В глобальном масштабе спрос на батареи достиг уровня нескольких тераватт-часов (более 2,4 ТВт·ч в 2023 году, по данным Международного энергетического агентства), при этом ежегодно продаются миллиарды литий-ионных батарей. Более 90% этих батарей в конечном итоге оказываются на свалках. В отчете IDTechEx «Рынок гибких батарей 2025-2035: технологии, прогнозы и игроки» содержится подробная информация о тонких и гибких батареях для микроэнергетических приложений и постепенном переходе к экологически чистым альтернативам.
Литий является основным материалом, используемым в современных аккумуляторных технологиях. Однако его доступность зависит от добычи лития. Крупнейшим коммерческим источником лития является добыча из подземных месторождений (известных как солончаки из-за наличия в них природного солевого раствора), что оказывает относительно низкое воздействие на окружающую среду. Однако важным вторичным источником являются литиевые рудники. В настоящее время добыча лития в рудниках не является устойчивой, поскольку она способствует истощению водных ресурсов и разрушению среды обитания.
Перфторалкильные и полифторалкильные вещества (ПФАВ) используются на нескольких этапах конструирования батарей. Сначала ПФАВ применяются в качестве связующих веществ для катода, чтобы закрепить активный материал на электроде и соединить токосъемник с электродом. В частности, ПТФЭ и ПВДФ используются в перезаряжаемых и неперезаряжаемых литиевых батареях, а также в других типах батарей. ПФАВ хорошо подходят для этого применения, поскольку обладают хорошими адгезионными и диспергирующими свойствами. Некоторые литий-ионные батареи также используют ПФАВ в жидких электролитах, например, трифлат лития, LiTFSI и LiBETI. В зависимости от типа батареи, ПФАВ могут также использоваться в покрытиях сепараторов и мембран. Например, они могут служить связующими веществами в керамических покрытиях сепараторов. Как правило, эти ПФАВ оказывают низкое воздействие на окружающую среду и нетоксичны. Однако, поскольку ПФАС привлекают все большее внимание со стороны государственных органов, в будущем они могут столкнуться с ужесточением регулирования, особенно в Европе, где новые стандарты, как ожидается, будут поэтапно введены к 2025 году. Точный масштаб этих новых правил еще не определен, что является важным стимулом для внедрения инновационных методов производства батарей.
Иллюстрация некоторых компонентов батарей, в которых могут использоваться вещества PFAS. Источник: IDTechE
В результате этих факторов многие компании заинтересовались более экологичными материалами и методами производства. Компания IDTechEx провела специальный анализ компаний в секторах тонкопленочных и микроэнергетических батарей в отчете «Рынок гибких батарей 2025-2035: технологии, прогнозы и игроки». Из этого анализа вырисовываются две общие тенденции. Во-первых, разработка новых методов производства и связующих материалов для традиционных литиевых батарей. Во-вторых, разработка новых химических веществ, которые заменяют необходимость в литии и, в некоторых случаях, исключают необходимость в связующих материалах на основе ПФАС.
Первый подход предполагает разработку технологий сухого и энергетического отверждения. Компания Ateios является примером компании, использующей этот метод. Технология Raicure™ от Ateios — это процесс энергетического отверждения электродов батарей, не требующий использования ПФАС. Эта технология была первоначально разработана Национальной лабораторией Ок-Ридж. Ateios сочетает полимеры, отверждаемые под действием энергии, с порошком для батарей для производства своих электродов. В процессе смешивания связующее вещество вводится фрагментами, что способствует улучшению смешивания и дисперсии. После нанесения покрытия на лист, он проходит платформенный процесс, который преобразует фрагменты полимера в взаимосвязанную сеть, делая электрод более прочным. Использование фрагментированных связующих веществ в процессе смешивания исключает необходимость использования растворителей.
Второй подход предполагает использование безлитиевых химических составов. Среди них наиболее значимыми в области тонких микробатарей являются печатные цинк-углеродные и серебряно-цинковые. Цинк более распространен, чем литий, его добыча дешевле, и он считается экологически чистым. Цинк извлекается из доступных цинковых концентратов, обычно сульфида цинка. Затем этот сульфид окисляется с образованием оксида цинка, который выщелачивается с образованием сульфата. Сульфат очищается, и, наконец, металлический цинк извлекается электролизом. Печатные цинк-углеродные и цинк-серебряные составы ценятся за свою тонкость и гибкость и используются в приложениях IoT и логистики, особенно в интеллектуальных этикетках. Ключевыми игроками являются Zinergy и CCL Design. Их основными конкурентами являются батареи для бумажников, большинство из которых основаны на литии, хотя также используются некоторые цинковые (цинково-воздушные) химические составы. Дифференциация за счет устойчивости становится все более актуальной в этой области применения, особенно в Европе.
Еще один пример — разработка альтернативных топливных элементов традиционным батареям. Французская компания BeFC разрабатывает биоферментные топливные элементы для замены тонких батарей в микроэнергетических приложениях. Эти топливные элементы печатаются на бумаге и используют биокаталитические реакции с глюкозой для выработки энергии. Они изготовлены из органических материалов, что делает их относительно экологичными. Элементы спроектированы таким образом, чтобы их можно было легко утилизировать и использовать один раз. Топливный элемент используется так же, как и батарея, хотя для запуска процесса выработки энергии необходим катализатор. Этот катализатор может принимать две основные формы: внешние стимулы (например, биологические или экологические), такие как пот, моча, кровь и слюна, которые могут использоваться в медицине или косметике, или дождевая или речная вода для дистанционного зондирования; и искусственные стимулы, а именно запатентованный компанией блистерный резервуар, который можно разбить для активации, подобно механическому выключателю зажигания. Компания фокусируется на приложениях для Интернета вещей, кожных пластырях и «умных» метках, особенно в случаях, когда важны нетоксичность и простота утилизации.
По мере роста опасений по поводу добычи материалов и процессов производства батарей, а также надвигающегося ужесточения нормативных требований, поставщики батарей, способные предложить устойчивые альтернативы традиционным технологиям, будут пользоваться повышенным интересом, при условии сохранения их функциональности.
Автор: Даниэль Парр, технологический аналитик компании IDTechEx.
