V letošním roce očekávejte nové chemické složení baterií pro elektrická vozidla a oživení výroby díky vládnímu financování.
Každý rok je svět stále více a více na baterie. Elektromobily překonaly v roce 10 2022 % celosvětového prodeje vozidel a do konce tohoto desetiletí jsou na dobré cestě dosáhnout 30 %.
Politiky po celém světě tento růst pouze urychlí: nedávná legislativa v oblasti klimatu v USA pumpuje miliardy do výroby baterií a pobídek pro nákup elektromobilů. Evropská unie a několik států v USA schválily zákaz vozidel na plyn od roku 2035.
Přechod bude vyžadovat spoustu baterií – a lepší a levnější.
Většina elektromobilů je dnes napájena lithium-iontovými bateriemi, což je desetiletí stará technologie, která se také používá v noteboocích a mobilních telefonech. Všechny ty roky vývoje pomohly stlačit ceny dolů a zlepšit výkon, takže dnešní elektromobily se blíží ceně aut na plyn a mohou na jedno nabití ujet stovky kilometrů. Lithium-iontové baterie také nacházejí nové aplikace, včetně skladování elektřiny v síti, které může pomoci vyvážit přerušované obnovitelné zdroje energie, jako je vítr a slunce.
Ale stále je zde spousta prostoru pro zlepšení. Akademické laboratoře i společnosti hledají způsoby, jak tuto technologii vylepšit – zvýšit kapacitu, urychlit dobu nabíjení a snížit náklady. Cílem jsou ještě levnější baterie, které poskytnou levné úložiště pro síť a umožní elektromobilům ujet na nabité daleko větší vzdálenosti.
Obavy o dodávky klíčových materiálů pro baterie, jako je kobalt a lithium, zároveň tlačí k hledání alternativ ke standardní lithium-iontové chemii.
Uprostřed prudce rostoucí poptávky po EV a obnovitelné energii a explozi ve vývoji baterií je jedna věc jistá: baterie budou hrát klíčovou roli v přechodu na obnovitelné zdroje energie. Zde je to, co můžete očekávat v roce 2023.
Radikální přehodnocení
Některé dramaticky odlišné přístupy k bateriím EV by mohly zaznamenat pokrok v roce 2023, i když jejich komerční dopad bude pravděpodobně trvat déle.
Jeden pokrok, který je třeba letos sledovat, jsou v takzvaných polovodičových bateriích. Lithium-iontové baterie a související chemie používají kapalný elektrolyt, který přenáší náboj; polovodičové baterie nahrazují tuto kapalinu keramikou nebo jinými pevnými materiály.
Tato výměna odemyká možnosti, které nabalují více energie do menšího prostoru, což potenciálně zvyšuje dojezd elektrických vozidel. Polovodičové baterie by také mohly nabíjet rychleji, což znamená kratší dobu nabíjení. A protože některá rozpouštědla používaná v elektrolytech mohou být hořlavá, zastánci polovodičových baterií tvrdí, že zlepšují bezpečnost tím, že snižují riziko požáru.
Příbuzný příběh
Nové lithium-kovové baterie povedou k přechodu na elektromobily
Nový typ baterie by konečně mohl udělat elektromobily stejně pohodlné a levné jako ty na plyn.
Pevné baterie mohou používat širokou škálu chemických látek, ale hlavní kandidát na komercializaci používá kov lithia. Quantumscape se například zaměřuje na tuto technologii a získal stovky milionů finančních prostředků, než vstoupí na burzu v roce 2020. Společnost má smlouvu s Volkswagenem, která by mohla do roku 2025 dávat své baterie do aut.
Úplné znovuobjevení baterií se však ukázalo jako obtížné a lithium-kovové baterie zaznamenaly v průběhu času obavy z degradace a také výrobní problémy. Společnost Quantumscape koncem prosince oznámila, že dodala vzorky automobilovým partnerům k testování, což je významný milník na cestě k zavedení polovodičových baterií do automobilů. Ostatní hráči na solid-state baterie, jako je Solid Power, také pracují na sestavení a testování svých baterií. Ale i když by letos mohli dosáhnout velkých milníků, jejich baterie se v roce 2023 do silničních vozidel nedostanou.
Pevné baterie nejsou jedinou novou technologií, na kterou je třeba dávat pozor. Sodno-iontové baterie také prudce vybočují z dnes běžných lithium-iontových chemikálií. Tyto baterie mají podobný design jako lithium-iontové baterie, včetně kapalného elektrolytu, ale místo toho, aby se spoléhaly na lithium, používají jako hlavní chemickou složku sodík. Čínský bateriový gigant CATL údajně plánuje zahájit jejich hromadnou výrobu v roce 2023.
Sodno-iontové baterie nemusí zlepšit výkon, ale mohly by snížit náklady, protože se spoléhají na levnější a široce dostupné materiály než lithium-iontová chemie. Není však jasné, zda tyto baterie dokážou pokrýt potřeby pro dojezd elektromobilů a dobu nabíjení, a proto se několik společností, které se zabývají touto technologií, jako americký Natron, zaměřuje na méně náročné aplikace, jako jsou stacionární úložiště nebo zařízení pro mikromobilitu. jako jsou elektrokola a skútry.
Podle Yayoi Sekine, vedoucího úložiště energie ve společnosti BloombergNEF, společnosti zabývající se výzkumem energie, je dnes trh s bateriemi zaměřenými na stacionární síťové úložiště malý – zhruba desetinu velikosti trhu s bateriemi pro elektromobily. Poptávka po skladování elektřiny však roste s tím, jak je instalováno více obnovitelné energie, protože hlavní obnovitelné zdroje energie, jako je vítr a slunce, jsou proměnlivé a baterie mohou pomoci ukládat energii, když je potřeba.
Lithium-iontové baterie nejsou ideální pro stacionární skladování, i když se k tomu dnes běžně používají. Zatímco baterie pro EV jsou stále menší, lehčí a rychlejší, primárním cílem stacionárního skladování je snížit náklady. Na velikosti a hmotnosti nezáleží tolik pro mřížkové úložiště, což znamená, že pravděpodobně zvítězí různé chemické složení.
Jednou vycházející hvězdou ve stacionárních úložištích je železo a dva hráči by mohli v nadcházejícím roce zaznamenat pokrok. Form Energy vyvíjí železo-vzduchovou baterii, která využívá elektrolyt na vodní bázi a v podstatě ukládá energii pomocí reverzibilní koroze. Společnost nedávno oznámila výrobní závod v hodnotě 760 milionů dolarů ve Weirtonu v Západní Virginii, jehož výstavba by měla začít v roce 2023. Další společnost, ESS, staví jiný typ železné baterie, která využívá podobnou chemii; zahájila výrobu ve svém sídle ve Wilsonville v Oregonu.
Posuny v rámci standardu
Lithium-iontové baterie jsou stále lepší a levnější, ale výzkumníci tuto technologii dále vylepšují, aby dosáhli vyššího výkonu a nižších nákladů.
Část motivace pochází z kolísání cen materiálů baterií, které by mohly přimět společnosti ke změně chemie. “Je to finančně náročná hra,” říká Sekine.
Katody jsou obvykle jednou z nejdražších částí baterie a typ katody nazývaný NMC (nikl mangan kobalt) je dnes dominantní odrůdou baterií pro elektromobily. Ale tyto tři prvky, kromě lithia, jsou drahé, takže snížení některých nebo všech z nich by mohlo pomoci snížit náklady.
Letošní rok by mohl být zlomovým rokem pro jednu alternativu: lithium-železo fosfát (LFP), levný katodový materiál, který se někdy používá pro lithium-iontové baterie.
Příbuzný příběh
Co bude dál pro průmysl čipů
Agresivní nové americké politiky budou podrobeny zkoušce v roce 2023. V konečném důsledku by mohly roztříštit globální polovodičový průmysl.
Nedávná vylepšení v chemii a výrobě LFP pomohla zvýšit výkon těchto baterií a společnosti přecházejí na tuto technologii: podíl na trhu LFP rychle roste, z přibližně 10 % celosvětového trhu EV v roce 2018 na přibližně 40 % v roce 2022. Tesla již v některých vozidlech používá baterie LFP a automobilky jako Ford a Volkswagen oznámily, že plánují začít nabízet i některé modely EV s chemií.
Ačkoli výzkum baterií má tendenci se zaměřovat na katodovou chemii, anody jsou také v souladu se změnou.
Většina anod v lithium-iontových bateriích dnes, bez ohledu na jejich katodové složení, používá k udržení iontů lithia grafit. Ale alternativy jako křemík by mohly pomoci zvýšit hustotu energie a urychlit nabíjení.
Křemíkové anody jsou předmětem výzkumu již léta, ale historicky neměly dostatečně dlouhou životnost, aby vydržely ve výrobcích. Nyní však společnosti začínají rozšiřovat výrobu materiálů.
V roce 2021 začal startup Sila vyrábět silikonové anody pro baterie v nositelném fitness zařízení. Společnost nedávno získala grant 100 milionů dolarů od ministerstva energetiky na pomoc při výstavbě výrobního závodu v Moses Lake ve Washingtonu. Továrna bude sloužit partnerství Sila s Mercedes-Benz a očekává se, že od roku 2025 bude vyrábět materiály pro baterie EV.
Jiné startupy pracují na smíchání křemíku a grafitu dohromady pro anody. Společnosti OneD Battery Sciences, které uzavřely partnerství s GM, a Sonic Energy by letos mohly podniknout další kroky ke komercializaci.
Politiky utvářející produkty
Zákon o snižování inflace, který byl schválen koncem roku 2022, vyčleňuje téměř 370 miliard dolarů na financování klimatu a čisté energie, včetně miliard na výrobu elektromobilů a baterií. “Každý má svůj názor na IRA,” říká Yet-Ming Chiang, materiálový výzkumník na MIT a zakladatel několika společností vyrábějících baterie.
IRA bude poskytovat půjčky a granty výrobcům baterií v USA, čímž zvýší kapacitu. Kromě toho daňové úlevy na elektromobily v zákoně motivují výrobce automobilů k tomu, aby získávali materiály pro baterie v USA nebo od svých partnerů ve volném obchodu a vyráběli baterie v Severní Americe. Vzhledem k financování ze strany IRA a omezením daňových úvěrů na elektromobily budou výrobci automobilů pokračovat v oznamování nových výrobních kapacit v USA a hledání nových způsobů získávání materiálů.
Příbuzný příběh
Uvnitř zařízení na recyklaci baterií
Materiály pro baterie budou brzy nedostatek. Recyklační zařízení, jako je zařízení od Redwood Materials, by mohlo pomoci zaplnit mezery.
To vše znamená, že bude stále větší poptávka po klíčových složkách lithium-iontových baterií, včetně lithia, kobaltu a niklu. Jedním z možných výsledků pobídek IRA je nárůst již rostoucího zájmu o recyklaci baterií. I když v dohledné době nebude ze silnic sjíždět dostatek elektromobilů, aby pokryly poptávku po některých klíčových materiálech, recyklace se začíná ohřívat.
CATL a další čínské společnosti vedly v recyklaci baterií, ale toto odvětví by letos mohlo zaznamenat výrazný růst na dalších hlavních trzích EV, jako je Severní Amerika a Evropa. Společnost Redwood Materials a Li-Cycle se sídlem v Nevadě, která má sídlo v Torontu, budují zařízení a pracují na oddělení a čištění klíčových kovů baterií, jako je lithium a nikl, které budou znovu použity v bateriích.
Li-Cycle má začít své hlavní recyklační zařízení uvádět do provozu v roce 2023. Společnost Redwood Materials začala vyrábět svůj první produkt, měděnou fólii, ze svého závodu mimo Reno v Nevadě a nedávno oznámila plány na výstavbu druhého zařízení začátkem letošního roku v Charlestonu. , Jižní Karolína.
Se záplavou peněz od IRA a dalších politik po celém světě, které podporují poptávku po EV a jejich bateriích, bude rok 2023 rokem, na který se dá dívat.
Tento příběh je součástí série What’s Next od MIT Technology Review, kde se podíváme na různá odvětví, trendy a technologie, abychom vám poskytli první pohled do budoucnosti.
