Бизнес и научные организации активно работают над созданием новых технологий производства батарей с целью снижения их стоимости, повышения надёжности, ёмкости и уменьшения воздействия на окружающую среду. Основное внимание уделяется разработке новых технологий создания катодов и анодов, а также повышению энергетической плотности батарей. Это позволит улучшить эффективность батарей нового типа.

Основы чистого производства

Компания Sylvatex из Калифорнии разработала эффективный безводный процесс производства катодного активного материала (CAM). «Новая технология снижает общую стоимость CAM на 25%. При этом на 80% уменьшается использование энергии, не используется вода и не остаются отходы, содержащие сульфат натрия», — сказала Вирджиния Клаусмейер, генеральный директор и основатель компании Sylvatex.

Цель Sylvatex — снизить углеродный след производства батарей. Клаусмейер утверждает, что другие компании в индустрии батарей продолжают использовать неэффективные технологии, несмотря на быстрый рост рынка. Это приводит к высоким издержкам, низкой производительности и негативному воздействию на окружающую среду. «Эти заводы ежегодно используют 760 миллионов литров воды, а катодный материал — примерно 50–70 процентов стоимости батарейного блока», — говорит гендиректор Sylvatex.

Процесс производства литий-ионных катодов и батарей весьма сложный и включает много этапов. Сначала добываются руды, содержащие ценные металлы, такие как кобальт, марганец, алюминий и никель. Их дробят в специальных мельницах для создания равномерного распределения металлических компонентов. Далее руды обрабатываются серной кислотой. Затем сульфатные соли смешиваются с литиевыми солями, измельчаются и нагреваются для удаления примесей и сплавления. Полученный материал используется для создания катодов, которые затем укладываются слоями и прессуются в вальцовке. Наконец, слои наматываются на катушку и помещаются в корпус батареи вместе с другими компонентами для завершения сборки.

«Мы разработали технологию, где не нужна вода, — сказала Клаусмейер. — Новый процесс обеспечивает бо́льшую гибкость в выборе источников сырья, включая как переработанные материалы, так и добываемые и очищенные компоненты, характеризующиеся более низкой степенью обработки». Клаусмейер сказала, что Sylvatex использует гидроксиды или металлические оксиды в качестве сырья, и описала последовательность действий в новом производстве катодного материала для батарей.

1. Смешивание сырья с добавкой. В процессе смешивания сырья (гидроксидов или металлических оксидов) с проприетарной добавкой происходит создание равномерной смеси. Она — не совсем типичное поверхностно-активное вещество. Смешивание происходит в специальном реакторе или котле для того, чтобы обеспечить равномерное распределение добавки в сырьё.

2. Этап кальцинации. В ходе этого этапа сырьё нагревается в специальных печах до определённой температуры в среде с ограниченной подачей кислорода. Это позволяет изменить химические и физические свойства смеси без полного её плавления.

Исключение серы из процесса CAM приводит к уменьшению опасностей, связанных с риском для здоровья работников и окружающей среды.

Создание натриево-ионных батарей

Компания Northvolt ранее специализировалась на литиево-ионных батареях, но теперь расширяет свои возможности, работая над технологией натриево-ионных аккумуляторов. «Два года спустя мы можем смело сказать, что наша технология натриево-ионных батарей — самая эффективная на рынке. Речь идёт об энергетической плотности 160 ватт-часов на килограмм. Это сравнимо с плотностью существующих батарей с фосфатом железа (LFP)», — говорит Андреас Хаас, старший менеджер программы по новому направлению Northvolt. Несмотря на то, что натриево-ионные батареи могут иметь меньшую энергетическую плотность по сравнению с другими типами аккумуляторов, ценовое преимущество и безопасность делают их более привлекательными для потребителя.

«В последние годы мы изучали потребность в батареях LFP, — говорит Хаас. — 99% катодного материала для них поставляется из КНР, и в мире не существует конкурентоспособного способа его производства в другом месте. Так что натриево-ионные батареи — это лучшая альтернатива на сегодня».

Компания Northvolt теперь использует материал Prussian White в качестве катода и твёрдый углерод из биоотходов для анода. Prussian White — это вещество с содержанием железа, созданное в 1704 году. Джон Гуденофф обнаружил, что его структура позволяет эффективно включать ионы натрия, делая его перспективным материалом для катода в натриево-ионных батареях. Его плюс — ещё и дешевизна. Его использование в сочетании с новыми технологиями производства позволяет снизить углеродный след продукции и риск возгорания во время использования.

Хаас отмечает, что натриево-ионные батареи имеют ряд преимуществ перед Li-Ion. Во-первых, натрий можно добывать из солёной воды, которая есть везде, в то время как литий имеет более ограниченное географическое распространение. Кроме того, использование натриевых батарей позволяет не зависеть от таких дорогих материалов, как никель, кобальт, медь и графит, что будет способствовать стабилизации цен и уменьшению общей стоимости батарей.

Что ещё?

Компании и учёные также активно исследуют новые материалы и технологии для создания лучших и более доступных батарей. Например, в Университете Калифорнии в Лос-Анджелесе открыли центр, который занимается поиском оптимальных материалов для Na-Ion аккумуляторов. Цель — создание оптимального по эффективности и долговечности продукта как альтернативы литиевым аккумуляторам. Проводятся исследования по внедрению фторида в литиевые батареи для увеличения их ёмкости. Также тестируются токопроводящие полимеры, которые помогают ускорить зарядку и улучшить безопасность элементов.

В то же время компания Li-Metal Corp разрабатывает супертонкие литиевые аноды для аккумуляторов толщиной всего от 2 до 20 микрон. Это позволит не только увеличить плотность энергии батарей, но и ускорить их зарядку. Кроме того, компания планирует заменить медь на металлизированный полимер, что снизит стоимость и вес батареи.

Li-Metal Corp использует электролиз для получения лития. Затем он осаждается на полимерную основу, создавая тонкую плёнку. Компания масштабирует процесс, чтобы увеличить масштаб производства лития.

В целом, в индустрии производства аккумуляторов множество компаний конкурирует за лидерство в разработке технологий для электромобилей и хранилищ энергии, что делает рынок динамичным и конкурентоспособным. Возможно, в ближайшие годы мы услышим о каких-то новинках, которые радикально изменят рынок аккумуляторов. В течение последних пары десятков лет таких прорывов не было, но это не означает, что их не будет.