Хотите купить электромобиль? Тогда сначала нужно разобраться в его «сердце» 

Бывало ли у вас такое: вы приходите в автосалон посмотреть на электромобили, а продавец с самого начала начинает говорить о «литий-ионных аккумуляторах с трикомпонентным составом, литий-железо-фосфатных аккумуляторах и полутвердотельных аккумуляторах» — и вы остаетесь в полном недоумении: ведь это же все электромобили, почему же аккумуляторы так сильно отличаются? На самом деле это касается не только электромобилей — за аккумуляторами, которые мы используем в повседневной жизни в мобильных телефонах, портативных зарядных устройствах и внешних источниках питания, скрывается целая система классификации. Аккумулятор — это как сердце человека: основные материалы определяют его «группу крови» и «характер». Сегодня мы начнём с источника энергии электромобилей и, ориентируясь на материал положительного электрода — эту «основу», разберёмся в «направлениях», «возможностях» и «характере» основных типов аккумуляторов.

Сначала рассмотрим проблему «питания» электромобилей
Как далеко может проехать электромобиль, насколько быстро заряжается и не «заглохнет» ли он зимой — ответы на все эти вопросы кроются в аккумуляторной батарее.
В настоящее время на рынке легковых автомобилей доминируют два основных типа аккумуляторов:
Литий-железо-фосфатные: название звучит весьма химически, но запомните — они безопасны, долговечны и недороги. Она не содержит дорогостоящих металлов, таких как кобальт и никель, что позволяет снизить себестоимость; цикл зарядно-разрядных циклов может достигать более 4000 раз (что эквивалентно пробегу в миллион километров), температура термического разложения достигает 700 °C, а при проколе иглой возгорания не происходит. Недостатком является относительно низкая энергетическая плотность: зимой при температуре минус 20 °C запас хода может сократиться на 40 %. Типичные модели: Tesla Model 3 в стандартной комплектации, BYD Han EV.
Трёхкомпонентные литий-ионные аккумуляторы: материал катода состоит из трёх элементов — никеля, кобальта и марганца (или алюминия) — пропорции которых варьируются, как при приготовлении коктейля. Чем выше доля никеля, тем выше энергетическая плотность и тем больше запас хода; однако при этом снижается термическая стабильность, а температура термического разложения составляет всего 200–300 °C, что предъявляет чрезвычайно высокие требования к системе терморегулирования аккумулятора. Преимущества: хорошие характеристики при низких температурах и быстрая зарядка. Представительные модели: вся линейка NIO, высокопроизводительные версии Tesla.

Эти две технологии «соперничают и дополняют друг друга» на рынке: одна делает ставку на соотношение цены и качества, а также на безопасность, другая — на большой запас хода и высокую производительность.

Какие еще «направления» аккумуляторов существуют в зависимости от материалов?
Если расширить горизонт и не ограничиваться только электромобилями, можно обнаружить, что аккумуляторы, в зависимости от основного материала катода, можно разделить на четыре основных лагеря.

Первая группа: литиевые материалы — абсолютный лидер на сегодняшний день
Помимо упомянутых выше литий-железо-фосфата и тройного лития, есть ещё два «старожила»:
Литий-кобальт-оксид: часто встречается в мобильных телефонах и ноутбуках. Имеет высокую энергетическую плотность, но кобальт дорог и токсичен, а термическая стабильность оставляет желать лучшего. Именно он привёл литиевые батареи в эпоху бытовой электроники, но его не очень-то осмеливаются использовать в автомобилях — из-за склонности «выходить из строя» при высоких температурах.
Литий-марганцевый оксид: низкая стоимость, приемлемая безопасность, но короткий цикл жизни при высоких температурах. Использовался в ранних моделях Nissan Leaf, но впоследствии был постепенно вытеснен тройными и литий-железо-фосфатными материалами.
В лагере литиевых аккумуляторов тройные материалы можно дополнительно разделить по содержанию никеля: например, «811» (80 % никеля) нацелен на максимальный запас хода, но сложен в плане терморегулирования; «523» (50 % никеля) же более сбалансирован. Эта игра с цифрами, по сути, заключается в поиске баланса между энергетической плотностью и безопасностью.

Второй лагерь: свинцовые материалы — самые старые и самые надёжные
Положительный полюс — диоксид свинца, отрицательный — металлический свинец, электролит — разбавленная серная кислота. Это «старый верный рабочий» в мире аккумуляторов.
Области применения: стартерные аккумуляторы для автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, резервные источники питания для базовых станций связи, вилочные погрузчики.
Преимущества: технология настолько отработана, насколько это вообще возможно; крайне низкая стоимость; способность мгновенно выдать огромный ток; а также 100%-ная переработка.
Недостатки: громоздкость (удельная энергия составляет лишь 1/5 от литиевых батарей); короткий цикл зарядно-разрядных циклов (300–500 раз).
Одним словом: они никуда не исчезнут, но никогда не станут основным источником питания для электромобилей.

Третья группа: никелевые материалы — фавориты гибридных автомобилей
Положительный полюс содержит никель, но отрицательные полюса сильно различаются:
Никель-водородные аккумуляторы: отрицательный полюс представляет собой водород-аккумулирующий сплав. Плотность энергии находится между свинцово-кислотными и литиевыми аккумуляторами, но они чрезвычайно долговечны, а количество циклов заряда-разряда может достигать более 2000. Гибрид Toyota Prius эксплуатируется уже более двадцати лет именно благодаря своей прочности и устойчивости к перезаряду и переразряду.
Никель-кадмиевые аккумуляторы: отрицательный полюс представляет собой металлический кадмий. Они обладают еще большей прочностью, однако кадмий является крайне токсичным тяжелым металлом и имеет «эффект памяти» (если заряжать аккумулятор, не разрядив его полностью, его емкость «уменьшается»), поэтому они были выведены из обращения во всем мире и используются только в крайне специфических областях, таких как военная промышленность.

Четвертая группа: передовые новые материалы — звезды завтрашнего дня
Твердотельные аккумуляторы: в них традиционный жидкий электролит заменяется твердым (сульфиды, оксиды и т. д.). Они негорючи, не протекают, а их энергетическая плотность в два раза выше, поэтому их считают идеальным решением. Однако в настоящее время их стоимость чрезвычайно высока, а межфазное сопротивление велико, поэтому до их массового внедрения в автомобили придется подождать ещё три-пять лет.

Натрий-ионные аккумуляторы: в качестве положительного электрода используется оксид натрия, а в качестве отрицательного — твёрдый углерод. Натрий значительно дешевле лития и более доступен, а его характеристики при низких температурах и способность к быстрой зарядке даже превосходят литиевые батареи. Недостатком является относительно низкая энергетическая плотность, поэтому они больше подходят для станций накопления энергии и низкоскоростных электромобилей.
Цинко-ионные батареи на водной основе: электролит на водной основе, абсолютно безопасны, имеют крайне низкую стоимость, но в настоящее время их слабым местом является короткий цикл службы; они все еще находятся на пути от лабораторных исследований к промышленному производству.

Как их производят? «Различия в характере» технологических процессов
Технологии производства аккумуляторов из разных материалов имеют свои особенности:
Трёхкомпонентные литий-ионные/литий-кобальт-оксидные: чрезвычайно чувствительны к влаге и примесям, поэтому производственные помещения должны быть такими же сухими и чистыми, как на заводах по производству микросхем, иначе материалы «загрязнятся» и выйдут из строя.
Литий-железо-фосфатные батареи: процесс синтеза относительно нетребователен, но плотность уплотнения (то есть насколько плотно спрессован материал) сильно влияет на характеристики — если спрессовать слишком слабо, плотность энергии не повысится; если спрессовать слишком плотно, электролит не проникнет внутрь, и характеристики при высокой скорости заряда-разряда ухудшатся.
Свинцово-кислотные батареи: технология производства наиболее проста — литье решеток, нанесение пасты, формирование; одна производственная линия обходится в несколько десятков миллионов, поэтому цена крайне низкая.
Твердотельные аккумуляторы: ключевые технологии — это изготовление тонкой пленки электролита и соединение границ раздела «твердое-твердое», сложность которых сравнима с попыткой идеально соединить два листа наждачной бумаги; в настоящее время выход годной продукции остаётся очень низким.

Как же выбрать? Вот три ориентира
Ознакомившись со всеми этими «направлениями», вернёмся к практическим вопросам: как принять решение, если вы собираетесь купить автомобиль, сменить смартфон или интересуетесь системами накопления энергии?

Как их производят? «Различия в характере» технологических процессов
Технологии производства аккумуляторов из разных материалов имеют свои особенности:
Трёхкомпонентные литий-ионные/литий-кобальт-оксидные: чрезвычайно чувствительны к влаге и примесям, поэтому производственные помещения должны быть такими же сухими и чистыми, как на заводах по производству микросхем, иначе материалы «загрязнятся» и выйдут из строя.
Литий-железо-фосфатные батареи: процесс синтеза относительно нетребователен, но плотность уплотнения (то есть насколько плотно спрессован материал) сильно влияет на характеристики — если спрессовать слишком слабо, плотность энергии не повысится; если спрессовать слишком плотно, электролит не проникнет внутрь, и характеристики при высокой скорости заряда-разряда ухудшатся.
Свинцово-кислотные батареи: технология производства наиболее проста — литье решеток, нанесение пасты, формирование; одна производственная линия обходится в несколько десятков миллионов, поэтому цена крайне низкая.
Твердотельные аккумуляторы: ключевые технологии — это изготовление тонкой пленки электролита и соединение границ раздела «твердое-твердое», сложность которых сравнима с попыткой идеально соединить два листа наждачной бумаги; в настоящее время выход годной продукции остаётся очень низким.

Как же выбрать? Вот три ориентира
Ознакомившись со всеми этими «направлениями», вернёмся к практическим вопросам: как принять решение, если вы собираетесь купить автомобиль, сменить смартфон или интересуетесь системами накопления энергии?