По данным «Института Фраунгофера», за последние десять лет плотность энергии литий-ионных аккумуляторов почти удвоилась до 200 ватт-часов на килограмм массы аккумуляторной батареи для электромобиля. Эксперты считают, что если все пойдет по плану, к 2030 году она может снова еще раз вырасти почти в два раза. И это очень перспективная динамика, поскольку более высокая плотность энергии в аккумуляторах электромобилей обеспечивает, с одной стороны, достижение аналогичного запаса хода с меньшей и, следовательно, более дешевой АКБ, с другой – увеличение дистанции пробега на одной зарядке на аккумуляторе такого же размера.

До сих пор производство аккумуляторов для электромобилей в основном сосредоточено в странах Азиатско-Тихоокеанского бассейна. Китайская группа CATL (Contemporary Amperex Technology) уже является крупнейшим производителем таких батарей. Согласно прогнозу исследовательского агентства Statista, компания будет номером один также и в 2023 году. За ней очень плотно следует LG Chem.

Другими влиятельными производителями тяговых аккумуляторов являются китайская BYD Group, которая к тому же строит собственные автомобили, а также Samsung SDI, Farasis и Panasonic. Чтобы меньше зависеть от азиатских производителей аккумуляторов, ведущие мировые автомобилестроители стремятся реализовывать свои собственные производственные проекту. Например, Volkswagen не так давно объявил, что к 2030 году построит в Европе шесть новых заводов по производству аккумуляторов для электромобилей и полностью переориентирует на их выпуск свой главный производственный комплекс по сборке двигателей внутреннего сгорания в Зальцгиттере. BMW, Porsche и Daimler также публично озвучили свои планы создания и/или расширения соответствующих мощностей.

Литий-ионные аккумуляторы в настоящее время являются наиболее распространенной технологией аккумуляторов для электромобилей. Мало того, что они есть почти в каждом электромобиле, они также используются в подавляющем большинство портативных мобильных устройств (смартфонов, ноутбуков и проч.) и устройствах хранения электроэнергии. 

Как и любая другая батарея, перезаряжаемый литий-ионный аккумулятор включает один или нескольких отсеков для выработки энергии, называемых ячейками. Каждая ячейка состоит, по существу, из трех компонентов: положительного электрода (подключенного к положительной клемме батареи), отрицательного электрода (подключенного к отрицательной клемме) и химического вещества между ними – электролита. Положительный электрод обычно изготавливается из химического соединения, называемого оксидом лития-кобальта (LiC_oO₂) или, в более новых батареях, из фосфата железа лития (LiFePO4). Отрицательный – из углерода (графита), а электролит варьируется от одного типа батареи к другому, но это не слишком важно для понимания принципов функционирования батареи.

Все литий-ионные аккумуляторы работают в целом одинаково. Когда батарея заряжается, положительный электрод, содержащий оксид лития, отдает часть своих ионов лития, которые перемещаются через электролит к отрицательному графитовому электроду и остаются там. Во время этого процесса батарея поглощает и накапливает энергию. Когда батарея разряжается, ионы лития перемещаются обратно через электролит к положительному электроду, производя энергию.

Движение ионов (через электролит) и электронов (по внешней цепи, в противоположном направлении) являются взаимосвязанными процессами, и если один из них останавливается, то останавливается и другой. Если ионы перестают перемещаться по электролиту из-за того, что батарея полностью разряжается, электроны также не могут перемещаться по внешней цепи. Точно так же, если выключить все, что питает батарея, поток электронов прекратится, как и поток ионов. Батарея перестает разряжаться с высокой скоростью (процесс разрядки продолжается очень медленно, даже если потребители отключены).

Поскольку для движения электромобиля требуется много энергии, аккумуляторы транспортных средств состоят из множества отдельных аккумуляторных элементов. Большое количество маленьких ячеек более эффективно и безопасно, чем несколько крупных. В Tesla Model S, например, их более 8000. Отдельные ячейки обычно объединяются в модули. Объединение этих модулей позволяет создавать высокопроизводительные батареи, что также упрощает производство АКБ разных размеров для промышленности.

Литий-ионные аккумуляторы уже давно доминируют на рынке всевозможных бытовых электроприборов. Это связано с многочисленными преимуществами технологии: батареи имеют высокую плотность энергии, поэтому они могут хранить много энергии в сравнительно небольшом объеме. Кроме того, они достаточно мало весят. Да и срок службы литий-ионных аккумуляторов довольно велик. Многие производители автомобилей обычно дают гарантию на 8 лет и около 160 000 километров
пробега.

В настоящее время литий-ионными батареями в электромобилях уже обеспечивается запас хода более 700 километров, это, в частности, заявляет Mercedes для своей флагманской модели EQS. Для сравнения: в начале 2016 года компания Nissan с гордостью объявила, что запас хода Nissan Leaf увеличится до 250 километров благодаря аккумулятору большей емкости. Сегодня пионер электромобилей проезжает на одной полной зарядке 385 километров.

Однако широко распространенная аккумуляторная технология имеет и серьезные недостатки. Одним из них является высокая цена литий-ионных аккумуляторов. АКБ по-прежнему является самым весомым фактором стоимости в электромобилях, даже несмотря на то, что цена литий-ионных аккумуляторов сильно упала в последние годы.
С другой стороны, они все еще очень чувствительны к температуре. В холодную погоду их производительность значительно снижается.

К тому же литий-ионные АКБ должны быть тщательно защищены – если они загораются после аварии, их очень трудно потушить. Не играет в пользу литий-ионных аккумуляторов для электромобилей и содержание редкого сырья, такого как литий, кобальт и кадмий. Кобальт, в частности, в основном добывается на небольших рудниках в Южной Америке или в Конго, где остро стоит вопрос с соблюдением прав человека и негативного влияния на окружающую среду.

Автомобилестроители и производители АКБ регулярно объявляют о дальнейших разработках и результатах исследований новейших аккумуляторных технологий в электромобилях – некоторые даже обещают запас хода до 2000 километров. Кроме того, исследуются гораздо более быстрые процессы зарядки. В то же время литий-ионная технология все еще имеет потенциал. Поскольку производственные процессы здесь уже хорошо отлажены, дальнейшее развитие является очевидным решением на ближайшие годы.

По данным «Института Фраунгофера», разработка аккумуляторов с уменьшенным содержанием кобальта и с высоким содержанием никеля позволит значительно разрядить напряженную ситуацию с сырьем. С начала 2021 года все Tesla Model 3 поставляются с безкобальтовыми литий-железо-фосфатными батареями. По мнению исследователей, в случае с литием модернизированные процессы переработки для извлечения сырья станут в будущем более важными.

Твердотельная батарея считается особенно многообещающей технологией будущего. В ней используются твердые электроды и твердый электролит вместо жидких или полимерных гелевых электролитов, содержащихся в литий-ионных батареях. В то время как твердые электролиты были впервые обнаружены в 19 веке, несколько недостатков, и в том числе низкая плотность энергии, препятствовали их широкому применению. События конца 20-го и начала 21-го века вызвали новый интерес к технологиям твердотельных аккумуляторов, особенно в контексте электромобилей, начиная с 2010-х годов.

Твердотельные аккумуляторы могут обеспечить потенциальные решения многих проблем жидких литий-ионных аккумуляторов. Среди них воспламеняемость, ограниченное напряжение, межфазная нестабильность, плохая производительность и высокий износ при циклировании.

Материалы, предлагаемые для использования в качестве твердых электролитов в твердотельных батареях, включают керамику (например, оксиды, сульфиды, фосфаты) и твердые полимеры. Твердотельные батареи нашли применение в кардиостимуляторах, RFID (радиочастотная идентификация) и мобильных портативных устройствах. Они потенциально безопаснее, с более высокой плотностью энергии. Но и стоимость их заметно выше. 

Однако произведенные расчеты и практические испытания однозначно демонстрируют, что применение в транспорте батарей такого типа должно обеспечивать пробег на одной полной зарядке на гораздо большие расстояния. Кроме того, аккумуляторы легкие и при усовершенствовании производственных технологий могут стать значительно дешевле. Впрочем, пока остается неразрешимой проблемой срок службы этого типа батареи.

Однако и Toyota, и VW твердо верят в данную технологию. Toyota хочет начать производство твердотельных АКБ уже в 2025 году. VW говорит о «следующем большом скачке» и сам участвует в стартапе Quantumscape, разрабатывающем твердотельные батареи. Чуть раньше, в 2024 году, появится кремниевый анод, способный обеспечить значительно более короткое время зарядки, сообщает VW.

С другой стороны, китайский производитель аккумуляторов CATL полагается на натрий-ионные аккумуляторы. По словам производителя, серийное производство должно начаться уже в 2023 году. Преимущество новой технологии: она не требует редкого сырья, такого как кобальт, никель или литий, и состоит из натрия, углерода, марганца, железа и азота – материалов очень высокой степени доступности и сравнительно недорогих.

Это позволит сделать новый аккумулятор для электромобиля намного дешевле в производстве. К тому же он будет быстрее заряжаться и более безопасен не только при эксплуатации, но и в случае каких-либо дорожных происшествий, связанных с высоким риском воспламенения.

Но все еще существует довольно серьезный минус натрий-ионных батарей – более низкая, чем у литий-ионных аккумуляторов, плотность энергии.

Так называемые проточные окислительно-восстановительные батареи (Redox-Flow Battery) характеризуются длительным временем автономной работы и высокой эффективностью. Они считаются очень перспективной технологией хранения энергии благодаря ее уникальным преимуществам, таким как увеличенный ресурс и износостойкость, простая структура, разделенная мощность и энергия и т. д. Некоторые зрелые RFB-системы, такие как полностью ванадиевые RFB, уже были коммерциализированы. Для дальнейшего повышения их производительности и эффективности было разработано множество новых моделей RFB.

Однако в настоящее время окислительно-восстановительные аккумуляторы все еще слишком громоздки и тяжелы и поэтому пока не подходят для использования в дорожном трансопрте. В основном они применяются в качестве промежуточного хранилища для поставщиков солнечной и ветряной энергии.

Голландская компания SALD BV в настоящее время работает над супербатареей с запасом хода 1000 километров, считая, что увеличение дистанции до 2000 километров возможно уже в самой ближайшей перспективе. Оно может быть достигнуто с помощью специального процесса нанесения особого покрытия. Чрезвычайно тонкий слой, толщиной всего в атом, должен значительно повысить производительность аккумуляторов электромобилей, независимо от того, являются ли они литий-ионными или твердотельными батареями. Производитель говорит о тройном запасе хода и в пять раз более быстрой зарядке. Обсуждения с автомобилестроительными концернами уже идут полным ходом. Новые аккумуляторы для электромобилей должны быть готовы к серийному производству к концу 2022 г. или в самом начале 2023 г.

Даже если батареи в конечном итоге являются только источником энергии для электромобилей, они гораздо важнее, чем топливный бак автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Прогресс, достигнутый в последние годы в области литий-ионных аккумуляторов, значительно повысил пригодность электромобилей для повседневного использования и позволил увеличить запас хода, как уже было отмечено, до 700 километров и более. Тем не менее, литий-ионные аккумуляторы сложно признать эволюционным венцом технологии. Наоборот: параллельно с дальнейшим развитием отрасль ведет исследования по многим направлениям в контексте альтернативных систем накопления энергии.