【Применение новых источников энергии】 Что безопаснее: литиево-фосфатные аккумуляторы или литиево-тройные аккумуляторы?

В настоящее время технологии аккумуляторов для отечественных электромобилей в основном делятся на два типа: один — это тройные литиевые аккумуляторы, а другой — литиево-фосфатные аккумуляторы. Температура термического выхода из-под контроля у литиево-фосфатного железа выше, чем у тройных систем, что обеспечивает преимущество в плане безопасности катодного материала. Что касается батарейных блоков, используемых в транспортных средствах, то тройные литиевые батареи имеют на 15% меньший объем по сравнению с литиево-фосфатными батареями, а их вес на 20% меньше. Благодаря этому в транспортных средствах, оснащенных тройными литиевыми батареями, есть больше возможностей для эффективного использования пространства. В глобальном масштабе на долю никель-кобальт-марганцевых аккумуляторов в настоящее время приходится более 80% мирового рынка литий-ионных аккумуляторов. Согласно данным мировой консалтинговой компании по управлению AT Kearney, на долю материалов для обеих электродов вторичных литиево-ионных аккумуляторов приходится 93% всего рынка; в сегменте аккумуляторов для электромобилей, где требуются высокая мощность и безопасность, их доля превышает 81%. На китайском рынке производители аккумуляторов для электромобилей начали развиваться в сфере литий-железофосфатных аккумуляторов раньше, поэтому их доля на рынке в целом выше. К тому же, в отличие от зарубежных рынков, там гораздо меньше новых автобусов на возобновляемой энергии, а личных автомобилей — больше. Согласно открытым данным, в 2015 году объем поставок аккумуляторов для электромобилей достиг 15,7 ГВт·ч. При этом литий-железофосфатные аккумуляторы по-прежнему занимали доминирующее положение, обеспечив себе почти 69% рынка ； Доля аккумуляторов на тройных материалах составляет 27%. Что касается легковых автомобилей, то в качестве материала для аккумуляторов в основном используется триэлементный материал; объем поставок аккумуляторов составил 1,93 ГВт·ч ； В сфере пассажирских автобусов в основном используются аккумуляторы на основе фосфат-железных ионов; они составляют 84% от общего количества аккумуляторов в полностью электрических автобусах. Аккумуляторы на основе тройных материалов составляют лишь 12,9%. Однако по мере повышения требований к автомобилям на новых источниках энергии в отношении дальности пробега и других характеристик, многие производители аккумуляторов ускоряют разработку трилитиевых литиевых аккумуляторов, при этом их применение на рынке продолжает расширяться.

Го Шэнчан, директор Исследовательского института AVIC Lithium Battery. Временная приостановка политики включения никель-кобальтово-марганцевых аккумуляторов в перечень допустимых для коммерческого транспорта, с краткосрочной точки зрения, окажет значительное влияние на предприятия, работающие с никель-кобальтово-марганцевыми материалами. В долгосрочной перспективе ключевым фактором остается развитие технологий материалов на основе лития-железа и триэлементных материалов; поскольку эти материалы могут преодолеть свои недостатки, их перспективы развития также выглядят многообещающими. 　　В то же время Го Шэнчан отметил, что в настоящее время инвестиции и внимание в отрасли литиевых батарей сосредоточены на сырьевой базе и производстве батарей. Однако для достижения устойчивого циклического развития необходимо уделять внимание поэтапному использованию и переработке материалов, чтобы максимально раскрыть их потенциал. 　　Что касается цикла использования литиевых аккумуляторов, то в настоящее время развивается процесс переработки тройных систем. Процесс переработки никеля и кобальта становится все более совершенным на этапе развития отрасли; в частности, уже существуют производители, которые активно занимаются производством аккумуляторов для электромобилей. Но у литиево-железных аккумуляторов ещё не сформировался полноценный промышленный цикл. 　　Го Шэнчан считает, что для создания настоящей системы циклического использования литиево-фосфатных аккумуляторов необходимо решить четыре ключевых проблемы. Первое — это демонтаж модуля: в какой автоматизированной форме или с минимальными затратами осуществлять демонтаж ； Вторая часть — сортировка и оценка аккумуляторов, поскольку затраты на их сортировку в настоящее время довольно высоки; как же осуществлять сортировку с минимальными затратами и при сохранении безопасности ； Третий аспект — поэтапное использование: как обеспечить более длительный срок службы старых аккумуляторов, чтобы тем самым снизить затраты всей отрасли ； Наконец, это рециклинг: когда предмет уже невозможно использовать, его ценность перерабатывается.

За кулисами приостановки использования тройных литиевых аккумуляторов. 24 января 2016 года директор Департамента оборудовательной промышленности Министерства промышленности Чжан Сянму на форуме «Развитие и прорывы в области аккумуляторов для электромобилей», организованном Китайской ассоциацией электромобилей, заявил, что будет проведена оценка рисков, связанных с использованием тройных литиевых аккумуляторов. До завершения этой оценки автобусы, оснащенные такими аккумуляторами, не будут включаться в список рекомендуемых моделей для использования в качестве транспортных средств нового поколения. Министерство промышленности и информатизации считает, что литиевые аккумуляторы тройного состава обладают высокой энергоемкостью и хорошими показателями циклической работы, поэтому они представляют собой важном направлении развития литиевых аккумуляторов в будущем. Однако в нашей стране работа в этой области началась поздно, а процедуры проверки безопасности таких аккумуляторов для использования в автобусах ещё недостаточно разработаны. Министерство рассматривает возможность повышения технических стандартов безопасности для новых энергетических автомобилей, а также проведения оценки рисков, связанных с использованием литиевых аккумуляторов тройного состава в автобусах, в рамках действующей системы стандартов безопасности. Ранее заместитель генерального секретаря Китайской ассоциации автомобильной промышленности Сюй Яньхуа заявила, что поскольку производство литиевых аккумуляторов типа NCM в Китае только начинается, безопасность таких аккумуляторов для использования в электробусах еще недостаточно изучена и проверена, а соответствующие стандарты тестирования не разработаны. В связи с этим она предложила Министерству промышленности и информатизации приостановить прием заявок на включение электробусов, оснащенных литиевыми аккумуляторами типа NCM, в перечень транспортных средств, освобожденных от уплаты налога на покупку.

Ещё 6 августа 2015 года Министерство промышленности и информатизации издало «Уведомление о проведении проверок и устранении рисков, связанных с использованием энергоэффективных и новых транспортных средств». Это распоряжение было принято на фоне множества случаев самовозгорания полностью электрических и гибридных автобусов в отдельных регионах. Согласно предварительному расследованию соответствующих организаций, у автомобиля, попавшего в аварию, имелись недостатки в проектировании и при ежедневном использовании, а также скрытые факторы риска. Для извлечения уроков и предотвращения повторения подобных инцидентов Министерство промышленности и технологий издало распоряжение о том, чтобы производители энергоэффективных и новых электромобилей проводили проверку на наличие потенциальных опасностей и принимали меры по их устранению. На этапах проектирования продукции, производства, эксплуатации, а также утилизации и вывода из употребления предприятия должны строго соблюдать требования безопасности, чтобы обеспечить безопасную эксплуатацию энергосберегающих и новых энергетических автомобилей. Согласно статистике, в последние годы в нашей стране действительно произошло множество инцидентов с возгоранием электрических автобусов. Согласно имеющимся данным, с 2011 года по настоящее время в стране произошло как минимум 22 пожара, связанных с автомобилями на новых источниках энергии. Среди них множество инцидентов с возгоранием электрических автобусов произошло в 2015 году; одной из причин было большое количество аккумуляторов в таких автобусах, что увеличивало вероятность возникновения аварий.

Сравнение литиевых батарей тройного состава и литиево-фосфатных батарей. Литиевые ионные батареи включают в себя такие типы, как литиево-фосфатные батареи, батареи с тройным составом, то есть литиево-никелево-кобальтово-марганцевые батареи, литиевые карбонатные батареи, литиево-никелевые батареи и другие. В настоящее время в автомобилях наиболее часто используются литиевые батареи тройного состава и литиево-фосфатные батареи. У литиево-тройных и литиево-фосфатных аккумуляторов есть разные характеристики; основные противоречия связаны с «плотностью энергии» и «безопасностью». Литиево-железо-фосфатные аккумуляторы обладают более высокой энергетической плотностью, меньшими размерами и меньшей массой, однако их безопасность часто ставится под сомнение. Литиево-фосфатные аккумуляторы имеют низкую плотность энергии, но считается, что они более безопасны. Оба этих материала начинают разлагаться при достижении определенной температуры: материал на основе тройного лития разлагается примерно при 200 градусах. Кроме того, химическая реакция литиевого материала типа NCM протекает более интенсивно: выделяются молекулы кислорода, а под воздействием высокой температуры электролит быстро воспламеняется, вызывая цепную реакцию. Литий-фосфат железа разлагается при температуре 700–800 градусов; он не выделяет молекулы кислорода, как материалы на основе тройного лития, поэтому процесс горения происходит менее интенсивно. Проще говоря, материал на основе тройного лития легче воспламеняется, чем материал на основе фосфата железа и лития.

С учетом тенденций развития, отечественные производители легковых автомобилей все чаще переходят на использование тройных литиевых аккумуляторов. В настоящее время электромобили, производимые такими компаниями, как BAIC, BYD и Jianghuai, оснащаются именно такими аккумуляторами. Соответствующие поставщики также ускоряют производство литий-ионных аккумуляторов на основе никеля-кобальта-марганца; например, на второй фабрике EVE Energy в планах — в основном производить именно такие аккумуляторы. Литиево-фосфатные аккумуляторы все чаще используются на рынке электробусов. Согласно данным за ноябрь прошлого года, доля электробусов, оснащенных литиево-фосфатными аккумуляторами, составила 64,9%, тогда как доля литиево-тройных аккумуляторов — всего 27,6%. Напротив, на рынке легковых электромобилей доля литиевых аккумуляторов тройного состава в ноябре прошлого года превысила 76%.

Практический обзор: что такое триэлементные материалы и почему они вызывают проблемы с безопасностью? 26 февраля 2016 г. Сайт «Ди-Илектро». Споры вокруг технологических направлений развития аккумуляторов ведутся уже давно; временная приостановка использования литий-никель-кобальт-марганцевых аккумуляторов в электробусах вызвала широкие дискуссии в отрасли. 26 февраля на платформе First Electric Network в Пекине состоялся семинар под названием «Дискуссия о безопасности аккумуляторов на основе триэлементных материалов». В мероприятии приняли участие ведущие специалисты из области аккумуляторов, автомобилестроения и научных исследований, которые обсудили развитие технологий аккумуляторов и ситуацию на рынке. Среди участников дискуссий в салоне были: генеральный секретарь Китайской ассоциации промышленности химических и физических источников питания Лю Яньлун, основатель компании Bertan Technology Ние Лян, старший директор компании Beijing Boston Battery Technology Co., Ltd. Ма Цзюньфэн, главный консультант компании Beijing Zos Information Consulting Co., Ltd. Тонг Зицянь, исследователь из Института функциональных материалов и технологий новых источников энергии при Санкт-Петербургском государственном техническом университете в России Ван Циншэн, директор по продажам компании Far East Foster New Energy Co., Ltd. Тань Хаохай, а также заместитель старшего инженера исследовательского центра по производству аккумуляторов компании Bike Battery Сун Хуаджие. Генеральный директор First Electric Network Цюй Кайцзюнь выступил в качестве ведущего салона. Что такое аккумуляторы из триэлементных материалов? Каково нынешнее состояние использования? Почему это вызывает беспокойство по поводу безопасности? В ходе обсуждения в первой половине сессии гости высказывали свои мнения, но все отвергли вывод о необходимости отдельного изучения безопасности трехкомпонентных материалов. В целом происходит переход автомобилей с использования топлива на электроэнергию, и этот процесс идет очень быстро. Все электромобили сталкиваются с необходимостью обеспечения безопасности аккумуляторов.

Ван Циншэн: Понятие «небезопасность материалов типа триэлементных» является ошибочным. У материалов типа триэлементных, как и у других катодных материалов, таких как литий-фосфат железа, есть свои преимущества и недостатки, но речи не идет о том, что одни из них безопасны, а другие — нет. Говорить об безопасности только с точки зрения материалов — это слишком упрощенный подход. У материалов типа NCM, а также у других катодных материалов, таких как фосфат железа-лигния, есть свои преимущества и недостатки. Говорить об безопасности только с точки зрения материалов — это слишком упрощенный подход; ведь при различных условиях окружающей среды, структуры, объема и технологии производства материалы проявляют себя по-разному. Это сложная системная инженерная задача. Нам нужно использовать преимущества материалов для батарей и скрывать их недостатки. Безопасность материала нельзя определить по его физическим показателям; самое важное — правильно контролировать и использовать его в процессе применения. Температура окислительно-восстановительной реакции самого триэлементного материала отличается от температуры такой реакции у литий-фосфатного железа, но это не означает, что более высокая температура окислительно-восстановительной реакции у литий-фосфатного железа делает его более безопасным. Оценка безопасности аккумуляторов осуществляется с учетом факторов, связанных с тепловыми процессами. Если аккумулятор спроектирован таким образом, чтобы он генерировал минимум тепла, при этом имел хорошую систему охлаждения, то он будет безопасным, независимо от его размера и используемых материалов. Концептуальные ошибки привели к тому, что все стали считать трехкомпонентные материалы небезопасными; у литий-железофосфатных материалов также существуют потенциальные риски. Поэтому изучение безопасности материалов подразумевает анализ их физико-химических показателей, подбираемых сопутствующих материалов, а также механизмов выделения и рассеивания тепла. Вопрос же о том, безопасен материал или нет, вообще не имеет смысла.

Лю Яньлун: Литиево-тройной элемент является направлением развития в будущем. Развитие аккумуляторов тесно связано с подходом, выбранным нашей страной на ранних этапах их развития. В период пятой пятилетки оказывалась большая поддержка технологиям, основанным на литиевом фосфате железа. С 2013 по 2015 год темпы индустриализации аккумуляторов ускорились. Исходя из направления политики, можно предположить, что в будущем будет оказываться больше поддержки литиево-тройным элементам, поэтому многие компании сделали их направлением своего развития. В сентябре 2015 года была проведена первоначальная оценка производственных мощностей отечественных предприятий, производящих аккумуляторы. К сентябрю более 30 компаний имели производственные мощности в размере свыше 30 миллиардов ватт-часов. За исключением небольшого числа компаний, использующих триэлементные материалы, более 250 миллиардов ватт-часов производилось с использованием литий-фосфатного материала. Эта цифра включает также мощности, которые планируется расширить в будущем. Судя по использованию аккумуляторов для энергии с 2015 года, их объем превысил 20 миллиардов. Более 70% из них составляют аккумуляторы на основе лития-фосфата; особенно большую долю занимают такие аккумуляторы в автобусах. В случае легковых автомобилей предпочтение отдается аккумуляторам на основе тройных соединений. Однако политика субсидирования автобусов на новых источниках энергии в период 2016–2020 годов предусматривала требования к Ekg, что побудило производителей автобусов перейти на использование трилитиевых материалов. В целом, литиевые аккумуляторы тройного состава являются направлением развития в будущем. Что касается самих материалов, то при потере контроля над процессом нагрева у триэлементных материалов и материалов на основе литиевой фосфатной соли различается температура теплового разложения: у триэлементных материалов она ниже, а у материалов на основе литиевой фосфатной соли — выше. Кроме того, в ходе испытаний выяснилось, что при воздействии давления на трехкомпонентные материалы в течение короткого времени происходят более серьезные последствия: например, они быстро воспламеняются и взрываются. Что касается литий-железофосфатных материалов, то у них, скорее всего, происходит лишь дымообразование. В плане контроля производственного процесса необходимо прерывать его как можно раньше, до достижения температуры термического разложения; таким образом можно принять меры для предотвращения аварий. У самого материала есть определенные особенности, из-за которых в процессе последующей обработки и использования необходимо применять различные защитные меры, чтобы сделать батареи на тройных материалах более безопасными.

Ма Цзюньфэн: В кузове автомобиля не учтена схема термоуправления. Boston Battery выбрала технологию тройного лития потому, что электромобили развиваются в направлении снижения массы, а показатель Ekg уже определил необходимость использования технологий с высокой энергетической плотностью. На данный момент трибордные материалы являются материалами, которые можно производить в крупных объемах; они обладают высокой энергетической плотностью, а их характеристики при низких температурах также находятся на приемлемом уровне. В настоящее время энергетическая плотность литиево-трибордных аккумуляторов после сборки может достигать примерно 125 Вт·ч/кг. Связь между безопасностью и материалами для аккумуляторов не так уж велика; гораздо важнее сценарий применения. Количество автомобилей на новых источниках энергии растет стремительно, и вероятность возникновения аварий увеличивается. Поэтому необходимо серьезно задуматься о проблеме безопасности аккумуляторов. С каких сторон можно обеспечить более успешное развитие нашей отрасли в настоящее время? Как гарантировать, чтобы в автомобилях не происходили серьезные аварии? Или, даже если произойдут пожар или взрыв, как ограничить риски и обеспечить безопасную эвакуацию пассажиров из легковых автомобилей? Оглядываясь на развитие внутреннего рынка за последние два года, можно отметить, что новый электромобиль выходит на рынок примерно через пять-шесть месяцев. Большинство таких автомобилей являются модифицированными версиями существующих моделей; по крайней мере, у более чем половины из них не предусмотрена система терморегулирования. Это является слабым местом, ограничивающим возможности использования аккумуляторов. Текущая рыночная стратегия Boston Battery заключается в сотрудничестве с теми моделями автомобилей, которые предъявляют относительно невысокие требования к аккумуляторам. Поскольку сам автомобиль не может обеспечить оптимальных условий для работы аккумулятора, его используют в состоянии с относительно низкой степенью активности, чтобы снизить риски для безопасности. Эта проблема безопасности рассматривается в первую очередь с точки зрения всего автомобиля и его парковки; учет материалов здесь играет несколько второстепенную роль.