Світові ринки акумуляторів
Глобальний попит на батареї
За оцінками дослідницької компанії The Freedonia Group з Клівленда, світовий попит на первинні та вторинні батареї зростатиме приблизно на 8,1% щороку й до 2024 року сягне обсягу близько 156 млрд доларів США. Справжній двигун цього зростання — саме вторинні, тобто перезаряджувані акумулятори: за даними Frost & Sullivan, вони вже зараз забезпечують 76,4% глобального ринку, і прогнозується, що до 2015 року їхня частка зросте до 82,6%. Основний імпульс дають мобільні телефони та планшети, тоді як ранні прогнози щодо вибухового попиту на електромобілі виявилися надто оптимістичними й згодом були скориговані вниз.
У 2009 році частка первинних (неперезарядних) елементів становила 23,6% світового ринку, і Frost & Sullivan очікували падіння цього сегмента приблизно на 7,4% до 2015 року. Такі одноразові батареї як і раніше залишаються потрібними там, де важлива простота й тривале зберігання: у наручних годинниках, електронних ключах, пультах дистанційного керування, дитячих іграшках, ліхтариках, аварійних маячках та певних бойових військових системах.
Основні типи батарей і їхня частка
Хімічний склад — головний критерій класифікації батарей, а домінують системи на основі літію, свинцю та нікелю. За даними Frost & Sullivan (2009), на рисунку 1 зазвичай показують приблизну структуру доходів за типами хімії, яку можна описати так:
37% — літій‑іонні батареї
20% — стартерні свинцево‑кислотні (SLI)
15% — лужні, первинні
8% — стаціонарні свинцево‑кислотні (резервні системи)
6% — цинк‑вугільні, первинні
5% — свинцево‑кислотні глибокого циклу
3% — нікель‑металгідридні (NiMH)
3% — літієві первинні (неперезарядні)
2% — нікель‑кадмієві (NiCd)
1% — інші системи
Рисунок 1: Частка різних типів акумуляторних батарей у загальному обсязі доходів.
З часткою близько 37% за доходом літій‑іонні батареї стали фактично стандартом для портативної електроніки та електричних силових установок, і наразі не існує зрілих технологій, які б серйозно загрожували їхньому домінуванню. Свинцево‑кислотні акумулятори залишаються перевіреним, недорогим і масовим джерелом енергії: попри поступовий «відтиск» з боку літію, їхній сумарний попит усе ще зростає. Традиційно виділяють три ключові напрями застосування свинцево‑кислотних систем: автомобільні стартерні батареї SLI (близько 20%), стаціонарні резервні системи (8%) та глибокого циклу (5%) для привідних застосувань — гольф‑кари, інвалідні візки, ножичні підйомники й інша транспортна техніка.
Лужні елементи завдяки вищій питомій енергії та довшому строку зберігання практично витіснили класичні вуглецево‑цинкові батареї, традицію яких започаткував Жорж Лекланше ще у 1868 році. Нікель‑металгідридні (NiMH) акумулятори тривалий час виконували роль «заміни» нікель‑кадмієвим (NiCd) у багатьох портативних застосуваннях, але з ринковою часткою близько 3%, що продовжує скорочуватися, вони дедалі більше перетворюються на нішевого гравця.
Нові напрями застосування: транспорт і енергосистеми
Справжнім «новим фронтом» стала електрифікація особистого транспорту: електромобілі та інші електричні силові агрегати. Швидкість, з якою автомобільна галузь перейде на такі системи приводу, визначається трьома ключовими чинниками: вартістю батарей, їхнім терміном служби та екологічними аспектами виробництва й утилізації. Нафтопродукти досі залишаються дешевим, зручним і повсюдно доступним паливом, тому альтернативні рішення, особливо в Північній Америці, стикаються з потужним інерційним опором. Державні стимули можуть прискорити перехід, але водночас вони спотворюють реальну ціну енергії, маскують системні проблеми вуглеводневого паливного циклу й часто дають лише короткострокові вигоди окремим лобістським групам.
Ще один перспективний кластер застосувань — електровелосипеди й системи накопичення енергії з відновлюваних джерел (Battery Energy Storage Systems). Домогосподарства, бізнес і країни, що розвиваються, використовують акумуляторні блоки для накопичення надлишкової енергії, коли вироблення (сонце, вітер) високе, і віддачі її назад у мережу або локальне споживання, коли генерація падає чи попит зростає. Великі мережеві системи зберігання згладжують пікові навантаження й компенсують провали генерації, що робить інфраструктуру більш стійкою.
Як розвиваються акумуляторні технології
Еволюція акумуляторів у ХХ–ХХІ ст. іде передусім у двох напрямках:
- підвищення питомої енергії (Вт·год/кг) для збільшення часу автономної роботи
- нарощення питомої потужності (Вт/кг) для кращої віддачі струму на пікових навантаженнях.
Ці дві характеристики не завжди ростуть разом: часто доводиться жертвувати частиною одного параметра заради іншого, що добре видно на умовному графіку «питома енергія — питома потужність» (рисунок 2). Питома енергія відображає, скільки енергії батарея вміщує на одиницю маси, а питома потужність показує, наскільки інтенсивно вона здатна цю енергію віддавати в одиницю часу.
Рисунок 2: Питома енергія та питома потужність акумуляторних батарей.
Питома енергія — це ємність батареї, виражена у ват-годинах на кілограм (Вт*г/кг); питома потужність — це здатність батареї видавати потужність, виражена у ватах на кілограм (Вт/кг).
Однією з найпривабливіших із теоретичної точки зору систем є вторинний літій‑металевий (Li‑metal) акумулятор, який поєднує дуже високу питому енергію з високою питомою потужністю. У 1980‑х роках компанія Moli Energy першою вивела на ринок такі батареї, але нестабільність металевого літію на аноді, зокрема утворення дендритів — тонких металевих «ниток», що проростають крізь електроліт, — призвела до серії загорянь і масового відкликання продукції у 1991 році. Подальші спроби інших виробників подолати проблему безпечним чином також завершилися припиненням розробок, і галузь тимчасово відмовилася від цієї хімії.
Однак унікальні характеристики Li‑metal знову привертають увагу дослідників і промисловості. Сучасні підходи до приборкання дендритів включають легування металевого літію оловом і кремнієм, а також вдосконалення сепараторів — зокрема використання графенових матеріалів. Графен — це надтонкий (в один атом завтовшки) шар чистого вуглецю з шестикутною решіткою, схожою на бджолині стільники, який додають до сепаратора як термостабілізуючий шар і бар’єр для дендритів. Випробовуються й багатошарові сепаратори, які механічно блокують проростання літієвих «ниток».
Нові експериментальні зразки літій‑металевих батарей уже демонструють рівні питомої енергії близько 300 Вт·год/кг, причому теоретичний потенціал технології оцінюється значно вище. Це робить Li‑metal одним із найцікавіших напрямків для майбутніх поколінь електромобілів і високощільних систем зберігання енергії.
Посилання
[1]: Global Batteries - Demand and Sales Forecasts, Market Share, Market Size, Market Leaders. September 2020. https://www.freedoniagroup.com/World-Batteries.html
