9 ключевых металлов и минералов в батарее электромобилей
Электромобилю надо в шесть раз больше минералов и металлов, чем бензиновому автомобилю. Основная их часть приходится на литийионный аккумулятор. Так, в среднем батарея Tesla емкостью 60 кВт⋅ч обеспечивает запас хода 330 км, а весит 385 кг. Вот что дает такую массу, по данным Visual Capitalist.
Графит
Несмотря на то что аккумуляторы называются литийионными, в их основе лежит графит.
В настоящее время в добыче графита доминирует Китай: он производит 50% мирового синтетического графита и около 70% «чешуйчатого», который требует дополнительной обработки
Часть батареи: анод
Процент от массы батареи: 28,1%
Алюминий
Алюминий производят из боксита, в числе лидеров по его добыче Австралия, Китай и Гвинея.
Аналитики прогнозируют, что потребность в алюминии вырастет на 40% к концу десятилетия и добычу придется нарастить на 33,3 млн тонн в год
Часть батареи: катод, корпус, токосъемники
Процент от массы батареи: 18,9%
Никель
Металл обеспечивает батарее емкость — значит, спрос на него в сфере электромобилей продолжит расти.
По прогнозам, он вырастет с 81 т в 2020 году до 658—1592 т в 2030-х годах. Сейчас лидеры по добыче никеля — Индонезия, Китай и Россия
Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 15,7%
Китай потребляет половину меди в мире и, согласно прогнозам, будет наращивать потребление в среднем на 3% в год. Мировой спрос при этом вырастет с 25 млн тонн в 2021 году до 28 млн тонн к 2026 году и 31,1 млн тонн к 2030 году.
Среди лидеров производства — Чили, Перу и Китай. Мы писали о нескольких компаниях, добывающих медь
Часть батареи: токосъемники
Процент от массы батареи: 10,8%
Сталь
Сталь используют в корпусе батареи электромобиля, чтобы защитить ее от внешних повреждений.
Лидерами по производству в 2021 году стали Китай, Индия и Япония. По прогнозам, спрос на сталь будет расти умеренными темпами — ежегодно в среднем по 2,5% до 2030 года
Часть батареи: корпус
Процент от массы батареи: 10,8%
Марганец
Около 90% марганца использует сталелитейная промышленность, и только 0,2% идет на литийионные аккумуляторы. Тем не менее спрос на него будет расти.
Марганец по химическим свойствам похож на кобальт, но производство кобальта сосредоточено в одной стране — Конго. Чтобы избежать странового риска, производители электромобилей будут диверсифицировать поставки в пользу марганца
Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 5,4%
Кобальт
Ожидается, что к 2030 году спрос на кобальт удвоится и составит 315 000 т. Это может повлечь перебои с поставками.
Сейчас 69% мировой добычи этого металла приходится на Конго. Страна может нарастить производство, но лишь частично покроет будущий спрос.
Другое решение: разработка катодов с низким содержанием кобальта или без его использования
Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 4,3%
Литий
Литий в последнее время называют «белой нефтью», ведь литийионные батареи — основа будущего энергоперехода.
Ожидается, что спрос на литий утроится к 2030 году — с 600 тысяч тонн в 2022 году до 2,4 млн тонн.
Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 3,2%
Железо
Железо используют в катоде литийионной батареи. Сейчас появился тренд на более дешевые литий-железо-фосфатные батареи — чтобы меньше использовать кобальт и никель. Такие батареи меньше хранят заряд, но долговечны и менее взрывоопасны.
Ожидается, что мировой спрос на железную руду удвоится и достигнет 3,5 млрд тонн в 2030 году
Часть батареи: катод
Процент от массы батареи: 2,7%
Как разобраться, куда вложить
Что еще узнать об электромобилях:
Новости, которые касаются инвесторов, — в нашем телеграм-канале. Подписывайтесь, чтобы быть в курсе происходящего: @investnique.
Когда электромобиль станет лучше автомобиля т.е. никогда. Ну или когда владельцев автомобилей обложат такими ограничениями и налогами, что их эксплуатация станет нецелесообразной.
Sergey, почему никогда не станет лучше?)
Сергей, потому, что батарея всегда будет весить полтонны, всегда будет заряжаться минимум час и всегда будет очень плохо чувствовать себя при низких температурах. Физику не обманешь и аккумуляторные EV по сути на пике своего развития уже сейчас и нет никаких фундаментальных предпосылок для дальнейшего развития. Единственное что их может превзойти это авто на топливных ячейках, но там все тормозится высокой ценой водорода и это уже совсем другая конструкция, так что улучшением батареечных авто они не являются.
Никель-металлгидридные аккумуляторы
Исследования в области никель-металлгидридных батарей начались в 1970х годах как совершенствование никель-водородных батарей, поскольку вес и объем никель-водородных батарей не удовлетворял производителей (водород в этих батареях находился под высоким давлением, что требовало прочного и тяжелого стального корпуса). Использование водорода в виде гидридов металлов позволило снизить вес и объем батарей, также снизилась и опасность взрыва батареи при перегреве.
Начиная с 1980х была существенно улучшена технология производства NiMH батарей и началось коммерческое использование в различных областях. Успеху NiNH батарей способствовала увеличенная емкость (на 40% по сравнению с NiCd), использование материалов, годных к вторичной переработке («дружественность» природной среде), а также весьма длительных срок службы, часто превышающий показатели NiCd аккумуляторов.
Преимущества и недостатки NiMH аккумуляторов
Преимущества
・ бОльшая емкость — на 40% и более, чем обычные NiCd батареи
・ намного меньшая выраженность эффекта «памяти» по сравнению с никель-кадмиевыми аккумуляторами — циклы обслуживания батареи можно проводить в 2-3 раза реже
・ простая возможность транспортировки — авиакомпании перевозят без всяких предварительных условий
・ экологически безопасны — возможна переработка
Недостатки
・ ограниченное время жизни батареи — обычно около 500-700 циклов полного заряда/разряда (хотя в зависимости от режимов работы и внутреннего устройства могут быть различия в разы).
・ эффект памяти — NiMH батареи требуют периодической тренировки (цикла полного разряда/заряда аккумулятора)
・ Относительно малый срок хранения батарей — обычно не более 3х лет при хранении в разряженном состоянии, после чего теряются основные характеристики. Хранение в прохладных условиях при частичном заряде в 40-60% замедляют процесс старения батарей.
・ Высокий саморазряд батарей
・ Ограниченная мощностная емкость — при превышении допустимых нагрузок уменьшается время жизни батарей.
・ Требуется специальное зарядное устройство со стадийным алгоритмом заряда, поскольку при заряде выделяется большое количество тепла и никель-металлгидридные батареи прохо переносят перезаряд.
・ Плохая переносимость высоких температур (свыше 25-30 по Цельсию)
Конструкция NiMH аккумуляторов и АКБ
Современные никель-металлгидридные аккумуляторы имеют внутреннюю конструкцию, схожую с конструкцией никель-кадмиевых аккумуляторов. Положительный оксидно-никелевый электрод, щелочной электролит и расчетное давление водорода совпадают в обеих аккумуляторных системах. Различны только отрицательные электроды: у никель-кадмиевых аккумуляторов – кадмиевый электрод, у никель-металлгидридных – электрод на базе сплава поглощающих водород металлов.
В современных никель-металлгидридных аккумуляторах используется состав водородоадсорбирующего сплава вида AB2 и AB5. Другие сплавы вида AB или A2B не получили широкого распространения. Что же обозначают загадочные буквы A и B в составе сплава? – Под символом A скрывается металл (или смесь металлов), при образовании гидридов которых выделяется тепло. Соответственно, символ B обозначает металл, который реагирует с водородом эндотермически.
Для отрицательных электродов типа AB5 используется смесь редкоземельных элементов группы лантана (компонент А) и никель с примесями других металлов (кобальт, алюминий, марганец) – компонент B. Для электродов типа AB2 используются титан и никель с примесями циркония, ванадия, железа, марганца, хрома.
Никель-металлгидридные аккумуляторы с электродами типа AB5 имеют большее распространение из-за лучших показателей циклируемости, несмотря на то, что аккумуляторы с электродами типа AB2 более дешевы, имеют большую емкость и лучшие мощностные показатели.
В процессе циклирования происходит колебания объема отрицательного электрода до 15-25% от исходного за счет поглощения/выделения водорода. В результате колебаний объема возникает большое количество микротрещин в материале электрода. Это явление объясняет, почему для нового никель-металлгидридного аккумулятора необходимо произвести несколько «тренировочных» циклов заряда/разряда для приведения значений мощности и емкости аккумулятора к номинальным. Также у образования микротрещин есть и отрицательная сторона – увеличивается площадь поверхности электрода, которая подвергается коррозии с расходованием электролита, что приводит к постепенному увеличению внутреннего сопротивления элемента и снижению емкости. Для уменьшения скорости коррозийных процессов рекомендуется хранить никель-металлгидридные аккумуляторы в заряженном состоянии.
Отрицательный электрод имеет избыточную емкость по отношению к положительному как по перезаряду, так и по переразряду для обеспечения приемлемого уровня выделения водорода. Из-за коррозии сплава постепенно уменьшается емкость по перезаряду отрицательного электрода. Как только избыточная емкость по перезаряду исчерпается, на отрицательном электроде в конце заряда начнет выделяться большое количество водорода, что приведет к стравливанию избыточного количества водорода через клапаны элемента, «выкипанию» электролита и выходу аккумулятора из строя. Поэтому для заряда никель-металлгидридных аккумуляторов необходимо специальное зарядное усройство, учитывающее специфику поведения аккумулятора для избегания опасности саморазрушения аккумуляторного элемента. При сборе батареи аккумуляторов необходимо предусмотреть хорошую вентиляцию элементов и не курить рядом с заряжающейся никель-металлгидридной батареей большой емкости.
Со временем в результате циклирования возрастает и саморазряд аккумулятора за счет появления больших пор в материале сепаратора и образовании электрического соединения между пластинами электродов. Эта проблема может быть временно решена путем нескольких циклов глубокого разряда аккумулятора с последующим полным зарядом.
При заряде никель-металлгидридных аккумуляторов выделяется достаточно большое количество тепла, особенно в конце заряда, что является одним из признаков необходимости завершения заряда. При собирании нескольких аккумуляторных элементов в батарею необходима система контроля параметров батареи (BMS), а также наличие терморазмыкающихся токопроводящих соединительных перемычек между частью аккумуляторных элементов. Также желательно соединять аккумуляторы в батарее путем точечной сварки перемычек, а не пайки.
Разряд никель-металлгидридных аккумуляторов при низких температурах лимитируется тем фактом, что эта реакция эндотермическая и на отрицательном электроде образуется вода, разбавляющая электролит, что приводит к высокой вероятности замерзания электролита. Поэтому, чем меньше температура окружающей среды, тем меньше отдаваемая мощность и емкость аккумулятора. Напротив, при повышенной температуре в процессе разряда разрядная емкость никель-металлгидридного аккумулятора будет максимальной.
Знание конструкции и принципов работы позволит с большим пониманием отнестись к процессу эксплуатации никель-металлгидридных аккумуляторов. Надеюсь, информация, почерпнутая в статье, позволит продлить жизнь вашей аккумуляторной батареи и избежать возможных опасных последствий из-за недопонимания принципов безопасного использования никель-металлгидридных аккумуляторов.
P.S. youROCK посоветовал вставить несколько графиков и картинок, не хотел этого делать из-за соображений копирайта, однако попробую их вставить со ссылкой на источник
Зависимось характеристик никель-металлгидридной аккумуляторной батареи на 6В от циклирования
емкость и саморазряд показаны в процентах от номинальных
изображение взято с batteryuniversity.com/parttwo-36.htm
Разрядные характеристики NiMH-аккумуляторов при различных
токах разряда при температуре окружающей среды 20 °С
Хватит ли лития для электромобилей?
Тут у меня в комментах к прошлым статьям одно из самых популярных заблуждений касается лития и других элементов и минералов, используемых при производстве электромобилей, и в частности, батарей для них. Якобы никакого лития на Земле не хватит, чтобы заменить все автомобили на электромобили.
Литий
Короткий ответ: Не бойтесь, хватит.
Развёрнутый ответ:
Недавно на презентации своей последней супербатарейки 4680, Маск сказал, что «на Земле так много проклятого лития, что это безумие. Только в Соединенных Штатах достаточно лития, чтобы превратить любой автомобиль в стране в электромобиль». И стремясь ускорить производство, Tesla сама начнет добывать элементы, необходимые для этих батарей следующего поколения.
Ну, ладно, это Маск сказал. А что говорят другие эксперты об этом? Вот я тут нашёл доклад Transport&Environment от 2017 года, в котором они подтверждают, что да, нам действительно хватит всех элементов, используемых в литиевых батареях и электромобилях. Здесь я кратко изложу полученные «британскими учёными» выводы.
Какие металлы используются в электромобилях
Основные металлы и минералы, используемые в батареях электромобилей — это литий, кобальт, никель и графит. Кроме того используются так называемые редкоземельные элементы.
Конструкция литий-ионного аккумулятора
Посмотрите на иллюстрацию сверху. Литий-ионные аккумуляторы состоят из катода (положительного электрода), анода (отрицательного электрода) и электролита.
Катод в основном состоит из никеля (73%), кобальта (14%), лития (11%) и алюминия (2%). Анод обычно полностью выполнен из графита. Электролит состоит из солей лития (наиболее распространенным является гексафторфосфат лития, LiPF6) в органическом растворителе.
Кроме того, двигатели электромобиля включают в себя ряд редкоземельных элементов (РЗЭ), группу из 17 химических элементов, которые доступны только в небольших количествах, и рассредоточены по земной коре. Большинство электромобилей (за исключением Tesla) используют неодимовые постоянные магниты, состоящие из сплава неодима, бора и железа (Nd2Fe14B), которые необходимы для производства высокопроизводительных электродвигателей. Такие магниты содержат редкоземельные элементы неодим (Nd), празеодим (Pr) и диспрозий (Dy).
Вот, например, как рос рынок постоянных магнитов для электромобилей:
Спрос на постоянные магниты для электромоторов
Всё говорит о том, что имеющиеся запасы элементов (лития, кобальта, графита и РЗЭ) вряд ли ограничат рост производства электромобилей, хотя и возможны краткосрочные ограничения, если рынок будет расти слишком быстро.
Мировое производство лития в 2016 году составило 35 000 т. Мировые ресурсы лития оцениваются примерно в 40 миллионов т. Этих резервов может хватить примерно на 185 лет, даже если рынок утроится.
Оценочные запасы кобальта (самого дорогого металла в батареях) в трех ведущих странах (ДРК, Австралия и Куба) составляют около 5 миллионов тонн, в то время как сегодня около 45 тыс тонн кобальта во всем мире идет на производство электромобилей. К 2030 году эта цифра превысит 90 тыс тонн. Кстати, Маск хочет избавится от кобальта в батареях, хотя это и будет очень сложно сделать.
Прогнозиремый спрос на кобальт, используемы в электромобилях
Запасы графита оцениваются примерно в 250 млн т, в то время как спрос на графит, обусловленный производством анодов, достигнет 250 тыс т в 2020 году.
Аналогичным образом, известные запасы никеля (78 млн тонн) по сравнению с объемом производства в 2016 году (2,5 млн тонн) предполагают, что поставки никеля не поставят под угрозу переход на электромобили.
Европейская комиссия оценивает глобальные запасы оксидов редкоземельных элементов в более чем 80 млн т, тогда как среднегодовое производство в период с 2010 по 2014 год составляет 135 650 т. Но доступность варьируется в зависимости от типа редкоземельного элемента: самыми труднодоступными являются неодим и диспрозий.
Ещё мои посты про экологически чистый транспорт:
Мой опыт поездки на электромобиле Ниссан Лиф по Норвегии:
Электромобили, «Курс молодого бойца»:
Мои избранные записи про электрокары:
Хватит ли электромобилям электричества? (что будет, если электрифицировать весь парк автомобилей)
Какой металл находится в аккумуляторе?
Наибольшее распространение получили свинцовые и щелочные (железно-никелевые и кадмий-никелевые) аккумуляторы, также используются цинк-серебряные, цинк-воздушные и марганцевые. Два и более аккумулятора для повышения напряжения, тока, мощности или надежности могут быть гальванически соединены в аккумуляторную батарею.
Какой ценный металл в аккумуляторе?
Аккумуляторы как ценный вид металлолома Большинство современных аккумуляторных батарей изготавливается с использованием свинца. Это цветной металл, который пользуется спросом на вторичном рынке. Масса отработавших АКБ на 60-70% образована свинцовыми пластинами и ее компонентами.
Как определить тип автомобильного аккумулятора?
Стандартная американская маркировка АКБ состоит из одной буквы и пяти цифр, имеющие следующие значения:
- первая буква маркирует тип АКБ, символ «А» означает автомобильный тип;
- первые две цифры маркировочного кода определяют типовой размер АКБ;
- последние три цифры задают значение тока холодной прокрутки в амперах.
Какие бывают типы аккумуляторов?
Какие бывают аккумуляторы?
- свинцово-кислотные,
- никель-кадмиевые;
- никель-металлогидридные;
- никель-цинковые,
- литий-ионные аккумуляторы;
- литий-полимерные.
Какой аккумулятор лучше купить?
Рейтинг лучших автомобильных аккумуляторов 2020
| Категория | Место | Наименование |
|---|---|---|
| Лучшие кальциевые аккумуляторы | 1 | Mutlu SFB 3 |
| 2 | VARTA D59 Blue Dynamic | |
| 3 | Тюмень Premium 6СТ-60 | |
| 4 | Exide Premium EA612 |
Какие аккумуляторы используются в сотовых телефонах?
Аккумуляторы, применяемые в качестве элементов питания сотовых телефонов:
- Никель-кадмиевые (NiCd) (nickel cadmium)
- Никель-металл гидридные (NiMH) (nickel metal-hydride)
- Литий-ионные (Li-Ion) (lithium ion)
Что ценного в аккумуляторе?
Свинец – самое ценное, что есть в АКБ
Электроды – это плоские решетки из свинца, а пластины – перегородки, выполненные из материала, не взаимодействующего с кислотой. … То есть, основным материалом в конструкции АКБ является свинец (со всеми оксидами и диоксидами).
Что ценного в щелочном аккумуляторе?
Щелочной аккумулятор — что это? Щелочными они называются из-за типа электролита. Обычно в его состав входят щелочные растворы металлов — и это вне зависимости от типа аккумулятора или его предназначения. Как правило, это железо с добавлением никеля, но встречаются и варианты с наличием других примесей.
Сколько стоит сдать аккумулятор?
| Аккумуляторы по типу | ||
|---|---|---|
| Тип аккумулятора | Цена | Цена от 200 кг |
| Свинцовые | 50 руб./кг | 60 руб./кг |
| Щелочные | 10 руб./кг | 12 руб./кг |
| Никель-железные | 20 руб./кг | 30 руб./кг |
Что обозначает цифра 60 в аккумуляторе 6ст 60эм н?
Например: 6СТ—60ЭМ обозначает: стартерная батарея из шести аккумуляторов (напряжение — 12 В) емкостью 60Ач, имеющая эбонитовый моноблок и сепараторы из мипласта.
Что такое тип аккумуляторной батареи?
Существует несколько типов аккумуляторов, отличающихся материалом электродов и электролита. … Многие слышали и знают, например, что есть всевозможные никель-кадмиевые, никель-металлгидридные, литий-ионные, свинцово-кислотные аккумуляторы.