Однако, постоянно ведется работа по улучшению характеристик и снижению стоимости батарей, и хотя прогресс может быть все более постепенным, существует несколько путей для непрерывного совершенствования технологии литий-ионных батарей.
Аккумуляторы:
В краткосрочной перспективе текущие тенденции в области аккумуляторных элементов для электромобилей, вероятно, сохранятся. Например, среднее содержание никеля в химических составах NMC и NCA продолжает расти для повышения плотности энергии и снижения содержания кобальта. Пожалуй, наиболее значимая тенденция — это общий переход к литий-железо-фосфатным (LFP) аккумуляторам, более дешевому и безопасному варианту, чем NMC и NCA (хотя и не обязательно безопасному). Хотя плотность энергии LFP может быть на 30-40% ниже, чем у NMC или NCA, его более низкая стоимость стала неизбежной в последние годы. Следовательно, доля LFP в электромобилях выросла, хотя следует отметить, что большая часть этого роста обусловлена повторным внедрением в Китае. NMC и NCA остаются предпочтительным выбором в Европе и Северной Америке, хотя LFP также начал выходить на рынок. Химические составы NMC также остаются предпочтительным выбором для готовых решений в других сегментах транспортных средств. Однако давление со стороны затрат и предложения материалов, наряду с технологическими усовершенствованиями, предполагает, что доля LFP на рынке электромобилей увеличится.
Впереди еще более значительные прорывы. Продолжается разработка твердотельных батарей, и они уже коммерциализируются, например, полимерные твердотельные батареи от Blue Solutions. Ожидается, что использование кремниевых анодных материалов возрастет с разработкой более совершенных решений на основе кремния и коммерчески готовых продуктов, которые обещают улучшение плотности энергии и быструю зарядку. Также изучаются новые химические составы катодов. Например, литий-марганцево-железофосфат (LMFP) предлагает интересную альтернативу, способную обеспечить многие преимущества LFP, одновременно увеличивая плотность энергии до уровня, близкого к NMC-батареям, хотя его коммерческое внедрение пока ограничено.
Глобальная рыночная доля катодов в аккумуляторных электромобилях. Источник: IDTechEx.
Конструкция батарей:
В свете растущего использования литий-железо-фосфатных (LFP) батарей в электромобилях, конструкция батарей, объединяющих ячейки, приобретает все большее значение. Такие конструкции обеспечивают более высокую эффективность компоновки, увеличивая плотность энергии и помогая снизить один из главных недостатков использования LFP-батарей по сравнению с батареями на основе NMC или NCA. CATL и BYD, а также Tesla, Stellantis и другие производители внедрили конструкции CTP. Для повышения гравиметрической плотности энергии в качестве альтернативы стальным и алюминиевым корпусам продвигаются легкие полимерные корпуса.
Другие компании, такие как CATL, NIO и Our Next Energy, изучают конструкции с двойной химической формулой. Our Next Energy представляет собой наиболее экстремальный пример, планируя объединить химическую формулу с высокой плотностью энергии, но коротким циклом заряда-разряда, в качестве литий-железо-фосфатного аккумулятора с увеличенным сроком службы. В конечном итоге, комбинации различных химических составов литий-ионных аккумуляторов или даже сочетание литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов могут помочь оптимизировать неизбежные компромиссы между мощностью, плотностью энергии, сроком службы и производительностью при низких температурах.
Управление тепловым режимом:
Управление тепловым режимом и противопожарная защита стали критически важными аспектами для аккумуляторов электромобилей в свете проблем безопасности, крупных пожаров и отзывов батарей. В то время как ранние модели электромобилей использовали пассивное воздушное охлаждение, в последние годы в ряде сегментов автомобилей все большее значение приобретает жидкостное охлаждение. По данным IDTechEx, на конструкции с активным жидкостным охлаждением приходилось 90% рынка электромобилей, по сравнению с чуть более 50% в 2015 году. Эта тенденция не ограничивается электромобилями. Большинство готовых батарей для коммерческого сегмента также предлагаются с жидкостным охлаждением. По мере развития технологий элементов питания, разработки в таких областях, как управление тепловым режимом, становятся все более важными не только для обеспечения безопасной эксплуатации, но и для максимизации доступной производительности литий-ионных батарей.
Системы управления батареями:
Система управления батареями (BMS) играет фундаментальную роль в безопасной и надежной работе любой литий-ионной батареи. Хотя основная функция BMS достаточно четко определена, она также предлагает способ повышения производительности литий-ионных батарей. Безопасность, срок службы, быстрая зарядка и даже плотность энергии могут быть улучшены за счет разработки BMS, и, что важно, с минимальными компромиссами.
Разработка и применение более точных методов оценки состояния батареи и элементов (например, уровня заряда, состояния работоспособности или уровня мощности) имеют решающее значение для повышения производительности, поскольку позволяют безопасно извлекать максимальную отдачу от батареи. Помимо усовершенствований программного обеспечения и алгоритмов BMS, на рынок выходят и беспроводные решения BMS. Внедрение беспроводных решений позволяет значительно сократить количество кабелей, что способствует снижению веса и исключению потенциальных сбоев. Хотя внедрение происходит относительно медленно (с момента первого анонса беспроводной BMS компанией GM в 2020 году), производители полупроводниковых BMS уже предлагают решения для беспроводных систем.
В новом отчете IDTechEx «Литий-ионные батареи и системы управления батареями для электромобилей 2024-2034» представлен анализ ключевых инноваций, достижений и тенденций в области литий-ионных батарей и систем управления батареями (BMS) для электромобилей, включая анализ данных о производительности. В отчете содержится обзор основных факторов, проблем и вариантов аккумуляторных технологий для различных сегментов электромобилей.
Автор: д-р Алекс Холланд, главный аналитик IDTechEx
