Раньше он отдавал отрицательно заряженный электрон, что делало его слегка положительно заряженным. Теперь мы выкачали этот электрон сделав всю структуру оксида кобальта слегка положительной. Физика в этом вопросе неумолима – положительный оксид кобальта начнет отталкивать положительный ион лития. Одни и те же заряды, положительные или отрицательные, всегда отталкивают друг друга.
Кислород и кобальт плотно слипаются – это довольно компактная структура которая действует как своего рода строительные леса. А ионы лития, которые сжимаются там где могут, но на самом деле ни к чему не прилипают, выталкиваются из конструкции.
Литию некуда деваться – с электроном было плохо, но без него и без каких-либо других атомов, к которым он может прилипать, еще хуже. Не зная что делать, он поворачивается и видит свет в конце туннеля. Там, с другой стороны батареи, идёт притягиваемое какой-то таинственной силой.
Литий проходит через внутреннюю часть батареи, проталкиваясь через сепаратор пропитанный электролитом, который разделяет батарею на две части.
Подключив батарею к телефону, электроны получают путь к бегству – графит не так гостеприимен для них, как кобальт, поэтому они ощущаются в его структуре как сардины, запертые в консервной банке. Услышав зов кобальта, электроны решают воспользоваться возможностью. Эти легкие и подвижные частицы легко выходят из графитовой ловушки. По пути они оставляют на телефоне стандартный энергетический «заряд» и возвращаются к структуре оксида кобальта.
Из-за того что электроны медленно исчезают, сила, удерживающая их между слоями графита, также уменьшается. С другой стороны, кобальт с электронным питанием также перестает быть положительно заряженным и отталкивать литий. Лучшей возможности не будет – ионы лития покидают графит и прорываются обратно через сепаратор, наконец достигая слоев кобальта, покрытых мягким слоем кислорода. Так закончился цикл зарядки и разрядки аккумулятора, во время которого ионы лития путешествовали по его внутренней части в одну и другую сторону. Этот механизм получил название «кресло-качалка». Гениальность и простота этой идеи внесли свой вклад в величайшую революцию 21 века – создание литий-ионной батареи.
Литий-ионные элементы – самые эффективные и мощные аккумуляторы появившиеся на рынке на сегодняшний день. К сожалению качество, как всегда дорого обходится. Начнем с того, что готовность лития реагировать повсюду и со всем делает его хранение и переработку довольно проблематичной. По той же причине мы не найдем чистого лития на планете. Чаще всего его получают из таких химических веществ, как хлорид лития (LiCl), гидроксид лития (LiOH) и карбонат лития (Li 2 CO 3). Это непростой процесс. Для получения одного килограмма чистого лития требуется 5,3 кг карбоната лития. Самые большие месторождения этого сырья находятся в Боливии (около 32% мировых ресурсов), а крупнейшими производителями чистого лития являются Чили, Китай и Аргентина, производящие около килограмма лития в секунду.
Кроме того, производство батареи из элемента обладающего такой огромной энергией и только ожидающего возможности среагировать чем-либо, требует применения целого набора мер безопасности. Литий-ионные аккумуляторы не любят перегрев и перезаряд. Следовательно они оснащены электроникой, контролирующей параметры батареи. А любая электроника может дать сбой, после которой мы смотрим на Ютубе видео от Креосана про взрывы Li-Ion аккумуляторов и сгоревшие Теслы. Но будем надеяться что это временные неудобства и лет через 10 изобретут что-то такое крутое, что смартфоны станут продавать вообще без зарядных устройств, ибо телефон устареет быстрее, чем разрядится его аккумулятор!