Как производятся аккумуляторы для электромобилей?

Аккумуляторы для электромобилей: Как и из чего их производят?

Аккумуляторы для электромобилей (иногда называемые тяговыми батареями) состоят из множества аккумуляторных элементов, соединенных вместе, образуя аккумуляторный модуль. Затем многие из этих модулей соединяются вместе для создания окончательной аккумуляторной батареи электромобиля.

Эти аккумуляторные элементы мало чем отличаются от тех, что используются в бытовой электронике (телефонах, ноутбуках и т. д.), но их гораздо больше в батареях электромобилей, что обеспечивает достаточный запас энергии.

Аккумуляторные элементы изготавливаются из неблагородных металлов, таких как литий и никель, драгоценных металлов, таких как кобальт, марганец и других редкоземельных элементов.

Тип батареи, используемой в электромобилях, различается у разных производителей, но в большинстве из них используется типичная литий-ионная батарея, в которой для работы используется в основном литий, а также никель, кобальт или марганец.

Литий-ионные батареи включают литий-кобальт-оксидные батареи, литий-марганцево-оксидные батареи, литий-никель-марганцево-кобальтовые оксидные батареи, литий-железо-фосфатные батареи, литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные батареи и литий-титанатные батареи.  

Компоненты батареи электромобиля

Аккумуляторы электромобилей состоят из следующих основных компонентов:

1. Система управления батареями (BMS)
2. Массив аккумуляторных модулей
3. Электрическая система аккумулятора
4. Система охлаждения батареи
5. Структура защиты аккумулятора

Обратите внимание, что это описание останется общим, поскольку у каждого производителя есть уникальное расположение, компоненты и форма аккумуляторов для электромобилей. Ниже мы рассмотрим эти основные компоненты и обсудим их подкомпоненты.

Система управления батареями (BMS)

Система управления батареями (BMS) — это главная мера безопасности, позволяющая регулировать рабочие параметры батареи и контролировать общее состояние системы.

BMS будет определять напряжение аккумуляторных элементов и модулей, температуру аккумулятора, уровень заряда, оценивать оставшееся время использования с учетом рабочих параметров, контролировать безопасность элементов/модулей и предоставлять другую полезную информацию.

Многие батареи электромобилей поставляются с внешними системами передачи данных, что позволяет проводить дальнейшую оптимизацию и интеграцию в системы автомобиля. Эти «умные аккумуляторы» могут помочь с интеграцией указателя уровня топлива и спидометра, автоматизированного вождения, рекуперативного торможения и многого другого.

Массив аккумуляторных модулей в электромобиле

Массив аккумуляторных модулей является сердцем батареи электромобиля — он содержит все компоненты устройства, накапливающие энергию, а именно аккумуляторные элементы и модули, образующие аккумуляторную батарею. Ниже приведены основные различия между аккумуляторными элементами, модулями и блоками.

Батарейные элементы

Самая основная единица батареи электромобиля, аккумуляторная ячейка, представляет собой отдельный компонент типа гальванического элемента, который будет соединен вместе со многими идентичными элементами, чтобы сформировать первичный резервуар энергии, необходимый для устойчивой электрической мощности.

Аккумуляторные элементы состоят из лития, кобальта, никеля или марганца, в зависимости от конкретного типа, и предназначены для обеспечения питания двигателей электромобилей постоянным током (DC).

Эти элементы сгруппированы в модули внутри контейнеров с лотком для элементов, где множество элементов соединены вместе для достижения желаемого выходного напряжения и емкости в ампер-часах (Ач).

Батарейные модули

Аккумуляторные модули создаются путем сборки определенного количества элементов вместе, что увеличивает выходное напряжение/силу тока, а также защищает элементы от нагрева, ударов и вибрации с помощью корпусов и крышек модулей.

Аккумуляторные модули обычно представляют собой корпуса, в которых находятся аккумуляторные элементы, лотки для элементов и быстроразъемные соединения с электрической системой.

Некоторые производители сваривают аккумуляторные элементы вместе и помещают их непосредственно в модуль, в то время как другие просто используют крышку модуля в качестве точки соединения каждого элемента.

Несмотря на это, когда все они соединены вместе, эти модули создают окончательный резервуар энергии, необходимой для электромобиля, и все вместе известны как аккумуляторная батарея.

Аккумуляторы

Аккумуляторная батарея — это последняя полноразмерная батарея электромобиля со всеми остальными компонентами (BMS, электрические соединения, системы охлаждения и защитная конструкция).

Например, общаа конструкция будет содержать около 8-10 аккумуляторных модулей, каждый из которых содержит около 12 аккумуляторных элементов (эти числа варьируются в зависимости от конкретного производителя, конечного продукта и используемой батареи).

Когда аккумуляторная батарея полностью собрана, она готова к установке в электромобиль и будет выступать в качестве основного источника питания для всех систем (двигатели, компьютерная система, отопление/переменный ток, аксессуары и т. д.)

Электрическая система батареи в электромобиле

Электрическая система батареи состоит из электрических кабелей, соединений, предохранителей, шунтов и любых других электрических компонентов, необходимых для поддержания работы батареи в соответствии со спецификацией.

Поскольку в этих устройствах используется высокое напряжение, электрическая система оценивается и тестируется на ожидаемое рабочее напряжение, чтобы не возникало проблем.

Как правило, электрическая система и BMS тесно связаны, чтобы дать пользователям полную картину того, что происходит в каждой ячейке (как в случае с интеллектуальными батареями).

Система охлаждения батареи в электромобиле

Система охлаждения батареи предотвращает чрезмерное накопление тепла в батарее электромобиля и обычно представляет собой герметичную линию жидкого хладагента, которая отводит тепло от батарей почти так же, как компьютерные системы охлаждения охлаждают процессоры.

Производители должны обеспечить герметичность системы охлаждения, чтобы никакая жидкость не касалась компонентов, находящихся под высоким напряжением, и она должна в достаточной степени отводить тепло, поскольку батареи выделяют огромное количество тепла.

Структура защиты батареи в электромобиле

Физическая защитная конструкция батареи электромобиля является важной частью ее конструкции; он обеспечивает воздухонепроницаемый, водонепроницаемый и конструктивно прочный корпус для батареи и различных аксессуаров.

Поскольку многие батареи электромобилей устанавливаются под автомобилем, защитная конструкция должна защищать аккумуляторные элементы от пыли, камней, мусора и других дорожных опасностей. Защитная конструкция также содержит огнезащитные материалы для снижения риска возгорания.

Из чего сделаны аккумуляторы для электромобилей?

Аккумуляторы электромобилей изготавливаются из металлов, включая литий, марганец, никель, кобальт, алюминий, железо и другие металлы для конкретных приложений. Металлы аккумуляторов электромобилей делятся на две категории: недрагоценные металлы и драгоценные металлы.

Базовые металлы

Неблагородные металлы — это те, которые имеются в изобилии и легко извлекаются из Земли, что делает их идеальными для производства. Основные металлы включают цинк, никель, свинец, олово, медь и алюминий.

Обратите внимание, что железосодержащие металлы и сплавы исключены из списка основных металлов, поскольку они представляют собой совершенно другую категорию металлов, а именно черные металлы и стали, представляющие собой целый сегмент рынка.

Несмотря на обилие, основные металлы являются основой производства и требуются в больших количествах для всех применений, особенно для электромобилей.

Драгоценные металлы

Драгоценные металлы — это металлы, дефицитные и, следовательно, ценные своей редкостью, особенно когда они выполняют научные/технические функции. Типичные драгоценные металлы включают золото, серебро, палладий и платину.

Кобальт — еще один драгоценный металл, который является редким и трудно извлекаемым из земли. Тем не менее, это основной элемент, необходимый для аккумуляторов электромобилей, и поэтому он является узким местом для многих производителей.

Литий может подпадать под категорию драгоценных металлов в зависимости от того, кого спрашивают, поскольку он является одновременно распространенным элементом, но также пользуется большим спросом у производителей из-за его использования в батареях.

На цену лития значительно влияют рыночные условия; например, в 2021 году его цена за метрическую тонну выросла более чем на 430%.

Откуда берется сырье для аккумуляторов?

Сырье для аккумуляторов электромобилей поступает из горнодобывающих предприятий в нескольких странах, включая Демократическую Республику Конго, Индонезию, Филиппины, Аргентину, Австралию и Чили.

Кобальт почти полностью добывается в Демократической Республике Конго. Никель в основном добывается в Индонезии и на Филиппинах (хотя его легче найти, так как это 5-й по распространенности металл). Литий добывают в Аргентине, Австралии и Чили.

Достаточно ли в мире сырья для аккумуляторов электромобилей? 

Добыча материалов для аккумуляторов электромобилей в первую очередь включает извлечение цветных и драгоценных металлов из земли и их очистку, что требует времени, труда и денег.

Основным слабым местом батарей для электромобилей являются драгоценные металлы, такие как кобальт, который в настоящее время является обязательным элементом для работы большинства, если не всех, электромобилей для дальних поездок.

Некоторые производители изучают альтернативы кобальту или даже внедряют безкобальтовые аккумуляторы для электромобилей (например, Tesla и их аккумуляторы LFP). Однако на данный момент источники кобальта по-прежнему являются огромным препятствием для крупномасштабного развертывания электромобилей.

При этом недавнее исследование Transport & Environment показало, что лития и никеля достаточно для производства до 14 миллионов аккумуляторов для электромобилей в 2023 году, что на 55% выше текущих рыночных прогнозов. 

Обратите внимание, что эта статистика ничего не говорит о практике добычи металла из аккумуляторов электромобилей или о том, что это огромный потенциал для развития.

Хотя в земле может быть достаточно сырья для аккумуляторов электромобилей, их извлечение без причинения долговременного ущерба местному населению и окружающей среде по-прежнему представляет собой одну из самых больших проблем с запасами материалов для аккумуляторов электромобилей.

Без устойчивых и этичных средств доступа к необходимым материалам для аккумуляторов электромобилей они по-прежнему будут оставаться дорогими и сложными в масштабировании.

Типы литий-ионных аккумуляторов для электромобилей

Типы литий-ионных аккумуляторов можно определить по их емкости и химическому составу. 

По емкости литий-ионные батареи бывают разных типов, включая литий-ионные батареи Tesla 18650, литий-ионные батареи 4680 и литий-ионные батареи 2170. Обратите внимание, что, хотя эти батареи называются батареями «Tesla», многие на самом деле поступают от других производителей, и Tesla просто внедряет их в свои окончательные аккумуляторные батареи для электромобилей.  

С химической точки зрения, литий-ионные батареи бывают различных типов, включая литий-кобальт-оксидные батареи, литий-оксидно-марганцевые батареи, литий-никель-кобальт-марганцево-оксидные батареи, литий-железо-фосфатные батареи, литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные батареи и литий-титанатные батареи.

Литий-кобальтовые оксидные батареи

Эти устройства, также известные как литий-кобальтовые или литий-ионно-кобальтовые батареи, изготавливаются из карбоната лития и кобальта и обладают высокой удельной энергией, что полезно для сотовых телефонов, ноутбуков и других электронных портативных устройств.

Их существенными недостатками являются низкая удельная мощность, короткое время автономной работы и склонность быть опасными (горючими/взрывоопасными) в случае повреждения или неисправности.

Литий-марганцево-оксидные батареи

Эти устройства, также известные как литий-манганатные, литий-ионно-марганцевые, литий-марганцевые или марганцево-шпинельные батареи, были первоначально выпущены на рынок в 1996 году из-за их безопасности и стабильности при высоких температурах.

В результате они обычно используются в медицинских устройствах, электроинструментах, электрических мотоциклах и личной электронике. Однако некоторые типы литий-марганцевых оксидных батарей нельзя перезаряжать, что делает их непригодными для определенных применений.

Литий-никелевые марганцево-кобальтовые оксидные батареи

Известные как батареи NMC, литий-никель-марганцево-кобальтовые оксидные батареи могут иметь либо высокую удельную плотность энергии, либо высокую удельную мощность, в зависимости от конструкции.

NMC чаще всего используются в электроинструментах и ​​силовых агрегатах электромобилей. Они имеют низкую скорость самонагрева, идеально подходящую для применения в электромобилях, однако для них требуется определенное соотношение кобальта, марганца и лития, что делает их производство более дорогим, чем другие типы.

Литий-никелевые кобальтово-оксидно-алюминиевые батареи

Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные батареи, также известные как батареи NCA, являются еще одним перспективным компонентом для электромобилей благодаря их высокой плотности энергии и длительному сроку службы.

Однако они должны быть сопряжены с устройством мониторинга, поскольку они более опасны, чем другие литий-ионные батареи. На данный момент они также более дорогие, однако с популяризацией электромобилей батареи NCA могут снизиться в цене по мере увеличения как спроса, так и предложения.

Литий-титановые батареи

Эти устройства, также известные как литий-титановые батареи, имеют быстрое время перезарядки благодаря своей конструкции, основанной на нанотехнологиях.

Несмотря на более низкое собственное напряжение/плотность энергии, чем у других типов литий-ионных аккумуляторов, непригодных для применения в электромобилях, литий-титанатные аккумуляторы используются в электромобилях, электровелосипедах и интеллектуальных сетях в качестве важных резервных аккумуляторов, поскольку они обладают высоким уровнем безопасности.

Производители автомобильных аккумуляторов для электромобилей

Производство автомобильных аккумуляторов для электромобилей может представлять собой либо сборку реальных транспортных средств, либо производство аккумуляторов, которые в массовом порядке передаются по контракту этим производителям транспортных средств, которые используют их для сборки аккумуляторов на месте.

Поскольку последний является более широким, в этом разделе будут представлены ведущие производители автомобильных аккумуляторов для электромобилей, которые снабжают производителей автомобилей достаточными запасами аккумуляторов и сопутствующих компонентов.

Обратите внимание, что информация в таблице ниже взята из IEEE Spectrum, который издается Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE).

 Ведущие производители аккумуляторов для электромобилей

Источник табличных данных: журнал IEEE Spectrum

Новые аккумуляторные технологии и инновации для электромобилей

Инновационные аккумуляторы для электромобилей ориентированы на экономию средств, увеличение емкости и устойчивость и являются одними из самых востребованных решений в отрасли благодаря своему огромному потенциалу.

Ниже приведены некоторые передовые инновации в области накопления энергии, которые могут революционизировать объемы производства электромобилей.

Литий-железо-фосфатные (или LFP) батареи

Литий-железо-фосфатные батареи обеспечивают более низкую стоимость, высокую безопасность, низкую токсичность и длительный срок службы без необходимости использования кобальта или никеля.

В настоящее время в некоторых новых электромобилях используются батареи LFP, которые не содержат кобальта и никеля и исключительно долговечны и стабильны; полностью заряженные батареи LFP могут храниться без существенного влияния на их срок службы.

Несмотря на их более низкое напряжение, некоторые производители говорят, что батареи LFP, как ожидается, превзойдут батареи типа NMC в 2028 году благодаря отсутствию в них кобальта и повышенной стабильности. В настоящее время CATL, BYD и Panasonic инвестируют в технологию LFP, где китайские производители занимают почти монопольное положение в этой технологии.

Натрий-ионные батареи

Используя другой щелочной металл группы 1 вместо лития, разработчики могут значительно снизить стоимость аккумуляторов для электромобилей и сделать их доступными для рынка.

Для производства натрий-ионных аккумуляторов не требуется литий, кобальт, марганец или никель, а используется только натрий, который встречается на всех континентах как 6-й по распространенности элемент на Земле.

Планируется, что эти батареи будут энергоемкими, негорючими, работоспособными при более низких температурах и более экологичными.

Производительность натрий-ионных аккумуляторов на сегодняшний день ограничена из-за их низкой долговечности, но CATL и многие другие научно-исследовательские группы продвигают натриевые аккумуляторы первого поколения в надежде, что будущие инновации смогут решить эти проблемы.

Твердотельные батареи

Все современные батареи требуют катода, анода, сепаратора и электролита, где электролит находится в жидкой форме. Твердотельная батарея призвана заменить этот жидкий электролит твердым, устраняя риски вздутия/протечки и возгорания, увеличивая емкость, улучшая стабильность и устраняя необходимость в сепараторах.

В этой конфигурации твердотельные батареи будут иметь более высокую плотность энергии на единицу площади, чем литий-ионные альтернативы. В сочетании с отсутствием необходимости в компонентах безопасности они значительно уменьшат вес, стоимость и требования к пространству для автомобильных аккумуляторов для электромобилей.

Твердотельные аккумуляторы считаются ключевым достижением в технологии аккумуляторов, которое может увеличить дальность пробега электромобиля до уровня автомобилей с ДВС или даже превысить их.

Самсунг СДИ, Тойота, и другие производители пытаются получить патенты и производственные инструменты, необходимые для масштабирования такого предприятия; однако эта технология все еще находится на ранней стадии разработки и требует дополнительных исследований, прежде чем электромобили превзойдут существующие автомобили на бензине. 

В этой статье представлен обзор того, как изготавливаются аккумуляторы для электромобилей, их компоненты и конструкция, а также конкретные технологии, которые используются в их конструкции.