Зарядись по полной

Разнообразные гаджеты, беспилотники, электромобили – человека окружает все больше техники, и везде требуются источники автономного питания. В результате объемы их производства увеличиваются кратно с каждым годом.

При этом возможности традиционных литий-ионных накопителей все меньше соответствуют амбициям электронных корпораций, тормозят прогресс. На замену им могут прийти более емкие аккумуляторы сразу нескольких типов, создаваемые в лабораториях по всему свету. Прорыва ждут со дня на день, но он никак не случится: как рассказали «Профилю» эксперты, каждую из разработок отделяют от попадания на конвейер технологические или экономические проблемы. Пока они не устранены, «светлое» электрическое будущее откладывается.

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 (на втором месте – Австралия с 6%, данные S&P Global Market Intelligence). Кобальтовый рынок непрозрачен: формально эту отрасль в Конго курирует компания Mutanda (принадлежит швейцарской Glencore), но, по данным правозащитных организаций, на добыче заняты десятки тысяч местных крестьян, в том числе несовершеннолетних. Через запутанные цепочки поставщиков, стремящихся не предавать огласке бизнес в Конго, металл попадает на международные рынки, в том числе на китайский. По данным SNL Metals & Mining, Glencore произвела в 2016 году 21,5 тыс. тонн кобальта, идущая второй China Molybdenium – 9,3 тыс.

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. – При этом регион добычи представляет собой уникальное сочетание политических, финансовых, операционных и этических рисков. А сам кобальт является побочным продуктом добычи меди и никеля, то есть его доступность зависит и от колебаний на этих рынках – если спрос упадет, шахты законсервируют».

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. Так, с 2008 года содержание кобальта в аккумуляторах Tesla снизилось с 38 кг до 5 кг. «Нынешний рост котировок лишь ускорит кобальтозамещение, – предполагает руководитель направления «Тяговые аккумуляторные батареи» ГК «СКАТ» Михаил Синявский. – На цене готовых изделий он сказаться не успеет, тем более что ее определяет стоимость еще множества других компонентов».

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. В свое время они пришли на смену свинцово‑кислотным, никель-кадмиевым и никель-металлгид-ридным и воспринимались как безусловный прорыв. Однако сегодня 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, констатирует руководитель направления «Мобильные ПК» компании Acer Павел Василенко: «Для ноутбуков нашли решение в виде литий-полимерных аккумуляторов, отличающихся составом электролита. У них такая же удельная емкость, но выше ресурс службы – до 1000 циклов заряда/разряда, этого должно хватить на расчетный срок службы устройства. Литий-ионные «умирают» втрое быстрее, из-за чего приходится время от времени менять батарею. Впрочем, процент ноутбуков на литий-полимерах на рынке все еще невысок».

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 вы-ше, это литий-магний-алюминиевые, литий-никель-кобальт-алюминиевые, литий-железо-фосфатные, литий-ти-танатные и другие.

Наиболее перспективным эксперты называют последний подвид (с титанатом лития вместо графита в качестве анода), который, хотя и стоит в несколько раз дороже обычной батареи, обладает стойкостью к зарядке повышенными токами. Один из примеров такой батареи – проект SCiB (Super Charge ion Battery) от Toshiba, запущенный в 2008 году. «SCiB способны восполнять до 90% емкости за 5 минут – общественный электротранспорт на таких аккумуляторах может подзаряжаться на каждой остановке,  – рассказывает руководитель департамента развития новых направлений бизнеса ООО «Тошиба Рус» Владимир Максимов. – Главное преимущество SCiB – их реальность. Они производятся серийно и уже используются в электромобилях».

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). Британская Intelligent Energy Holdings планирует приспособить к производству аккумуляторов водород. Как рассказывают в компании, смартфон сможет «питаться» от такой батареи больше недели, правда, при работе из него будет выделяться водяной пар. А химики из Бристольского университета работают над «вечной» ядерной батареей на основе алмаза из радиоактивного изотопа. Ей не потребуется подзарядка в течение 5700 лет. Впрочем, это уже проекты «неземного» масштаба: подобные мини-реакторы необходимы исследовательским аппаратам, отправляющимся в глубь Солнечной системы, где мало солнечных лучей.

Заплатите за прогресс

Говорить же о более осязаемых перспективах «революции батареек» пока сложно. Как правило, в подобных разработках при совершенствовании одного параметра деградируют остальные: приходится искать компромисс, например, между мощностью батареи и риском ее воспламеняемости. Испытания длятся долго: нужно провести тысячи зарядов/разрядов, отследить весь жизненный цикл накопителя. Те же литий-ионные батареи перед запуском в серийное производство тестировались десятилетиями (первые работы над ними датируются 1912 годом).

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.

«Именно Китай будет пионером зеленой энергетики – не США, не Европа, – подчеркивает Михаил Синявский. – Китайское правительство решило вложиться в эти заводы, хранилища – без участия государства они были бы убыточны на первых порах. Это настоящее перевооружение экономики, и уже скоро оно принесет свои плоды: пройдет пять–десять лет, и рынок заполонят китайские электрокары, всевозможная техника на электрической тяге, элементы питания к ней. Китай первым понял, на чем основана экономика XXI века, и устремился в будущее».