MOTO 2030 — это пятничная серия Gazeta.pl, в которой мы обсуждаем наиболее важные темы, касающиеся будущего автомобильной промышленности, транспорта и технологий. Также будут интересные рассказы дизайнеров и описания истории компаний, чье прошлое влияет на то, как будет выглядеть автомобильная промышленность будущего. Машины, дороги и города очень динамично меняются на наших глазах. Каждую пятницу журналисты Moto.pl будут писать об этих изменениях. Здесь вы найдете все статьи из серии MOTO 2030.
Специалисты по электромобилям говорят, что на них нужно смотреть совершенно по-другому: не как на автомобили, состоящие из множества компонентов, а как на «аккумуляторы на колесах». По нескольким причинам. Во-первых, автомобильные аккумуляторы могут выполнять различные функции, например, создавать распределенный энергетический банк. Во-вторых, что более важно, тяговые аккумуляторы — это элемент, который оказывает существенное влияние на самые важные характеристики электромобилей: их эффективность и цену.
Электромобили стоят дорого, потому что современные аккумуляторы стоят дорого. Остальные компоненты привода значительно проще и дешевле, чем в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания. Гибридные приводы еще сложнее.
К счастью, гальванические элементы, а точнее аккумуляторы, за последние десять лет прошли долгий путь развития, несмотря на ошибочное мнение некоторых водителей о том, что эта отрасль находится в застое. В ближайшее десятилетие вместо ползучей революции, которая происходит сейчас, может произойти прорыв. Это связано с тем, что в последние годы автомобильные, энергетические и химические компании инвестировали в свое развитие больше, чем в предыдущем столетии. Речь идет о десятках, если не сотнях миллиардов долларов.
Как изменились их параметры за десятилетие?
Почти все жалуются, что электромобили технически мало изменились с начала их производства, а это как минимум 120 лет. Это справедливо лишь с точки зрения общего принципа работы. За последнее десятилетие эффективность электромобилей резко возросла.
La Jamais Contente (Вечно неудовлетворенный) 1899 года. Электромобиль Камиллы Женаци, который первым преодолел барьер 100 км/ч фото: общедоступное достояние/wikimedia commons
По данным McKinsey, в 2010 году средняя стоимость 1 кВтч тяговой батареи (т.е. той, которая обеспечивает энергию, необходимую для вождения) электромобиля составляла около 1000 долларов. Китайские автобусы с 2021 года уже имели аккумуляторы стоимостью 1 кВтч ниже $100. В самых эффективных легковых электромобилях стоимость 1 кВтч составляет около 130 долларов США.
Это означает, что примерно за десять лет цена за единицу упала в десять раз. Это лишь один из многих параметров, указывающих на огромный прогресс в области гальванических элементов за последние годы. Улучшились также их гравиметрическая емкость (отношение емкости аккумулятора к его массе) и объемная емкость (отношение емкости к объему).
Другими словами, батареи, сохраняющие одинаковое количество энергии, становятся меньше и легче. Это так же важно, как и цена, потому что благодаря этому маленькие автомобили имеют больший запас хода и становятся легче.
Как выглядят автомобильные аккумуляторы? Это модули, пакеты и ячейки
Строение тяговых аккумуляторов в автомобиле следующее: наименьшими элементами являются ячейки, которые соединяются в пакеты, а те, в свою очередь, в модули. Электромобиль может иметь один или несколько таких модулей, размещенных в шасси.
Пакеты представляют собой соединенные между собой наборы цилиндрических элементов, похожих на пальчиковые батарейки, только гораздо большего размера. До недавнего времени самыми популярными были ячейки 1865. Название происходит от их размера: 18 мм в диаметре и 65 мм в длину.
Они известны пользователям мощных фонариков и работникам компьютерных сервисов, поскольку именно из них сделаны аккумуляторы для ноутбуков. Их постепенно заменяют более крупные 2170 аккумуляторов в автомобилях, а в 2020 году Tesla представила еще более крупные 4680 баллонов во время сентябрьской конференции Battery Day.
Благодаря их размерам и различным продуманным решениям емкость увеличилась почти в пять раз, что позволяет упаковать больше энергии в те же пакеты и модули. Их цена за кВтч также ниже, чем у ранее использовавшихся элементов.
Их конструкция, как и всех автомобильных аккумуляторов, основана на литий-ионной химии (электролит представляет собой жидкость, содержащую соли лития). Новые элементы 4860 для Tesla будет производить японская Panasonic, которая, наряду с LG и CATL, является одним из партнеров американского производителя.
Скоро у Tesla будет 4680 элементов фото: Tesla
Что дальше? Больше электричества и новых технологий
С одной стороны, весовая и объемная емкость автомобильных аккумуляторов, безусловно, увеличится. Современные батареи имеют емкость около 260 Втч/кг. Многие компании, в том числе Tesla, утверждают, что скоро они превысят 400 Втч/кг.
Это можно сделать разными способами. Один из них — интеграция аккумуляторов с элементами шасси. Корпуса модулей становятся частью несущей конструкции, что снижает собственный вес автомобиля, но в то же время затрудняет кузовной ремонт и возможную замену аккумулятора.
Второе — внедрение новых технологий. Израильский стартап StoreDot утверждает, что разработал революционный анод, в котором вместо графита используется кремний, что позволяет увеличить емкость и обеспечить стабильную быструю зарядку. Батареи XFC емкостью Судя по всему, 100 кВтч можно зарядить за десять минут, при условии, что будут построены станции достаточно большой мощности. Чтобы выполнить обещание, она должна быть выше 600кВт. В настоящее время наиболее мощные из имеющихся станций имеют номинальную мощность 350 кВт.
Придется еще немного подождать твердого электролита
Есть также компании, которые уже могут похвастаться тем, что преодолели барьер в 400 Втч/кг (ONE — Our Next Energy), снизив затраты на 25 %. благодаря исключению из катода дорогостоящих кобальта и никеля (Conamix заменяет их серой). Все больше стартапов (ABEE, Unigrid) и корпораций (Toyota, Volkswagen с QuantumScape, Shell) сообщают, что достигают многообещающих результатов в испытаниях мифических аккумуляторов с твердым электролитом.
Toyota утверждает, что в 2025 году представит автомобили с твердоэлектролитными аккумуляторами фото Toyota
Теоретически такое решение имеет множество преимуществ: очень быстрая зарядка (даже за 5-10 минут), увеличенный запас хода или уменьшенный вес автомобиля (выберите одну особенность), минимальное старение и отсутствие колебаний в мощность в зависимости от наружной температуры. Усилия вышеперечисленных компаний поддерживают и гиганты аккумуляторного рынка: LG Energy Solution, Samsung, Panasonic, SK Innovation, CATL.
Конечно, на пути производства твердоэлектролитных аккумуляторов еще существует немало препятствий. Пока такие ячейки очень хрупкие, и на анодах формируются дендриты. Если компания может похвастаться революционным изобретением, всегда следует поинтересоваться у ее представителей: сколько оно стоит и можно ли внедрить его в массовое производство? Дорогие инновации остаются лишь диковинкой. Я не ожидаю увидеть серийный автомобиль с таким решением раньше 2025 года, хотя китайская NIO обещает это уже в 2022 году.
Что важнее? Лучше или дешевле аккумуляторы?
С другой стороны, стоимость 1 кВтч электроэнергии в аккумуляторах снизится. Новые решения сделают это возможным. Один из них — использование катодов LFP вместо более дорогих NCA и самых дорогих NCMA. Недостатком этого решения является снижение производительности, противоположное усилиям, описанным в первом пункте. Однако необходимо помнить, что катод — самый дорогой элемент элемента, зачастую составляющий более половины его стоимости.
Вы можете задаться вопросом, что важнее: передовые технологии или низкая стоимость? Илон Маск считает, что нет смысла внедрять дорогостоящие решения, поскольку это не поможет популяризации электромобилей во всем мире. Нам нужно снизить их цену.
Недавно аналитики Wood Mackenzie и BloombergNEF считали, что цена в 100 долларов за кВтч станет прорывом. Они прогнозировали, что мы достигнем этого к 2024 году, но это уже в пределах досягаемости. Сейчас Илон Маск и другие специалисты считают, что конкурентоспособной является только цена около $60 за 1 кВтч энергии в аккумуляторе.
Тогда общая стоимость эксплуатации электромобиля будет равна стоимости автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Тогда электромобили начнут продаваться очень хорошо, ведь несмотря на свои недостатки, у них есть неоспоримые преимущества. В дальнейшем, по мере увеличения масштабов производства, будет появляться все больше средств для популяризации дальнейших инноваций, которые устранят слабые места.
Когда автомобильный мир достигнет того и другого – улучшения ключевых параметров аккумуляторов и снижения их цены – автомобили с двигателем внутреннего сгорания исчезнут из автосалонов в развитых странах в течение нескольких лет. Не будет никаких аргументов в пользу их покупки.
Это, конечно, не произойдет очень быстро и не будет легко, и, прежде всего, для этого потребуется классический триумвират частного бизнеса с научными сообществами и правительствами штатов. Без авансовых государственных субсидий у компаний не будет достаточного коммерческого стимула. Затраты на НИОКР непропорционально высоки по сравнению с прогнозируемой прибылью.
Вам нужно помочь им поймать ветер, в конце концов, это будет того стоить для всех. Тем более, что прогресса в области гальванических элементов ждут не только автомобильная промышленность, но и энергетическая и электронная промышленность. Это потенциально означает огромную прибыль.
Популярные аккумуляторы — залог успеха электромобилей, поскольку на самом деле это аккумуляторы на колесах. Как только производителям удастся его получить, мир сможет решить оставшиеся проблемы: деградацию и эффективную переработку элементов, полное исключение из их состава дорогих или редких элементов (кобальта, никеля, марганца и лития), сокращение выбросов CO2 в процесс производства аккумуляторов и производство соответствующего количества экологически чистой энергии для всех этих электриков. Но это совсем другая история.
Электрический гиперкар Automobili Estrema Фульминия фото: Automobili Estrema