В рамках прошедшей в московском «Экспоцентре» международной выставки «Автономные источники тока» 26-27 марта состоялась научно-практическая конференция «Российский рынок систем электрохимического накопления электрической энергии и батарейных систем электротранспорта. Проблемы и перспективы». В этом репортаже мы расскажем о некоторых докладах, представленных на втором дне мероприятия, посвященном актуальной сейчас теме – материалам, из которых изготавливают аккумуляторы.
Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы обладают высокой удельной энергоемкостью и множеством других преимуществ, но у них есть и недостатки. В частности, до сих пор не создано безопасного для природы способа их утилизации, кроме этого, уже сейчас наблюдается нехватка лития. Перспективной технологией считаются натий-ионные (Na-Ion) аккумуляторы. О них в своем докладе рассказал Олег Дрожжин (МГУ им. М.В.Ломоносова).
Для изготовления Na-Ion аккумуляторах применяются очень дешевые и распространенные материалы. Анод изготавливается из алюминия, катод – из оксида железа (против меди о оксида кобальта у Li-Ion соответственно). Кроме этого, в натриевых аккумуляторах используются марганец и ванадий. Кстати, при переходе к натрию от лития у России есть конкурентное преимущество – наша страна по производству ванадия занимает второе место в мире. Максимальное значение энергоемкости у Na-Ion составляет 200 Втч/кг против 270 Втч/кг у Li-Ion, т.е. здесь они вполне сопоставимы. Но при этом натриевые аккумуляторы можно длительное время хранить и транспортировать в полностью разряженном виде. А литиевые накопители глубокий разряд очень плохо выдерживают, обычно длительное хранение разряженного аккумулятора приводит к его выходу из строя. Одно из направлений развития Na-Ion технологии – использование электролита на водной основе. Такие аккумуляторы отличаются высокой экологичностью. К тому же, количество циклов заряда-разряда у них превышает 50000, что на порядок выше, чем у Li-Ion.
В 2023 году компания HiNa Battery совместно с китайским автопроизводителем JAC представила первый в мире электромобиль с Na-Ion аккумуляторах. В 2024 году компания BYD начала строительство фабрики для производства таких аккумуляторов, планируется объем производства 30 Гвтч/год.
Повысить энергоемкость натриевых аккумуляторов можно, используя так называемый «твердый» углерод в анодах. Но для этого нужно решить проблему осаждения натрия в таких системах.В России уже созданы экспериментальные прототипы Na-Ion аккумуляторов с «твердым» углеродом. Это стало возможным благодаря совместным усилиям ученых из МГУ и «Сколтеха» при поддержке Российского научного фонда.
Разработкой аккумуляторов нового поколения занимается и «РЭНЕРА» – дочерняя структура «Росатома». Об этом рассказал представитель ООО «РЭНЕРА» Виктор Шаповалов. Исследования ведутся по четырем направлениям:
- Создание литий-серных (Li-S) аккумуляторов. Эта технология по сравнению с Li-Ion способна обеспечить более высокую удельную плотность. В отличие от зарубежных аналогов, где используется в основном жидкий электролит, опытный образец российского Li-S аккумулятора содержит в себе твердый сульфидный электролит.
- Работа над Na-Ion аккумуляторами. Здесь ООО «РЭНЕРА» решила сосредоточиться на реализации быстрой (сейчас это 0,5C , в будущем планируется до 3C) зарядки.
- Разработка твердотельного Li-Ion аккумулятора. Возможно, в аккумуляторах будущего электролит будет выполнен из… керамики.
- Разработка технологии производства композитного анодного материала на основе C-Si для литий-ионных аккумуляторов. К 2027 г. планируется выйти на опытно-промышленное производство такого материала. Благодаря применению в аккумуляторах изготовленных из него анодов увеличатся удельная энергоемкость и количество циклов «заряд-разряд».
В то же время, надо быть реалистами и понимать, что в обозримом будущем нам еще придется иметь дело с Li-Ion аккумуляторами традиционной конструкции. Не зря же Сергей Ложкин из той же «РЭНЕРА» рассказал о планах строительства «гигафабрик» по производству Li-Ion аккумуляторов в Москве и Калининградской области, а Николай Попов из АО «Уралэлемент» и Денис Корнилов (АО «АВЭКС») поделились успешным опытом по организации выпуска таких аккумуляторов. При правильной организации работы с Li-Ion аккумуляторами уже на достигнутом технологическом уровне удается избежать многих проблем.
Илья Белавинцев (АРТСНЭ) в своем докладе рассказал об усилиях Ассоциации систем накопления электроэнергии по развитию производства аккумуляторов в России. По его данным, отечественные компании, производящие электрооборудование, испытывают большой интерес к аккумуляторам именно российского производства. АРТСНЭ разработала дорожные карты по локализации производства Li-Ion аккумуляторов в России.
Выступление Илья Белавицева вызвало оживленную дискуссию в зале на тему: «Нужна ли унификация конструкции отечественных аккумуляторов?» Участники дискуссии отмечали, что, например, разные модели электробусов даже от одного и того же производителя имеют совершенно разные типы аккумуляторов. Такое разнообразие приводит к нерациональному расходованию средств (особенно когда речь идет об общественном транспорте). Также разнообразие типов аккумуляторов тормозит развитие сервисов по их аренде. На это Илья Белавинцев ответил, что, конечно, стремиться к унификации аккумуляторов надо. Тем не менее, это не всегда возможно по объективным причинам, так как различные транспортные средства имеют различную мощность. В таких условиях применение различных типов аккумуляторов, наоборот, позволяет обеспечить более низкую стоимость транспортных средств.
При дальних поездках на электромобиле приходится заряжать его по пути, желательно не затрачивая на это много времени. Но возможности электросетей в удаленных регионах зачастую не позволяют обеспечить силу тока, необходимую для быстрой зарядки. Федор Непша и Вячеслав Воронин («Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева», ООО «РТСофт-Смарт Грид») предлагают следующий способ решения этой проблемы. На зарядной станции устанавливается аккумулятор большой емкости и соответствующее оборудование, вместе они образуют так называемый зарядный хаб. Он постепенно накапливает в себе электроэнергию, не превышая максимально допустимое значение потребляемого тока для линий, к которым он подключен. Можно запрограммировать систему таким образом, чтобы зарядка хаба происходила преимущественно ночью, при низких ценах на электроэнергию. Когда на зарядную станцию подъезжает электромобиль, то для него можно обеспечить быструю зарядку от аккумулятора, установленного на хабе. Разработанная авторами доклада система позволяет обеспечить мощность зарядки до 350 кВт на одно машиноместо. Исследование было выполнено при финансовой поддержке государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
Литий-ионные аккумуляторы применяются не только в электромобилях, но и в системах, сглаживающих пики в энергопотреблении. В частности, такие системы позволяют обеспечить надежным энергоснабжением труднодоступные местности. Об опыте их применения рассказал Дмитрий Муравьев (ГК «Системотехника»).
«Триатлон ESS» представляет собой накопитель емкостью до 1,5 МВтч, выполненный в виде стандартного контейнера. Дмитрий Муравьев рассказал о различных проектах с его использованием, где задействованы как солнечные панели, так и дизель-генераторы. В докладе, в частности, было рассказано об опыте применения «Триатлон ESS» мощностью 100 кВт и емкостью 300 кВтч для обеспечения электричеством удаленного поселка в Забайкальском крае. Источником электроэнергии там является дизельная электростанция. Накопитель позволяет ограничить скорости наброса и сброса мощности. Для энергетиков это обозначает более долгий срок службы дизель-генератора и возможность повысить КПД генерации. Потребители же получают стабильную частоту переменного тока 50 Гц в розетке, так что можно смело подключать к сети современную бытовую технику. Без использования накопителя частота тока в сети на пиках потребления падала до 47,7 Гц.
Конференция показала, что отечественная наука и промышленность в области систем накопления электроэнергии находятся на хорошем уровне. Но предприятиям, научным и проектным организациям явно не хватает координации действий. Безусловно, стандарты, обеспечивающие безопасность и справедливую конкуренцию на рынке, должно устанавливать государство. Более же тонкую настройку взаимодействия, как показывает мировой опыт, обычно берут на себя отраслевые организации. Развитие таких организаций и внимание государственных органов к их инициативам помогут развернуть в России производство современных аккумуляторов из отечественных материалов и комплектующих.
