Литий вместо свинца? - Металлургия - Новости сайта

Эти аккумуляторы под названием Motorsport предлагаются в качестве опции благодаря своей массе – менее 6 кг – что втрое легче, чем заменяемая свинцово-кислотная батарея. Кроме того, они вдвое меньше (ниже) стандартных стартерных батарей, но полностью совместимы по креплению и клеммам – токоподводам. То, что емкость нового литиево-ионного аккумулятора (18 А∙ч) оказалась также втрое ниже, чем у обычного, не смущает изготовителя.

Сообщается, что новинка не только сопоставима по эффективности с 60 А∙ч свинцового аккумулятора, но и во многом превосходит его. Напоминается, что у обычной батареи автомобиля фактически используется только треть ее емкости, а литиево-ионные батареи постоянно выдают до 100% своей емкости. Они перезаряжаются быстрее, имеют низкий уровень саморазряда, большее число циклов заряда-разряда, увеличенный срок службы батареи и т.д. и т.п. Для реализации всех этих преимуществ новый аккумулятор Porsche (помимо четырех литиево-ионных батарей) имеет встроенный электронный контроллер.

Информация о ходе продаж новинки не разглашается, но есть данные о применениях этого аккумулятора в других моделях скоростных автомобилей. Есть и автомобильное применение малых (пальчиковых) литиевых аккумуляторов. Например, малая автокомпания Tesla Motors (из Силиконовой долины в США) ставит в свои машины блок из 6831 (!) литиевой батарейки для массовой электроники.

Среди крупных производств отметим, что в августе 2010 г. японская компания Sanyo Electric завершила строительство завода по производству литиево-ионных аккумуляторных батарей в Касай (Kasai). Несмотря на то, что производственные мощности позволяют выпускать до 1 млн батарей в месяц, компания не справляется с поступающими заказами (на батареи для электромобилей Volkswagen и Suzuki). Сейчас Sanyo инвестирует в завод дополнительные $180 млн, чтобы увеличить его мощности в 2,5 раза. Она считает, что строительство второй производственной линии позволит компании занять лидирующие позиции на рынке этих аккумуляторов для автомобилей. Однако «на пятки» японцам уже наступает ряд схожих китайских производств.

Автопремьера и бурное внедрение серийных литиевых аккумуляторов примечательны весьма многим. Источники энергии, прочно занявшие свое место в бытовой электронике (мобильные телефоны, ноутбуки и т.п.), начали осваивать новый рынок, емкость которого почти в 100 раз больше. Насколько это все серьезно, надвигается ли дефицит лития и «закат эпохи свинца» – как раз и рассмотрит эта статья.

Металлы, батареи и аккумуляторы

Первым источникам электричества на основе химической реакции более 200 лет. Их применял, например, Алессандро Вольта, давший свое имя единице измерения напряжения.

С тех давних времен вся электрохимия применяет те или иные металлы как проводники электричества. Кроме того, металлы чаще прямо участвуют в реакции, отдавая электроны и превращаясь в другие соединения. Несколько сотен лет металл «безвозвратно» расходовался в гальванических элементах (как в электрических батарейках, сейчас называемых солевыми), отдавая электроэнергию. Двусторонний процесс обратимой реакции, допускающий разряд и заряд, был реализован в каких-либо устройствах много позднее.

Наиболее массовый современный аккумулятор – свинцово-кислотный – появился в 1859 г., и основной принцип действия (химическая реакция) не изменился с тех давних времен. Однако более 100 лет шли процессы совершенствования его параметров, и прежде всего – емкости и надежности. Емкость была повышена на порядок-два путем увеличения площади поверхности (фактически – объема свинца/оксида свинца), вовлекаемой в химические реакции. Достигается это уже классическим (помимо роста числа и площади электродов) методом – применением пористых поверхностей, пропитываемых электролитом. При этом основной проблемой надежности становится прежде всего сохранение прочности этих хрупких и нестабильных структур при сложнейших условиях эксплуатации и многократного заряда-разряда. Есть еще отдельные проблемы поляризации, пассивации («отравления») поверхностей и многое другое.

Отметим, что решение всех этих научно-технических вопросов должно достигаться в серийном производстве при сохранении приемлемых цен. Для свинцово-кислотных (как и для других аккумуляторов) на данный момент фактически произошло достижение сложнейшего компромисса между многими противоречивыми требованиями. Дальнейший прогресс настолько слаб, что можно говорить о пределе возможностей этих материалов и технологий.

Для более «молодых» типов аккумуляторов при всей их специфике ситуация схожая – нужен сложнейший компромисс. Над его достижением как раз бьются ученые (чаще химики и физики) и технологи (материаловеды и металловеды). В конечном итоге – работают конструкторы и инженеры над созданием автоматизированной технологической линии, в которой эти идеи будут реализованы.

Теперь – о том, на каком этапе находится литий, и о предельных возможностях литиево-ионных аккумуляторов. Естественно, в сравнении с конкурентами (табл. 1).