Как устроен аккумулятор: Как работает автоаккумулятор, авто

Содержание

Как устроен аккумулятор вашего автомобиля?

Устройство автомобильного аккумулятора

Автомобильный аккумулятор или АКБ — обязательный элемент любой машины с двигателем на базе технологии внутреннего сгорания. Он отвечает за запуск ДВС, запитывает электронику автомобиля. Значительная емкость и возможность долго держать заряд — особенности данных батарей. Также они помещены в специальный корпус, рассчитанный под установку внутри машины. В нашей статье мы подробно рассказываем, каково устройство автомобильного аккумулятора и как он работает.

Назначение аккумулятора в автомобиле

АКБ — это довольно емкая батарея. Средняя емкость такого устройства — 55-60 А ч для легковых машин и 77-140 А ч для грузовых автомобилей. Для сравнения емкость аккумулятора телефона — примерно 2,4 А ч.

АКБ необходим, чтобы обеспечить запуск двигателя. Он в свою очередь заставляет работать генератор, от которого запитывается вся внутренняя электроника машины и заряжается АКБ. Но первый импульс дается именно с батареи. Также она может поддерживать работу бортовой сети, если генератор вышел из строя (в среднем ее хватает на 90-100 км пробега).

На некоторых моделях мотоциклов есть ДВС, но отсутствует аккумулятор. Запуск двигателя в этом случае выполняется за счет мускульной силы.

Устройство аккумулятора автомобиля

Принципиально устройство АКБ не изменялось с 19-го века, когда его изобрел Гастон Планте и доработал Камилл Фор. Некоторые элементы, конечно, обновлялись, но в основном все нововведения внешнего вида и качества деталей.

В состав стандартной автомобильной батареи входит 6 аккумуляторов поменьше, подключенных параллельно. Их называют банками. Одна банка может выдать напряжение в 2,1-2,2В. Общий показатель напряжения для всего устройства в итоге составляет до 13,2 В.

Корпус и крышка

Корпусом является, фактически, коробка, в которой размещаются все элементы пусковой батареи. В составе изделия используется кислота, корпус и крышка должны быть полностью к ней нейтральны. В основном они делаются из пластика. Это нужно учитывать при эксплуатации: изделия нельзя кидать, пинать, особенно на холоде, т. к. пластиковый корпус может треснуть, хотя он и достаточно надежный.

Крышка корпуса нужна для упрощения сборки. Она плотно прилегает к корпусу и, как правило, не снимается. В зависимости от бренда и традиций региона производства на корпусе и крышке могут наноситься разные обозначения, быть закреплена или отсутствовать ручка для переноса, размещаться назание бренда, инструкции и др. На некоторых моделях крышка имеет дренажную систему, которая отводит образующийся газ, на других есть горловины с пробками и так далее.

Пластины

Внутри банок АКБ имеются две пластины (они же электроды). Первая из них положительная (катод), другая — отрицательная (анод). Первая делается из диоксида свинца PbO₂, вторая из губчатого свинца Pb. Сейчас при изготовлении обеих пластин к свинцу добавляются разнообразные присадки, позволяющие продлить срок разрядки батареи. Долгое время это была сурьма, сейчас отдают предпочтение кальцию.

В гелевых аккумуляторах пластины делаются из чистого свинца.

Обе пластины, химически реагируя с электролитом, обеспечивают образование сульфата свинца PbSO₄. Но реакции проходят по-разному и за счет этого образуется электрический ток. В зависимости от того, заряжается ли или разряжается аккумулятор, на пластинах проходит либо восстановление диоксида свинца, либо увеличение количества металла. Поэтому анод и катод служат достаточно продолжительное время.

Электролит

Электролитом называют вещество, которое проводит электрический ток. Им может быть кислота, основание, большинство солей. Но, когда речь идет о том, из чего состоит аккумулятор машины, под электролитом обычно подразумевают стандартную смесь серной кислоты и дистиллированной (очищенной от любых других примесей) воды в соотношении 35:65.

Задача электролита — взаимодействовать со свинцовыми пластинами и за счет химической реакции создавать электроэнергию. Если электролита недостаточно, АКБ просто не будет работать в полной мере. Поэтому важно регулярно проверять уровень заполнения батареи.

Для измерения обычно берут прозрачную пластиковую или стеклянную трубку. Ее погружают в электролит, зажимая после этого один конец. Далее трубку достают и с помощью линейки измеряют, сколько раствора кислоты осталось внутри. Для нормальной работы АКБ необходимо, чтобы электролит закрывал пластины полностью, а над верхним уровнем их оставалось еще 15-20 мм жидкости.

Сепаратор

Две пластины с разной полярности при соприкосновении могут вызвать замыкание. Поэтому важно обеспечить их автономную работу. Для этой цели используются сепараторы. Они одновременно разделяют пластины и обеспечивают электролитическую проводимость. Другое название этой составной части автомобильной батареи — диэлектрическая прослойка.

Сепараторы могут быть изготовлены из разных материалов. Популярные материалы:

резина и эбонит. Для повышения эффективности их перфорируют. Преимущество таких моделей в том, что они предотвращают сползание активной массы плюсовых пластин. Также они могут защитить сепараторы из других материалов;

хлорвинил. Тоже перфорированные, имеют гофрированную поверхность. Особенность — высокая вязкость, устойчивость к высоким температурам;

пористая резина (латекс, пульверизованная резина и др.). Продлевают срок службы отрицательных пластин. В зависимости от конечного состава могут иметь разные характеристики;

стекловолокно. Они предотвращают выпадение активной массы пластины, поэтому располагаются непосредственно рядом с ней. Всегда используются вместе с сепараторами других типов.

В современных аккумуляторах, которые относятся к классу необслуживаемых, вместо обычных сепараторов может использоваться микроволокно.

Клеммы

Клемма — это элемент подключения аккумулятора к остальной электронике машины. Благодаря этой детали АКБ может соединяться со стартером, генератором и др. От качества клемм во многом зависит надежность контакта и стабильность работы ТС в разных условиях. Еще одна задача клемм — обеспечить простоту установки и изъятия батареи, ее замены без риска неправильной установки и (редко) короткого замыкания.

Основные типы аккумуляторных клемм:

ножевые типа «мама»;

винтовые;

накидные. Могут иметь скобы с поперечным или продольным зажимом на винте, Ω-образные скобы.

Также существуют универсальные модели, которые подходят ко всем типам крепления.

Клеммы изготавливаются из свинца, латунно-бронзовой смеси, меди. Редко используются, но существуют модели из алюминия, цинка с дополнительным покрытием. Характеристики клемм во многом зависят от технологии их изготовления и используемых материалов. Поэтому рекомендуем тщательно выбирать эту деталь, прежде чем сменить ее на своей машине.

Пробки

Пробки в АКБ — это небольшие элементы, которые фиксируются в корпусе батареи, защищая внутренние ее части от грязи и пыли. Часто в пробках имеются вентиляционные отверстия. При зарядке их рекомендуется выкручивать, чтобы сбросить давление внутри устройства. Наиболее распространены два вида пробок: выступающие над поверхностью аккумулятора и утопленные в него. Последние обычно выкручивают специальной отверткой или монетой.

Мы перечислили выше все основные элементы, входящие в состав батареи для любой машины. От мощности и других характеристик внутреннее наполнение изделия не зависит. Другими словами, устройство АКБ автомобиля на 12 Вольт и с емкостью 55-60 А ч совпадает с тем, что вы найдете в батарее большей емкости.

Базовые принципы работы

Ток появляется за счет того, что между пластинами в составе аккумулятора и электролитом идет постоянная химическая реакция. Ниже на изображении — ее формула.

Вкратце процесс разрядки аккумулятора можно описать так:

на катоде восстанавливается диоксид свинца;

на аноде свинец проходит окисление;

кислота реагирует с обоими металлами, выделяя водород;

водород реагирует с кислородом с положительно заряженной пластины;

образуется вода, плотность электролита снижается.

Зарядка проводит весь процесс в обратном порядке.

Важно! Работа АКБ состоит на циклах разрядки и зарядки. Нарушать цикличность нельзя: при глубоком разряде процесс может стать необратимым.

Характеристики и параметры аккумулятора

Зная, из чего состоит аккумулятор автомобиля, несложно определить его базовые параметры. Перечислим их:

номинальная емкость. Значение определяет то количество энергии, которое доступно при полном заряде батареи согласно мнению производителя. Реальная емкость противопоставляется номинальной и может быть значительно меньше из-за особенностей работы аккумуляторов;

пусковой ток. Измеряется в Амперах. Показывает величину тока, который протекает в стартере авто в момент пуска;

полярность. Встречается прямая и обратная;

материал корпуса, его форма (евро, азия). Материал часто можно определить по маркировке, например, Т означает, что корпус выполнен из термопластика, а Э — из эбонита;

тип и размер клемм. Популярных всего три: Euro – Type 1, и Asia –Type и «под болт»;

особенности крепления внутри автомобиля.

На технические параметры важно обращать внимание при покупке батареи. От многих характеристик зависит, подойдет изделие для вашей машины или нет.

Аккумуляторы будущего

Чем дальше происходит развитие техники и электроники, тем большей мощности нужны аккумуляторы. Поэтому сейчас ученые стараются разработать новые эффективные модели. К примеру, в будущем планируется создать самовосстанавливающиеся аккумуляторы на жидкокристаллических ионных электролитах или пьезоэлектрических сепараторах.

Также работа ученых идет в сторону замены редких металлов в составе стандартных батарей. Так, планируется использовать вместо кобальта никель. И есть немало исследований в сфере твердотельных батарей. Они безопаснее и удобнее, чем изделия с жидким электролитом. Пока удалось создать гелевые модели, но ученые на этом не собираются останавливаться.

Надеемся, нам удалось подробно расписать устройство аккумуляторной батареи, которая обычно используется в автомобиле. Знание этого поможет своевременно выявить проблемы в работе АКБ и снизить риски при вождении машины. Читайте другие наши статьи на сайте. А по вопросу подбора аккумулятора обращайтесь в наш интернет-магазин 1akb.by.

Адрес магазина аккумуляторов в Витебске :
г. Витебск, ул. Проспект Строителей 12, корпус 1

телефоны :
+375 (29) 615 71 17
+375 (44) 785 71 17
+375 (29) 275 71 17
+375 (25) 785 71 17
+375 (17) 282 80 10

Как устроен аккумулятор автомобиля | Первая Аккумуляторная Компания

контакт-центр с 7:30 до 22:00

БлогКак устроен аккумулятор автомобиля

Аккумулятор имеет пластиковый короб и крышку. Сверху батареи выходят 2 токовывода – положительный и отрицательный.

Чтобы не перепутать полярность, контакты имеют разный диаметр. У положительного токовывода диаметр больше.

На крышке имеются заливные отверстия. Через них в аккумулятор заливается электролит. В зависимости от типа аккумулятора, заливные отверстия закрываются пробками из полиэтилена, либо закрываются планкой с уплотнителями и запаиваются.

Если у батареи имеются пробки – аккумулятор обслуживаемый. Если заливные отверстия закрыты планкой и она запаяна – аккумулятор необслуживаемый.

Внутри аккумулятор состоит из положительных и отрицательных свинцовых решетчатых пластин, которые погружены в электролит и собраны в едином корпусе.

Электролит является проводником электричества и состоит из 35% кислоты и 65% дистиллированной воды.

Электролит может быть в жидком состоянии, либо загущенном, гелеобразном. Назначение и принцип работы электролита от этого не меняется.

Положительная пластина имеет желтоватый цвет. Изготавливается из свинца и имеет структуру решетки. В ячейки решетки впрессовывается специальный состав, — «активная масса». Делают это для увеличения площади соприкосновения с электролитом. Чем больше площадь сетки, тем больше энергии она вырабатывает.

Активное вещество изготавливается из свинцового порошка с добавлением серной кислоты.

Отрицательная пластина имеет зеленовато-серый цвет. Покрыта мелкопористым свинцом с добавлением сернокислого бария.

Во время формирования аккумулятора пластины заряжаются, и активное вещество в плюсовых пластинах превращается в двуокись свинца, а в отрицательных — в губчатый свинец.

Изоляцию пластин противоположной полярности обеспечивает микропористый пластмассовый сепаратор.

Сепаратор защищает электроды разной полярности от замыкания между собой, и предотвращает высыпание свинца из пластин.

Применение стекловолокнистого сепаратора и плотная сборка блока препятствует также уменьшению оплывания активной массы положительного электрода.

Пластины в сборном наборе чередуются между собой на отрицательную и положительную пластину. 1 набор пластин выдает в сумме напряжение 2В. Таких наборов в аккумуляторе 6. Суммарно все 6 наборов пластин выдают напряжение 12В.

Визуально корпус батареи разделен перегородками на 6 отсеков или «банки» куда помещаются собранные наборы пластин.

Каждая пластина сверху имеет ушко, которое присоединяется к своему полюсному мосту: с одной стороны — все положительные пластины, с другой стороны — отрицательные пластины.

Полюсные мосты соединены с отрицательным и положительным токовыводами или борнами.

Купить аккумулятор можно в торговой сети «Первая аккумуляторная компания»

Ждем Вас за покупками!

Сайт использует файлы Cookie (куки-файлы)

Продолжая использовать сайт Вы соглашаетесь на сбор данных о Вашем посещении сайта.

DOE объясняет…Батарейки | Министерство энергетики

Офис
Наука

Аккумуляторы и аналогичные устройства принимают, хранят и отдают электроэнергию по требованию. Батареи используют химию в форме химического потенциала для хранения энергии, как и многие другие повседневные источники энергии. Например, бревна и кислород хранят энергию в своих химических связях до тех пор, пока горение не преобразует часть этой химической энергии в тепло. Смеси бензина и кислорода накапливают химическую потенциальную энергию до тех пор, пока она не преобразуется в механическую энергию в двигателе автомобиля. Точно так же, чтобы батареи работали, электричество должно быть преобразовано в форму химического потенциала, прежде чем его можно будет легко хранить. Батареи состоят из двух электрических выводов, называемых катодом и анодом, разделенных химическим материалом, называемым электролитом. Для приема и высвобождения энергии батарея подключается к внешней цепи. Электроны движутся по цепи, в то время как ионы (атомы или молекулы с электрическим зарядом) движутся по электролиту. В перезаряжаемой батарее электроны и ионы могут двигаться в любом направлении по цепи и электролиту. Когда электроны движутся от катода к аноду, они увеличивают химическую потенциальную энергию, тем самым заряжая батарею; когда они движутся в другом направлении, они преобразуют эту химическую потенциальную энергию в электричество в цепи и разряжают батарею. Во время зарядки или разрядки противоположно заряженные ионы перемещаются внутри батареи через электролит, чтобы сбалансировать заряд электронов, движущихся по внешней цепи, и создать устойчивую перезаряжаемую систему. После зарядки батарею можно отключить от цепи, чтобы сохранить химическую потенциальную энергию для последующего использования в качестве электричества.

Батарейки были изобретены в 1800 году, но их сложные химические процессы все еще изучаются. Ученые используют новые инструменты, чтобы лучше понять электрические и химические процессы в батареях, чтобы создать новое поколение высокоэффективных накопителей электроэнергии. Например, они разрабатывают улучшенные материалы для анодов, катодов и электролитов в батареях. Ученые изучают процессы в перезаряжаемых батареях, потому что они не полностью меняются местами при зарядке и разрядке батареи. Со временем отсутствие полного реверсирования может изменить химический состав и структуру материалов батареи, что может снизить производительность и безопасность батареи.

Вклад Управления науки Министерства энергетики США в исследования в области хранения электроэнергии

Исследования, проведенные при поддержке Управления науки Министерства энергетики США, Управления фундаментальных наук об энергетике (BES), привели к значительным улучшениям в области накопления электроэнергии. Но мы все еще далеки от комплексных решений для хранения энергии следующего поколения с использованием совершенно новых материалов, которые могут значительно увеличить количество энергии, которое может хранить батарея. Это хранилище имеет решающее значение для интеграции возобновляемых источников энергии в наше электроснабжение. Поскольку совершенствование аккумуляторных технологий необходимо для широкого использования подключаемых к сети электромобилей, хранение также является ключом к снижению нашей зависимости от нефти в качестве транспорта.

BES поддерживает исследования отдельных ученых и междисциплинарных центров. Крупнейшим центром является Объединенный центр исследований в области хранения энергии (JCESR), центр инноваций в области энергетики Министерства энергетики. Этот центр изучает электрохимические материалы и явления на атомном и молекулярном уровне и использует компьютеры для разработки новых материалов. Это новое знание позволит ученым разработать более безопасное хранилище энергии, которое прослужит дольше, быстрее заряжается и имеет большую емкость. По мере того, как ученые, поддерживаемые программой BES, добиваются новых успехов в науке об аккумуляторах, эти достижения используются прикладными исследователями и промышленностью для улучшения приложений в области транспорта, электросетей, связи и безопасности.

Хранение электроэнергии Факты

Нобелевская премия по химии 2019 года была присуждена совместно Джону Б. Гуденафу, М. Стэнли Уиттингему и Акире Йошино «за разработку литий-ионных аккумуляторов».
Электролитный геном в JCESR создал вычислительную базу данных с более чем 26 000 молекул, которые можно использовать для расчета основных свойств электролита для новых усовершенствованных аккумуляторов.

Ресурсы и соответствующие термины

Потребности в фундаментальных исследованиях для хранения электроэнергии следующего поколения

Проект материалов

и геном электролита
Скрытая архитектура накопителя энергии
Заглядывая в аккумуляторы: рентгеновские лучи раскрывают тайны литий-ионных аккумуляторов
Активизация разработки литий-ионных аккумуляторов
Научное открытие: двоюродный брат поваренной соли может сделать накопление энергии более быстрым и безопасным

Научные термины могут сбивать с толку. Объяснения DOE предлагают простые объяснения ключевых слов и понятий в фундаментальной науке. В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики, помогая Соединенным Штатам преуспеть в исследованиях по всему научному спектру.

как мир будет производить достаточно?

Наступил век электромобилей. Ранее в этом году американский автомобильный гигант General Motors объявил, что намерен прекратить продажу бензиновых и дизельных моделей к 2035 году. Audi, базирующаяся в Германии, планирует прекратить производство таких автомобилей к 2033 году. Многие другие автомобильные транснациональные корпорации выпустили аналогичные дорожные карты. . Внезапно промедление крупных автопроизводителей с электрификацией своего автопарка превращается в спешку.

Электрификация персональной мобильности набирает обороты, о которых еще несколько лет назад не могли и мечтать даже самые ярые ее сторонники. Во многих странах правительственные мандаты ускорят изменения. Но даже без новой политики или правил половина мировых продаж легковых автомобилей в 2035 году будет приходиться на электромобили, согласно данным лондонской консалтинговой компании BloombergNEF (BNEF).

Эта масштабная промышленная конверсия знаменует собой «переход от топливоемкой к материалоемкой энергетической системе», заявило Международное энергетическое агентство (МЭА) 9 мая.0053 1 . В ближайшие десятилетия на дороги выйдут сотни миллионов автомобилей с массивными батареями внутри (см. «Электродвигатели»). И каждая из этих батарей будет содержать десятки килограммов материалов, которые еще предстоит добыть.

Источник: Реф. 2

Предвидя мир, в котором доминируют электромобили, ученые-материаловеды работают над двумя большими задачами. Один из них — как сократить количество металлов в батареях, которые являются дефицитными, дорогими или проблематичными, поскольку их добыча сопряжена с серьезными экологическими и социальными издержками. Другой — улучшить переработку аккумуляторов, чтобы можно было эффективно повторно использовать ценные металлы из отработанных автомобильных аккумуляторов. «Вторичная переработка будет играть ключевую роль в этом комплексе», — говорит Кваси Ампофо, горный инженер, ведущий аналитик по металлургии и горнодобывающей промышленности в BNEF.

Производители аккумуляторов и автомобилей уже тратят миллиарды долларов на сокращение затрат на производство и переработку аккумуляторов для электромобилей, что отчасти вызвано государственными стимулами и ожиданием будущих правил. Национальные спонсоры исследований также основали центры для изучения лучших способов производства и переработки батарей. Поскольку в большинстве случаев добывать металлы все еще дешевле, чем перерабатывать их, ключевая цель состоит в том, чтобы разработать процессы для достаточно дешевого извлечения ценных металлов, чтобы конкурировать с недавно добытыми. «Самый большой разговор — это деньги», — говорит Джеффри Спангенбергер, инженер-химик из Аргоннской национальной лаборатории в Лемонте, штат Иллинойс, который руководит инициативой ReCell по переработке литий-ионных аккумуляторов, финансируемой США из федерального бюджета.

Будущее лития

Первой задачей исследователей является сокращение количества металлов, которые необходимо добывать для аккумуляторов электромобилей. Количество варьируется в зависимости от типа аккумулятора и модели автомобиля, но один автомобильный литий-ионный аккумулятор (известного как NMC532) может содержать около 8 кг лития, 35 кг никеля, 20 кг марганца и 14 кг марганца. кобальт, по данным Аргоннской национальной лаборатории.

Аналитики не ожидают отказа от литий-ионных батарей в ближайшее время: их стоимость упала настолько резко, что они, вероятно, станут доминирующей технологией в обозримом будущем. Сейчас они в 30 раз дешевле, чем когда они впервые появились на рынке в виде небольших портативных батарей в начале 19 века.90-х годов, хотя их производительность улучшилась. BNEF прогнозирует, что к 2023 году стоимость литий-ионного аккумулятора для электромобиля упадет ниже 100 долларов США за киловатт-час, или примерно на 20% ниже, чем сегодня (см. «Резкое падение стоимости аккумуляторов»). В результате электромобили, которые по-прежнему дороже обычных, должны достичь паритета цен к середине 2020-х годов. (По некоторым оценкам, электромобили уже дешевле автомобилей с бензиновым двигателем в течение всего срока службы благодаря тому, что они менее затратны в питании и обслуживании. )

Источник: M. S. Ziegler & J. E. Trancik Energy Environ. науч. https://doi.org/grhx (2021).

Для производства электроэнергии литий-ионные батареи перемещают ионы лития внутри от одного слоя, называемого анодом, к другому, катоду. Они разделены еще одним слоем, электролитом. Катоды являются основным фактором, ограничивающим производительность батареи, и именно в них находятся самые ценные металлы.

Катод типичного литий-ионного аккумуляторного элемента представляет собой тонкий слой слизи, содержащей микрокристаллы, которые часто похожи по структуре на минералы, встречающиеся в природе в земной коре или мантии, такие как оливины или шпинели. Кристаллы соединяют отрицательно заряженный кислород с положительно заряженным литием и различными другими металлами — в большинстве электромобилей это смесь никеля, марганца и кобальта. При перезарядке батареи ионы лития вырываются из этих оксидных кристаллов и притягиваются к аноду на основе графита, где они хранятся, зажатые между слоями атомов углерода (см. «Электрическое сердце»).

Источник: адаптировано из G. Harper et al. Natur e 575 , 75–86 (2019) и G. Offer et al. Природа 582 , 485–487 (2020).

Сам по себе литий не является дефицитом. Согласно июньскому отчету BNEF ², текущие запасы металла — 21 миллион тонн, по данным Геологической службы США, — достаточны для перехода на электромобили до середины века. А запасы — это гибкое понятие, потому что они представляют собой количество ресурса, которое может быть извлечено с экономической точки зрения при текущих ценах и с учетом современных технологий и нормативных требований. Для большинства материалов, если спрос растет, в конечном итоге растут и запасы.

Поскольку автомобили электрифицируются, задача заключается в увеличении производства лития для удовлетворения спроса, говорит Ампофо. «В период с 2020 по 2030 год он вырастет примерно в семь раз».

Это может привести к временному дефициту и резким колебаниям цен, говорит он. Но рыночные сбои не изменят картину в долгосрочной перспективе. «По мере создания новых перерабатывающих мощностей эта нехватка, скорее всего, устранится сама собой», — говорит Хареш Камат, специалист по накоплению энергии в Исследовательском институте электроэнергетики в Пало-Альто, Калифорния.

Соляные отложения на заводе по производству лития на солончаках Уюни в Потоси, Боливия. Предоставлено: Carlos Becerra/Bloomberg/Getty

Увеличение добычи лития связано с экологическими проблемами: современные формы добычи требуют большого количества энергии (для извлечения лития из горных пород) или воды (для извлечения из рассолов). Но более современные методы извлечения лития из геотермальной воды с использованием геотермальной энергии для управления процессом считаются более безопасными. И, несмотря на эти экологические потери, добыча лития поможет заменить разрушительную добычу ископаемого топлива.

Исследователей больше беспокоит кобальт, который является наиболее ценным компонентом современных аккумуляторов для электромобилей. Две трети мировых поставок добываются в Демократической Республике Конго. Активисты-правозащитники выразили обеспокоенность условиями там, в частности, детским трудом и вредом для здоровья рабочих; как и другие тяжелые металлы, кобальт токсичен, если с ним не обращаться должным образом. Можно использовать альтернативные источники, такие как богатые металлом «конкреции», обнаруженные на морском дне, но они представляют собственную опасность для окружающей среды. И никель, еще один важный компонент аккумуляторов электромобилей, также может столкнуться с нехваткой9.0053 3 .

Управление металлами

Для решения проблем с сырьем ряд лабораторий экспериментировал с катодами с низким содержанием или без кобальта. Но катодные материалы должны быть тщательно разработаны, чтобы их кристаллическая структура не разрушалась, даже если во время зарядки удаляется более половины ионов лития. А полный отказ от кобальта часто снижает плотность энергии батареи, говорит материаловед Арумугам Мантирам из Техасского университета в Остине, потому что он изменяет кристаллическую структуру катода и то, насколько прочно он может связывать литий.

Мантирам входит в число исследователей, решивших эту проблему — по крайней мере, в лаборатории — показав, что кобальт можно удалить из катодов без ущерба для производительности ⁴ . «Материал без кобальта, о котором мы сообщали, имеет ту же кристаллическую структуру, что и оксид лития-кобальта, и, следовательно, такую же плотность энергии», — говорит Мантирам. Его команда сделала это, уточнив способ производства катодов и добавив небольшое количество других металлов, сохранив при этом кристаллическую структуру оксида кобальта катода. Мантирам говорит, что внедрить этот процесс на существующих фабриках должно быть просто, и он основал новую фирму под названием TexPower, чтобы попытаться вывести его на рынок в течение следующих двух лет. Другие лаборатории по всему миру работают над батареями, не содержащими кобальт: в частности, новаторский производитель электромобилей Tesla из Пало-Альто, Калифорния, заявил, что планирует исключить металл из своих батарей в ближайшие несколько лет.

Сунь Янг-Кук из Университета Ханьянг в Сеуле, Южная Корея, — еще один ученый-материаловед, добившийся аналогичных результатов в производстве катодов, не содержащих кобальта. Сан говорит, что некоторые технические проблемы могут остаться при создании новых катодов, потому что процесс основан на рафинировании богатых никелем руд, для чего может потребоваться дорогая атмосфера с чистым кислородом. Но сейчас многие исследователи считают проблему кобальта по существу решенной. Мантирам и Сан «показали, что можно делать действительно хорошие материалы без кобальта и [которые] работают очень хорошо», — говорит Джефф Дан, химик из Университета Далхаузи в Галифаксе, Канада.

Рабочие добывают кобальт возле шахты между Лубумбаши и Колвези в Демократической Республике Конго. Фото: Federico Scoppa/AFP/Getty

Никель

хоть и не такой дорогой, как кобальт, но и не дешевый. Исследователи также хотят удалить его. «Мы решили проблему нехватки кобальта, но поскольку мы так быстро расширяемся, мы движемся прямо к проблеме никеля», — говорит Гербранд Седер, материаловед из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния. Но удаление как кобальта, так и никеля потребует перехода к радикально другим кристаллическим структурам для катодных материалов.

Один из подходов заключается в использовании материалов, называемых неупорядоченными каменными солями. Они получили свое название из-за своей кубической кристаллической структуры, похожей на структуру хлорида натрия, где кислород играет роль хлора, а смесь тяжелых металлов заменяет натрий. За последнее десятилетие команда Седера и другие группы показали, что некоторые каменные соли, богатые литием, позволяют литию легко входить и выходить — важнейшее свойство, позволяющее многократно заряжать ⁵ . Но, в отличие от обычных катодных материалов, неупорядоченные каменные соли не требуют кобальта или никеля, чтобы оставаться стабильными во время этого процесса. В частности, они могут быть сделаны из марганца, который дешев и доступен в изобилии, говорит Седер.

Лучше перерабатывать

Если батареи будут производиться без кобальта, исследователи столкнутся с непредвиденными последствиями. Металл является основным фактором, который делает переработку аккумуляторов экономичной, потому что другие материалы, особенно литий, в настоящее время дешевле добывать, чем перерабатывать.

На типичном заводе по переработке аккумуляторы сначала измельчаются, что превращает элементы в порошкообразную смесь всех используемых материалов. Затем эту смесь разлагают на составляющие ее элементы либо сжижением в плавильне (пирометаллургия), либо растворением в кислоте (гидрометаллургия). Наконец, металлы осаждаются из раствора в виде солей.

Механический шредер измельчает аккумуляторные модули, показанные здесь на заводе по переработке в Дюзенфельде в Германии. Фото: Wolfram Schroll/Duesenfeld

Исследовательские усилия были сосредоточены на усовершенствовании процесса, чтобы сделать переработанный литий экономически привлекательным. Подавляющее большинство литий-ионных аккумуляторов производится в Китае, Японии и Южной Корее; соответственно, возможности переработки там растут быстрее всего. Например, компания Guangdong Brunp из Фошаня — дочерняя компания CATL, крупнейшего производителя литий-ионных элементов в Китае — может перерабатывать 120 000 тонн батарей в год, по словам представителя. Это эквивалентно тому, что было бы использовано в более чем 200 000 автомобилей, и фирма способна восстановить большую часть лития, кобальта и никеля. Правительственная политика способствует этому: в Китае уже есть финансовые и нормативные стимулы для производителей аккумуляторов, которые получают материалы от компаний по переработке, а не импортируют только что добытые, говорит Ханс Эрик Мелин, управляющий директор консалтинговой компании Circular Energy Storage в Лондоне.

Европейская комиссия предложила ввести строгие требования к переработке аккумуляторов, которые могут быть введены поэтапно с 2023 года, хотя перспективы блока по развитию отечественной отрасли переработки неясны ⁶ . Тем временем администрация президента США Джо Байдена хочет потратить миллиарды долларов на развитие отечественной отрасли по производству аккумуляторов для электромобилей и поддержку переработки, но еще не предложила нормативных актов, выходящих за рамки существующего законодательства, классифицирующего аккумуляторы как опасные отходы, которые необходимо безопасно утилизировать. . Некоторые североамериканские начинающие фирмы говорят, что они уже могут извлекать большую часть металлов из аккумуляторов, включая литий, по затратам, конкурентоспособным с затратами на их добычу, хотя аналитики говорят, что на данном этапе общая экономия выгодна только из-за кобальт.

Измельченный аккумуляторный порошок, или «черная масса», очищается от пластин на заводе Li-Cycle по переработке аккумуляторов в Кингстоне, Онтарио, Канада. Предоставлено: Christinne Muschi/Bloomberg/Getty

Более радикальным подходом является повторное использование катодных кристаллов, а не разрушение их структуры, как это делают в гидро- и пирометаллургии. ReCell, совместное предприятие стоимостью 15 миллионов долларов США, которым управляет Spangenberger, включает в себя три национальные лаборатории, три университета и множество отраслевых игроков. Он разрабатывает методы, которые позволят переработчикам извлекать катодные кристаллы и перепродавать их. Одним из важнейших шагов после измельчения батарей является отделение катодных материалов от остальных с использованием тепла, химических веществ или других методов. «Причина, по которой мы с таким энтузиазмом относимся к сохранению кристаллической структуры, заключается в том, что для ее объединения потребовалось много энергии и ноу-хау. Именно в этом заключается большая ценность», — говорит Линда Гейнс, физический химик из Аргонна и главный аналитик ReCell.

Эти методы обработки работают с целым рядом кристаллических структур и составов, говорит Гейнс. Но если центр переработки получает поток отходов, который включает в себя множество типов батарей, различные типы катодного материала окажутся в котле для переработки. Это может усложнить усилия по разделению различных типов катодных кристаллов. Хотя процессы, разработанные ReCell, могут легко отделить никель, марганец и кобальт от других типов элементов, таких как, например, те, которые используют фосфат лития-железа, им будет трудно разделить два типа, которые оба содержат кобальт и никель, но в разных пропорции. По этой и другим причинам для батарей будет крайне важно иметь какой-то стандартизированный штрих-код, который сообщает переработчикам, что внутри, говорит Спангенбергер.

Рабочий автомобильной фирмы Renault готовится к демонтажу аккумулятора. Фирма заявляет, что перерабатывает все аккумуляторы для своих электромобилей — на данный момент всего пару сотен в год. Фото: Оливье Геррен, Photothèque Veolia

Еще одним потенциальным препятствием является то, что химия катодов постоянно развивается. Катоды, которые производители будут использовать через 10–15 лет — в конце жизненного цикла современных автомобилей — вполне могут отличаться от сегодняшних. Наиболее эффективным способом получения материалов для производителя может быть сбор собственных батарей в конце жизненного цикла. И батареи должны быть разработаны с нуля таким образом, чтобы их было легче разбирать, добавляет Гейнс.

Материаловед Эндрю Эбботт из Университета Лестера, Великобритания, утверждает, что переработка будет намного выгоднее, если она пропустит стадию измельчения и разберет клетки напрямую. Он и его сотрудники разработали метод разделения катодных материалов с помощью ультразвука ⁷ . Это лучше всего работает в аккумуляторных батареях, которые упакованы плоско, а не свернуты (как обычные «цилиндрические» элементы), и, добавляет Эбботт, переработанные материалы могут быть намного дешевле, чем первично добытые металлы. Он участвует в деле на 14 миллионов фунтов стерлингов (19 долларов США).-млн) Государственная исследовательская программа Великобритании по устойчивости аккумуляторов под названием ReLiB.

Увеличьте объем

Какие бы процессы переработки не стали стандартными, масштаб поможет. По словам Мелина, хотя в сообщениях средств массовой информации грядущий поток отработавших батарей обычно описывается как надвигающийся кризис, аналитики видят в нем большие возможности. Как только миллионы больших батарей начнут подходить к концу своего жизненного цикла, вступит в силу эффект масштаба, который сделает переработку более эффективной, а ее экономическое обоснование — более привлекательным.

Конвейер производства электромобилей на заводе Nio в Хэфэй, Китай. Предоставлено: Qilai Shen/Bloomberg/Getty

Аналитики говорят, что пример свинцово-кислотных аккумуляторов — тех, которые заводят автомобили с бензиновым двигателем — дает повод для оптимизма. Поскольку свинец токсичен, эти батареи классифицируются как опасные отходы и должны утилизироваться безопасным образом. Но вместо этого развилась эффективная промышленность по их переработке, несмотря на то, что свинец дешев. «Более 98% свинцово-кислотных аккумуляторов восстанавливаются и перерабатываются, — говорит Камат. «Ценность свинцово-кислотного аккумулятора даже ниже, чем литий-ионного. Но из-за большого объема в любом случае имеет смысл перерабатывать», — говорит Мелин.

Может пройти некоторое время, прежде чем рынок литий-ионных аккумуляторов достигнет своего полного размера, отчасти потому, что эти аккумуляторы стали исключительно долговечными: современные автомобильные аккумуляторы могут работать до 20 лет, говорит Камат. По словам Мелина, в типичном электромобиле, продаваемом сегодня, аккумуляторная батарея переживет автомобиль, в который она была встроена.

Это означает, что когда старые электромобили отправляются на слом, батареи зачастую не выбрасываются и не перерабатываются. Вместо этого их вынимают и повторно используют для менее требовательных приложений, таких как стационарные накопители энергии или моторные лодки. После десяти лет использования автомобильный аккумулятор, такой как у Nissan Leaf, который первоначально содержал 50 киловатт-часов, потеряет не более 20% своей емкости.

Еще один майский отчет МЭА, организации, известной своими исторически осторожными прогнозами, включал дорожную карту ⁸ по достижению глобального нулевого уровня выбросов к середине века, которая включает переход на электрический транспорт в качестве краеугольного камня. Уверенность в том, что это достижимо, отражает растущий консенсус среди политиков, исследователей и производителей в том, что проблемы электрификации автомобилей теперь полностью решаемы, и что если мы хотим иметь хоть какую-то надежду удержать изменение климата на управляемом уровне, нельзя терять время.