Хранение энергии с использованием литий-ионных батарей становится одной из основополагающих задач современной энергетики. Это вызвано как объективным причинами, такими как растущий спрос на электроэнергию, развитие возобновляемых источников энергии, переход на использование электродвигателей и расширение географии потребления электричества, так и субъективными — желание более комфортной жизни или широкое внедрение новых бытовых технологий.
На данный момент альтернативы литий-ионным аккумулятором практически нет, что гарантирует постоянно растущий спрос на них. По оценке члена международного комитета премии «Глобальная энергия», директора KVI Holdings профессора Рашида Язами (Сингапур), мировое производство литий-ионных аккумуляторов может вырасти в пять раз. Если в 2020 году оно составляло 325 ГВт·ч, то к 2025 их производство достигнет 800, а к 2030 — 1650 ГВт·ч.
Аналитики Rystad Energy еще более оптимистичны. Согласно их прогнозам, общемировой спрос на аккумуляторы вырастет с 580 ГВт·ч в 2021 г. до 9 тераватт-часов ТВт·ч в 2030 г. Главным драйвером роста станет автомобильная промышленность, основные компании которой планируют к 2030-2040 годам перейти на производство электрокаров. Еще треть роста спроса придется на возобновляемую энергетику.
Рассол лазоревого цвета
Такой рост, с одной стороны подталкивает добычу лития, но с другой — поднимает проблему о неравномерности распределения его запасов в мире.
«Как ожидается, производство лития возрастет с 85 тыс. тонн в 2019 году до 145 тыс. тонн в 2030 году. При этом расчетные запасы лития в 2020 году примерно в 150 раз превышают добычу. В 2030 году их будет примерно в 100 раз больше. Таким образом, в ближайшие десятилетия дефицита лития не предвидится», — отмечает Р. Язами.
Крупнейшие месторождения лития расположены в соляном треугольнике Чили, Аргентины и Боливии. Именно здесь на данный момент добывается более половины объемов лития. Кроме того, отдельные месторождения разрабатываются в Китае и Австралии.
На сегодняшний день существуют два способа добычи лития. Первый — рудный способ предполагает извлечение этого металла из пегматитовых минералов, которые состоят из кварца, полевого шпата, слюды и других кристаллов. Ранее это был основной источник лития в мире. Второй способ — «рассольный», предполагает выпаривание лития из солончаков в специальных, искусственно созданных, бассейнах размером с футбольное поле. В зависимости от концентрации рассолы переходят от белого до лазурного цвета. После выпаривания на солнце раствор хлорида лития и хлорида магния перевозится в цистернах на перерабатывающий завод, где литий отделяется в виде мелкой белой муки, после чего прессуется в брикеты, которые отправляют заказчикам.
Увеличение спроса на литий привело к усовершенствованию этого способа. Теперь рассолы не просто выпариваются. Насыщенные литием рассолы можно «обогащать» при помощи испарителя, требующего достаточно большого объема электроэнергии. Поэтому все чаще на солончаках Боливии и Чили используют солнечные электростанции. После достижения нужной концентрации гидроксида лития, его осаждают, добавляя карбонат натрия и гидроксид кальция. Этот процесс не очень дорогой, но занимает продолжительное время — от 18 до 24 месяцев.
Кроме того, на сегодняшний день ряд ученных предлагает добывать литий из рассолов при помощи металл-органических каркасных мембран. Однако пока этот метод находится в стадии проработки.
«Производство карбоната лития из рассола обходится значительно дешевле, чем производство из твердой породы. Самые большие запасы в рассолах обнаружены в Чили, Боливии, Аргентине и Китае. При этом рассол обещает больший потенциал добычи, чем твердые породы. В производстве эквивалента карбоната лития (LCE) лидирует Австралия, извлекающая металл из сподуменовых твердых пород», — поясняет эксперт.
Рост спроса на литий стимулировал поиск этих месторождений в других странах. В частности, начинаются разработки лития в Конго и России в рассолах Чаяндинского газоконденсатного месторождения.
Потребителям нужны гигафабрики
Между тем центры производства литий-ионных аккумуляторов — основных потребителей этого серебристого металла — находятся в Китае и США.
«Китай является мировым лидером с 71 % в 2020 году, 60 % в 2025 году и 55 % в 2030 году. Ожидается, что в 2030 году на Европу будет приходиться около 25 %, а на США — около 10 % потребления», — говорит Р. Язами.
При этом производство литий-ионных аккумуляторов в среднесрочной перспективе будет расти быстрее, чем будут запускаться новые проекты по добыче лития. По оценке Rystad Energy, реализация уже заявленных проектов позволит удовлетворить спрос на аккумуляторы лишь на 60 %, даже несмотря на кратный рост инвестиций хранение энергии.
Таким образом, перед этим новым видом промышленности уже сейчас стоит острая необходимость в развитии принципиально новых и более масштабных проектов.
«Уже сейчас благодаря экспоненциальному расширению рынка литий-ионных батарей большая часть инвестиций направляется на строительство гигафабрик. Так, в Западной Европе в стадии разработки находится около 25 таких площадок. В 2030 году Европа будет производить около 500 ГВт·ч», — отметил Р. Язами.
Технологии мощности
Еще одним направлением станет увеличение мощности и энергоемкости самих батарей.
«Сейчас в зависимости от химического состава и конструкции аккумуляторов плотность энергии литий-ионных аккумуляторов колеблется от 130 до 260 Вт·ч/кг на уровне элементов и около 120-180 Вт·ч/кг в больших системах хранения. Максимальный объем хранения энергии достигает 700Вт·ч/л», — говорит эксперт.
Но, по словам Р. Язами, уже ведутся исследования и разработки твердотельных литиевых батарей с более высокими характеристиками плотности энергии. Правда, пока коммерческие твердотельные литиевые батареи не доступны. Их массовое использование может начаться не раньше, чем через 20 лет.
Кроме того, сейчас на экспериментальном уровне прорабатываются варианты использования других материалов для систем накопления энергии.
«Кремний используется в качестве усилителя накопления энергии анода, но в незначительных количествах из-за объемного расширения. Фосфор применяется в катоде в виде литий-железа-фосфата (ЛЖФ), энергетическая плотность которого ниже, чем у катодов на основе оксида литиевого переходного металла, например никель-марганец-кобальт (НМК). Однако же, ЛЖФ аккумуляторы допускают быструю зарядку, они безопаснее и служат дольше, чем НМК, — поясняет Р. Язами. — Одновременно ученые прорабатывают варианты более эффективной работы батарей путем применения цифровых технологий. Новые технологии в основном касаются систем управления батареями с элементами искусственного интеллекта. Например, технологии сверхбыстрой зарядки и технологий производства литий-ионных батарей, скорость производства которых превышает 200 частей на миллион».
Рост объемов использования литий-ионных батарей поднимает еще один немаловажный вопрос об их утилизации. Пока ученые предлагают частично перерабатывать и использовать полученные материалы для производства новых батарей.
