Страсти по кобальту. Кобальт – «товар будущего» (Mining Global), а его добыча – «золотая жила» (Reuters), с некоторым удивлением обнаружили мировые СМИ на рубеже 2017–2018 годов. Пока другие полезные ископаемые дешевели (индекс сырьевого рынка Bloomberg упал в 2017 году на 4%), кобальт, напротив, прибавил в цене 120%, а объем его продаж вырос с $4 млрд до $8 млрд. Это редкий металл: мировые запасы составляют 20 млн тонн, причем доступны для извлечения всего 7 млн, а большая их часть, 52%, сосредоточена в беднейшей Демократической Республике Конго..
![](https://glav.su/files/messages/2018/03/02/4781585_1b15d7db11292abefcb8524e24f4c9d9.jpg)
Пока кобальт использовался для питания небольших гаджетов, его цена оставалась стабильной. Но на последние два года пришелся подъем индустрии электромобилей, которым этого металла требуется на порядок больше: 5–20 кг против 10–30 г у смартфонов и ноутбуков. К 2022 году спрос на кобальт удвоится – до 219 тыс. тонн в год против нынешних 122 тыс., прогнозирует S&P. Причем для всех электрокаров его может попросту не хватить: чтобы перевести мировой автопарк на электродвигатели, потребовалось бы 14 млн тонн металла. Автоконцернам уже начинают отказывать на переговорах: в ноябре 2017 года Volkswagen не смог заключить с Glencore и китайской Huayou Cobalt контракт на долгосрочную поставку кобальта.
«
В литий-кобальтовой батарее на 1 кВт-ч мощности требуется 113 г лития и 959 г кобальта, что делает последний критически важным компонентом, – комментирует эксперт Энергетического центра бизнес-школы «Сколково» Екатерина Грушевенко. – ..
Впрочем, опасаться того, что из-за дефицита кобальта «встанет» вся электротехника, не приходится. Литий-ионный аккумулятор имеет сложное устройство: металлический катод (положительный полюс), графитовый анод (отрицательный), прослойка между ними (сепаратор) и среда для циркуляции заряженных элементов (щелочной или кислотный электролит). Кобальт используется только в катоде, составляющем, по расчетам Lux Research, 25% себестоимости батареи. При этом он постепенно замещается сплавами никеля и марганца, гораздо более распространенных металлов. ..
Отрыв от розетки. Если ситуация с кобальтом находится на периферии рынка энергонакопителей, то сам по себе он переживает не менее любопытные трансформации. Спрос на аккумуляторы в мире растет небывалыми темпами, по прогнозу Benchmark Mineral Intelligence (BMI), за следующие 10 лет он увеличится всемеро. Оборот продаж литий-ионных аккумуляторов, по данным Credit Suisse, за это время вырастет втрое, до $59 млрд в год. Отрасль испытывает мощный приток инвестиций.
В 2016 году Китай выпустил батареи суммарной мощностью 18 ГВт-ч, а в 2020 м объем производства составит 108 ГВт-ч (BMI). Tesla совместно с Panasonic строит за $5 млрд «гигафабрику» в штате Невада, США, с проектной мощностью 35 ГВт-ч.
В то же время у литий-ионных аккумуляторов обнаруживается все больше слабых мест с точки зрения нужд электронной индустрии. ... их электрохимические свойства ограничивают разработки новой техники: литий-ионные батареи сравнительно долго заряжаются и быстро «садятся», особенно на холоде.
Смартфоны на таких батареях «живут» около суток, ноутбуки – несколько часов. И тенденции к увеличению этих сроков не наблюдается...
Сегодня потребительская электроника требует больше аккумуляторов, чем электромобили, но в ближайшие годы соотношение должно измениться. Согласно прогнозу Bloomberg New Energy Finance (BNEF), в течение следующих 20 лет на рынок поступит 282 млн электрокаров, или 16% от мирового автопарка, а
спрос на элементы питания для них возрастет с нынешних 45 ГВт-ч в год до 408 ГВт-ч в 2025 году и 1293 ГВт-ч в 2030 м. В автомобилестроении предел литий-ионных батарей ощущается еще сильнее: согласно исследованию Университета штата Огайо (США), он составляет 0,4 пройденной машиной мили (0,6 км) за минуту заряда. Таким образом, на дальнюю поездку «электробака» может не хватить: у Renault Zoe запас хода составляет 400 км, у Opel Ampera-e – 500 км, у Tesla Model S – 540 км. Причем если разгоняться быстрее 100 км/ч, запас кончится и того раньше.
«Tesla Model S нуждается в аккумуляторе габаритами 2,4 м на 1,5 м и весом 600 кг, конструкция выглядит слишком громоздкой, – сетует президент Castle Family Office Singapore Эльдияр Муратов. – Причем одно дело, если аккумулятор заряжается дома в течение ночи. А как быть в пути? Можете себе представить полдня в ожидании на бензоколонке? Tesla готовит сеть станций Supercharger, обеспечивающих 50% заряда за 30 минут, но высокое напряжение на них исключает подзарядку машин других производителей. В общем, пользование электрокаром наравне с обычным автомобилем пока остается мечтой».
Недостаточно мощными оказались литий-ионные батареи и для активно развивающейся индустрии беспилотников. По данным Statista, мировые продажи дронов для личного пользования выросли в 2015–2017 годах с 6,4 млн до 15,9 млн штук, а к началу 2020 х увеличатся еще вчетверо. Объем этого рынка в прошлом году оценивался в $1,8 млрд (GSV Asset Management). Однако в основном это небольшие аппараты для развлекательных целей. Коммерческие же дроны, используемые для доставки товаров, в сфере безопасности или сельском хозяйстве, пока не получили широкого распространения ($0,19 млрд в 2017 году, прогнозируемые $0,53 млрд в 2020 м).
«Коптеры уже могут разгоняться до 150 км/ч и преодолевать пару десятков километров – этого вполне хватает для доставки, – поясняет глава московского отделения Quadrocopter.club, инструктор школы пилотов CopterTime Александр Малков. – Но все упирается в батарейки. Их хватает на 30–40 минут полета, что ограничивает применение коптеров по всем направлениям».
Еще более отдаленным будущим сегодня выглядит электрическая авиация. Первый пилотируемый полет на электросамолете состоялся в 1973 году, но вплоть до сегодняшнего дня подобные аппараты используются как экспериментальные модели. Правда, в прошлом году Airbus, Rolls-Royce и Siemens анонсировали первый полет самолета E Fan X на гибридном дизельно-электрическом двигателе в начале 2020 х, а авиакомпания EasyJet объявила, что в течение 10 лет перейдет целиком на электрический флот.
«Говорить о серьезном распространении электросамолетов в ближайшие годы неуместно, они не дают экономического выигрыша по сравнению с традиционными двигателями, – возражает исполнительный директор агентства «Авиапорт» Олег Пантелеев. – Такие аппараты останутся в качестве учебных, выполняющих полеты в зоне аэродрома. Электрификация самолетов пока сводится к оснащению аккумуляторами вспомогательных систем судна – пневматической, гидравлической».
К этим несовершенствам добавляется проблема безопасности литий-ионных батарей. По мере их использования отложения лития врастают в электролит, образуя кристаллические структуры – дендриты. Если дендриты соединят между собой положительный электрод (катод) с отрицательным (анод), возможно воспламенение, особенно при повышении окружающей температуры. Именно с этим связаны частые скандалы со «взрывающимися» гаджетами, в частности со смартфонами Samsung Galaxy Note 7, которые компании пришлось снять с продаж, потеряв $17 млрд.
Повелители ионов. При этом сегодняшние литий-ионные батареи отнюдь не идентичны тем, что были изобретены в 1970 х годах или впервые выведены на рынок в начале 1990 х. За десятилетия появилось множество их разновидностей, отличающихся химическим составом компонентов: помимо упоминавшихся выше, это литий-магний-алюминиевые, литий-никель-кобальт-алюминиевые, литий-железо-фосфатные, литий-титанатные и другие.
Попытки модернизировать литий-ионные аккумуляторы продолжаются по сей день. В прошлом году ученые Калифорнийского университета в Риверсайде экспериментировали с анодом и электролитом: в первом вместо графита была применена
смесь кварца с солью и магнием, а в электролит добавили органическое соединение метилвиологен. В обоих случаях срок службы аккумулятора удалось увеличить втрое. Годом ранее в Университете штата Огайо создали полимерную мембрану, не дающую батарее терять заряд во время бездействия. Тогда же был представлен проект Сибирского отделения РАН совместно с французской компанией SAFT: батареи с катодом из наноразмерного литий-марганцевого оксида мощнее и долговечнее традиционных.
Благодаря усовершенствованиям стоимость производства литий-ионных батарей снижается: по данным Международного энергетического агентства,
в 2008 году 1 кВт-ч стоил $1 тыс., в 2015 году – $250, к 2022 му цена должна опуститься до $150. При этом удельная мощность (плотность энергии) растет: в 2008 году она составляла чуть более 100 Вт-ч на 1 кг объема, сегодня – порядка 200 Вт-ч/кг, в 2022 году достигнет 400 Вт-ч/кг. Правда, все это едва ли покроет потребности техноконцернов. «Увеличить показатели в полтора, даже в два раза – это не прорыв, а выжимание последних крупиц. Кардинальных улучшений можно добиться, только меняя материал обкладок или электродов, то есть пересматривая всю литий-ионную концепцию», – считает доцент кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников МИСиС Сергей Леготин.
В этих условиях пользователям гаджетов, недовольным зависимостью от розетки, приходится идти на различные ухищрения. Например, закупать внешние аккумуляторы (power bank) – не случайно продажи этих устройств, по оценкам Allied Market Research, растут на 23% в год (с $6,7 млн в 2015 году до $30 млн в 2022 м). Либо прибегать к функции беспроводной зарядки, которая постепенно интегрируется в смартфоны. Вариантов зарядки «по воздуху» появляется все больше: «коллективное» устройство отдачи заряда с радиусом действия до полуметра от компании Pi, зарядка с помощью ультразвука uBeam, солнечные панели на дисплей смартфона от Alcatel и TagHeuer.
Революционный элемент. Но есть и более радикальные проекты, авторы которых пытаются создать ту самую «батарейку будущего». Самой реалистичной из подобных концепций выглядит литий-серная батарея, о которой впервые стало известно в середине 2000 х. Ее козыри – низкая себестоимость (благодаря использованию доступной серы) и в 2–3 раза более высокая производительность. Но есть и недостаток: через 50–100 циклов заряда/разряда сера растворяется, разрушая структуру батареи. Предложений, как продлить срок службы, появляется по нескольку в год. Самый свежий вариант датируется летом 2017 го: в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (США) предложили стабилизировать электролит добавлением каррагенана, продукта морских водорослей, используемого в пищевой промышленности как загуститель.
Некоторые исследователи добавляют в литий-серную батарею графеновый катод (графен – разновидность углерода), благодаря чему удается добиться сверхбыстрой зарядки. Такие продукты уже вывели или готовятся вывести на рынок стартапы Elecjet (power bank емкостью 6000 мА/ч, заряжающий iPhone за 10 минут, в планах – создание электровелосипеда с запасом хода до 100 км) и Graphenano (аккумулятор для электрокара с удельной емкостью 1000 Вт/ч/кг).
К другим экспериментам с катодом относятся алюминий-ионные аккумуляторы: их создали в Чжэцзянском университете (Китай) и в Стэнфордском университете (США). Китайский вариант за счет алюминиевого катода выдерживает 250 тыс. циклов заряда/разряда и температуру до +120 °C. В литий-металлических батареях, наоборот, при сохранении литиевого катода усовершенствован анод – у разработки SolidEnergy Systems он состоит из тонкого листа фольги, за счет чего плотность энергии повышена до 450 Вт/ч/кг. Компания решила начать с варианта для дронов, а к 2020 году обещает изготовить батареи для смартфонов и электрокаров.
Другая категория проектов акцентирует внимание на структуре электролита. Поскольку жидкий «наполнитель» снижает плотность размещения заряженных частиц, его предлагается заменить твердотельной (solid-state) батареей, сливающей катод и анод в одно целое. Благодаря этому удельная емкость возрастает до 800–1000 Вт/ч/кг. Особенно заинтересованы в этой технологии автоконцерны: Toyota намерена вывести на рынок подобный аккумулятор уже в 2020 году, Fisker нацелилась на 2023 й. Samsung свою разработку планирует завершить в 2025 м.
Есть и еще более фантастические начинания. Так, в теории многократно увеличить энергоэффективность можно за счет взаимодействия металлов с кислородом. Отсюда проекты литий-воздушного аккумулятора от Кембриджского университета (Великобритания), на котором седан Tesla якобы сможет проехать без подзарядки до 2000 км; алюминий-воздушного от Fuji Pigment (заявлено увеличение обычной емкости в 40 раз); цинково-воздушного от Наньянского университета (Сингапур).
Заплатите за прогресс. Говорить же о более осязаемых перспективах «революции батареек» пока сложно. ..
Помимо этого, актуален вопрос об экономической целесообразности амбициозных проектов. «Емкостные характеристики аккумулятора – это одно, а коммерческие перспективы – совсем другое. То есть, когда ученые заявляют достижение фантастической емкости, это еще ничего не говорит об экономическом потенциале продукта», – отмечает Сергей Леготин. «Графеновый аккумулятор? Отлично! Но стоимость такого экземпляра в тысячи долларов отбивает всю охоту у покупателей, – приводит пример Михаил Синявский. – Литий-серный? Недорого, надежно. Но жизненный цикл – всего 60 зарядов, то есть 60 рабочих смен, если использовать на электропогрузчике в ГК «Скат». Если предложить такой аккумулятор нашему техническому директору, он просто рассмеется». Показательно, что даже такой любитель инноваций, как Илон Маск, для своих электрокаров Tesla сосредоточился на модернизации литий-ионных батарей.
Для того чтобы какая-либо из «прорывных» технологий воплотилась в жизнь, необходимы масштабные инвестиции: $500 млн и более на запуск конвейера, подсчитали в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли. Для сравнения: SolidEnergy Systems удалось привлечь на реализацию своего литий-металлического проекта только $50 млн. Как отмечают эксперты, подобных стартапов много, соперничество за финансирование между ними велико, но при этом ни один не выглядит безусловно убедительным в глазах инвесторов. В итоге многие компании закрываются, едва успев объявить о своей «невероятной» технологии.
К тому же сегодняшние лидеры индустрии энергонакопителей – Panasonic и LG – не заинтересованы в революциях, говорит Сергей Леготин. У этих компаний отлажены логистика производства, взаимодействие с поставщиками, и для них разумнее удерживать рынок, понемногу улучшая свою продукцию, чем вкладываться в рискованные проекты. «Корпорациям даже выгодно, чтобы литий-ионные батареи быстрее выходили из строя и пользователи при этом покупали новые версии устройств», – рассуждает собеседник. Подобные уловки уже стали причиной не одного скандала. Так, Apple в прошлом году пришлось публично извиняться перед американскими пользователями за искусственное «замедление» смартфонов старых моделей по мере исчерпания ресурса аккумулятора. После этого сенаторы штата Вашингтон разработали акт, запрещающий продажу гаджетов с несъемными батареями.
Наконец, еще один нерешенный вопрос индустрии аккумуляторов – их утилизация. «Какие бы батареи ни были изобретены, перед миром встанет проблема их переработки, особенно если это будут еще более токсичные отходы, чем нынешний литий-ион, – отмечает Екатерина Грушевенко. – Сегодня утилизация тонны батарей стоит $1–2 тыс., это нерентабельный бизнес, в развитых странах его субсидируют. В Европе надеются достичь показателя $300 за тонну, что сделало бы переработку самоокупаемой. Только после этого имеет смысл говорить о дальнейших витках этой индустрии».
По подсчетам CRU, сегодня мир перерабатывает чуть более 5 тыс. тонн батареек в год. Ожидается, что к 2025 году этот показатель вырастет до 30 тыс. тонн.
Залог сохранения энергии. От развития аккумуляторов зависит не только будущее электронной индустрии. Еще более масштабный эффект ожидается в ближайшие годы в энергетической сфере. Вместительные, высокопроизводительные накопители открывают энергетикам заманчивые перспективы по части хранения выработанных на электростанциях мощностей. Согласно опросу участников саммита Energy Storage Summit 2017, в отрасли ожидают, что до 60% электростанций обзаведутся системами долгосрочного хранения энергии уже к 2022 году. В 2016–2030 годах мировой рынок хранения энергии вырастет в 12 раз, до 305 ГВт-ч суммарного объема хранилищ, прогнозирует BNEF.
Это может заметно поколебать конъюнктуру на рынках традиционных энергоносителей (нефть, газ, уголь), дав дополнительный толчок возобновляемой энергетике – солнечной, ветряной. Переменный характер источников этой энергии как раз предполагает использование накопителей: солнечную энергию можно вырабатывать только днем, но благодаря аккумуляторам она доступна и ночью.
Подобные аккумуляторы уже используются, и на этом рынке также лидируют литий-ионные технологии. По оценке US Energy Storage Monitor,
94,2% используемых для хранения энергии в США батарей имеют литий-ионную конструкцию, 5% приходится на проточные батареи на основе ванадия (vanadium redox (flow) batteries), 0,5% – на свинцово кислотные.
При этом считается, что будущее – за проточными батареями. Они позволяют изменить сам принцип хранения энергии. Сейчас доминирует целевое накопление на литий-ионных аккумуляторах, установленных в домах с солнечными панелями (behind-the-meter storage). С проточными же технологиями возможно создание большой сети, из которой каждый абонент будет черпать энергию по своим потребностям (in-front-of-the-meter). Это позволяет снизить стоимость накопления с нынешних $891–985 за 1 МВт-ч до $184–338 (расчеты Lazard and Enovation Partners) и открывает дорогу в отрасль большому бизнесу.
Не случайно ванадий в последние два года дорожал активнее того же кобальта: с $2,5 за фунт в начале 2016 го до нынешних $12.Первая масштабная система хранения на основе проточных аккумуляторов (емкостью 60 МВт-ч) была установлена в 2013 году в Японии. Сегодня же на первое место по темпам установки вышел Китай. В сентябре прошлого года китайские власти выпустили руководство по продвижению технологий хранения энергии, стимулирующее компании развертывать системы накопителей. Планируется, что на «пилотном» этапе до 2020 года в стране будет создана сеть 100 мегаваттных хранилищ, а в следующем десятилетии появятся гигантские хабы на 1 ГВт-ч. Параллельно
в 2017 году в Даляне открылась фабрика по производству ванадиевых аккумуляторов Rongke Power с проектной мощностью 3 ГВт-ч в год...
Источник