Версия для печати

Батареи просят металл

Электромобили в России и литиевая лихорадка в мире
Домницкий Николай
Фото: 5koleso.ru

На фоне специальной военной операции армии РФ на Украине Россия попала под многочисленные санкции преимущественно стран Запада, которые обнажили значительную зависимость страны от импорта в области высоких технологий ряда отраслей промышленности.

Среди них запреты на поставки в Россию новых технологий, элементной базы и комплектующих, что требует замещения импорта, в том числе и в производственном цикле электромобилей. Ведь электромобили становятся все более востребованными и будут не только определять прогресс мобильного транспорта, но и иметь значение для оборонпрома. В мире работают над созданием новых моделей перспективной техники, ведут разработки и водородных топливных элементов. При этом электрификация касается не только легкового транспорта, но и автобусов, грузовых машин и оборонной спецтехники. Уже сегодня в крупных городах работает общественный электротранспорт.

Однако не все так просто, нетрадиционная энергетика требует больших аккумуляторных мощностей, ветряных генераторов, солнечных батарей. И сегодня литий как элемент для аккумуляторов является незаменимым сырьевым ресурсом для электротранспорта и систем хранения энергии. Как отмечал главный геолог Красноярского химико-металлургического завода Николай Ворогушин, «литиевые аккумуляторы – продукт перспективный: это не только электробусы, но и вся ветровая, солнечная, волновая энергетика. Любая нетрадиционная энергетика требует больших аккумуляторных мощностей». Как в России решаются эти проблемы электромобильного транспорта?

Самый легкий металл на планете

Литий – серебристо-белый, пластичный, мягче свинца, самый легкий металл на планете, что повышает также его значимость и для машиностроения. В чистом виде не встречается, но является основным компонентом гранита, содержится в морской воде, солевых отложениях, глинах. Он занимает 27-е место по массе элементов в земной коре – 0,0032 процента. Литиевые батарейки уже в конце XX века прочно укрепились в часах, калькуляторах, материнских платах ПК, пультах ДУ. Замена цинка на литий привела к тому, что напряжение возросло с полутора до трех вольт, а энергоемкость увеличилась в несколько раз. В начале XXI века спрос на металл резко вырос – в первую очередь для аккумуляторов из-за развития гаджетов и электротранспорта. По прогнозам Bloomberg, к 2030 году потребность в литиевых батареях увеличится в девять раз. Сегодня в технике применяется несколько типов литиевых аккумуляторов:

Литий-кобальтовые (NCR), рабочий диапазон напряжений – 3–4,2 В. Самая высокая удельная энергоемкость – до 250 Втч/кг, быстро стареют (средний срок жизни – три – пять лет, в циклах «заряд-разряд» – не более 500). Нежелательна зарядка большим током. Крайне токсичны при воспламенении.

Сегодня РФ зависит от иностранных поставщиков лития и скачков цен на рынке настолько, что требуется создание собственного производства полного цикла

Литий-марганцевые (IMR или INR), рабочий диапазон напряжений – от 2,5 до 4,2 В. Удельная энергоемкость – 140–150 Втч/кг. Ресурс – порядка пяти-шести лет, выдерживает до 1000 циклов «заряд-разряд».

Железофосфатные аккумуляторы (LiFePO4, LiFe, LFP, IFR), рабочий диапазон напряжений – от 2 до 3,65 В, номинальное напряжение – 3,2 В. Удельная энергоемкость – примерно 150 Втч/кг. Ресурс – 10–20 лет, примерно 1500–3000 циклов «заряд-разряд», применяется для электромобилей, марсоходов, велосипедов и подобных устройств.

Литий-титанатные аккумуляторы, наивысшая долговечность и широкий температурный интервал работы. Диапазон напряжений – от 1,6 до 2,7 В, номинальное напряжение – 2,3 В. Удельная энергоемкость – примерно 100 Втч/кг. Ресурс – более 15 000 циклов «заряд-разряд». Температурный диапазон – от минус 30 до плюс 60 градусов. Имеет очень низкое сопротивление, позволяющее использовать сверхбыстрый заряд, и низкий саморазряд – примерно 0,02 процента в сутки. Применяется на электромобилях.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) – тип аккумулятора, широко применяющийся в гаджетах, бытовой электронной технике, ноутбуках, как источник энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах. Рабочий диапазон напряжений единичного элемента – 2,5 – 4,2 В, удельная энергоемкость – 110–270 Втч/кг. Ресурс – 600 циклов «заряд-разряд». Время быстрого заряда – один час, саморазряд – примерно 1,6 процента в месяц.

В целом эффективная емкость литий-ионных батарей в два-три раза выше, чем у свинцово-кислотных, а величина удельной запасаемой энергии – в два – пять раз больше. Они выпускаются емкостью от 90 до 6000 мАч.

Современный вариант такого аккумулятора с анодом из графита и катодом из кобальта лития изобрел в 1991 году Акира Йошино. Конструкция литий-ионных аккумуляторов: электрод – катод, анод и электролит. Катод в основном из никеля (73%), кобальта (14%), лития (11%) и алюминия (2%). Анод обычно полностью графитовый. Электролит – соли лития (наиболее распространенным является гексафторфосфат лития, LiPF6) в органическом растворителе. Переносчиком заряда в аккумуляторе является положительно заряженный ион лития.

Мировая добыча лития

Бурное развитие в мире электромобилей только в 2020 году потребовало израсходовать 85 тысяч тонн лития. Месторождения известны в Чили, Боливии, США, Аргентине, Конго, КНР, Бразилии, Сербии, Австралии, Афганистане. Боливия обладает богатейшими запасами драгоценного металла. Среди лидеров добычи – Боливия, Аргентина, Чили, Австралия, Китай.

Кроме того, КНР – лидер в производстве лития – около 51 процента, доля США составляет всего два процента.

По данным на 2019 год геологической службы Штатов, подтвержденные мировые запасы лития составляли 17 миллионов тонн. Но большинство известных месторождений богатого литием рассола находятся в засушливых высокогорьях на границе Боливии, Чили и Аргентины, где расположено самое сухое место на планете – пустыня Атакама.

Для выработки аккумуляторов требуется литий высокой степени чистоты. Чтобы добыть тонну металла, нужно израсходовать около двух миллионов литров воды.

Растущий рынок будоражит и зовет

В 2019 году мировое потребление лития в 57 700 тонн – это на 18 процентов больше, чем годом ранее. Аналитики компании Global Data прогнозируют, что к 2024 году спрос на редкий металл увеличится в два с половиной раза – до 117 тысяч тонн.

Среди производителей редкого металла главенствуют на мировой арене компании Talison Lithium Ltd (Австралия), SQM (Чили), Jiangxi Ganfeng Tianqi (Китай), FMC (Аргентина).

На фоне бума электротранспорта нашлось множество концернов-гигантов, планирующих найти свое место на новой поляне бизнеса. Австралийская European Metals Holdings совместно с чешским партнером CEZ решила осваивать крупнейшее в Европе литиевое месторождение Cinovec в северо-западной части Чехии. Ставка более чем оправданна: по прогнозу МЭА, к 2040 году востребованность лития на рынке вырастет в 40 раз. Экстренная необходимость в развитии литиевой промышленности вылилась в так называемую скоростную добычу. Крупнейшие добывающие компании развернули масштабный поиск новых месторождений, а также разработку технологий извлечения металла. Сегодня производители лития покрывают места добычи бассейнами и вышками, качающими из земной толщи миллиарды литров воды в год. Когда в 2015 году китайское правительство в пятилетнем плане сделало ставку на электромобили, а вскоре Илон Маск заявил, что рассчитывает продавать до полумиллиона машин Tesla в год, в мире началась литиевая лихорадка. За следующие три года цены на металл выросли пятикратно. По прогнозам, уже к 2027 году объемы добычи увеличатся в восемь раз.

Есть ли для России шансы вклиниться в неизведанный рынок лития?

Запас карман не трет, но и не греет

Как вспоминает Николай Ворогушин, «почти все российские запасы лития были подсчитаны и поставлены на баланс в конце 50-х годов XX века. До последнего времени они не были никому интересны, потому что необходимость в литии была небольшая. Один рудник перекрывал все потребности». Далее он отметил, что в России запасы лития есть, но его никто не добывает. Более 50 процентов запасов лития сосредоточено в редкометалльных рудных месторождениях на Кольском полуострове, в Республике Тыва и Иркутской области. Первый и единственный литиевый рудник, где велась добыча, расположен в Забайкалье. В советские годы там отработали около 40 процентов запасов, а в 1997-м месторождение законсервировали из-за неблагоприятной экономической обстановки. В октябре 2020 года правительство подняло налог на добычу полезных ископаемых в два раза, что сильно осложнило разработку новых месторождений. Стартовый аукционный платеж торгов на месторождения Кольского полуострова достигает 1 миллиарда 100 миллионов, а затраты на разведку, по оценкам геологов, могут составить еще 500–600 миллионов рублей.

Подписанное соглашение «Газпрома» и Минпромразвития РФ о добыче лития на Ковыктинском месторождении в Иркутской области дает России пропуск к новым технологиям. Теперь главное, чтобы не стать сырьевым придатком, как Чили, а организовать свой полный цикл производства аккумуляторов.

По оценке Аналитического кредитного рейтингового агентства (АКРА), в РФ залегает около 900 тысяч тонн лития, по запасам – это третье место в мире. Но сегодня не разрабатывается ни одно месторождение, перспективными считаются всего два региона – в Иркутской и Мурманской областях. Развитие во многом тормозит и то, что в нашей стране литий в основном содержится в рудных залежах, требующих гораздо больших затрат в сравнении с гидроминеральным способом добычи.

Однако в РФ появилось несколько амбициозных проектов, существующих пока что в планах. Так, Uranium One – международная группа компаний, входящих в контур управления группы TENEX госкорпорации «Росатом», занимается перспективными проектами добычи цветных и редкоземельных металлов, к 2030 году она планирует занять до 10 процентов мирового литиевого рынка. По проекту разрабатывать месторождения компания намерена гидроминеральным способом на лицензионных участках в Латинской Америке и Африке, а производство конечной продукции локализовать на территории России.

Горнорудный дивизион ГК «Росатом» – ОАО «Атомредметзолото» (АРМЗ) может начать разработку литиевых месторождений в Мурманской и Иркутской областях. По предварительной оценке, на перспективных участках можно будет ежегодно извлекать до 50 тысяч тонн литиевых соединений.

Кроме проектов Росатома, появились планы от представителей нефтегазового сектора. В России с недавних пор официально разрешили извлекать из подземных вод попутные полезные ископаемые, не относящиеся к углеводородному сырью: поправки в закон «О недрах» приняты летом 2020 года. В стратегии развития отрасли редких и редкоземельных металлов РФ числится два проекта попутного извлечения лития из пластовых вод нефтегазоконденсатных участков. Согласно документу до 2025 года «Газпром» и «ИСТ Эксплорейшн» должны разработать и опробовать технологию извлечения лития из гидроминеральных рассолов Ковыктинского месторождения.

Еще один участник программы – «Иркутская нефтяная компания» планирует к 2024–2025 годам начать добычу солей лития (побочный продукт добычи газа) на Ярактинском месторождении около 1000 тонн в год. По предварительным оценкам, в перспективе это в значительной степени покроет внутренний спрос на соли лития, которые РФ ежегодно импортирует из Южной Кореи.

Здесь об установлении предельно крайних сроков получения первых товарных партий можно считать отсылку к стратегии полного обеспечения российской промышленности отечественными редкими и редкоземельными металлами к 2030 году.

Аккумулятор made in Russia?

Для нужд промышленности мы до сих пор импортируем литийсодержащие концентраты либо готовые соединения металла. Отметим, что на внутреннем рынке он не пользуется высоким спросом, поскольку потребляется в незначительных количествах. Все российские заводы, производящие литиевые аккумуляторы, закупают иностранное сырье. Например, летом 2019 года Росатом и Министерство энергетики Боливии договорились о совместной разработке боливийских месторождений.

Для аккумуляторов используют только высокочистый литий – такой производят на трех заводах в России. Один из производителей аккумуляторов и систем – завод «Лиотех» под Новосибирском, портфельный проект компании «РОСНАНО». Но сырье для аккумуляторов поступает туда из-за границы: предприятие использует китайские катодные порошки. Закупка иностранных компонентов в условиях санкций сопряжена со сложностями приобретения иностранных товаров: поиска надежного поставщика, качественного сырья, установления сроков и стоимости доставки, решения логистических проблем.

Подконтрольная Росатому компания «Рэнера» заявила о планах возведения в Калининградской области производства литийионных ячеек и полноценных аккумуляторных батарей для электрокаров «Автотора».

Сегодня РФ зависит от иностранных поставщиков лития и скачков цен на рынке настолько, что требуется создание собственного производства полного цикла. Сразу отмечаем: отечественная литиевая промышленность находится в зачаточном состоянии.

Раз магнит, два магнит

В батареях электромобилей кроме лития содержатся кобальт, никель и графит. Также двигатели электромобиля включают ряд редкоземельных и группу из 17 химических элементов, которые доступны только в небольших количествах и также рассредоточены по земной коре. Мировые запасы редкоземов оцениваются в 100 миллионов тонн в пересчете на оксиды РЗМ. Наиболее массово РЗМ применяются при производстве мощных постоянных магнитов. Большинство электромобилей используют неодимовые постоянные магниты, состоящие из сплава неодима, бора и железа (Nd2Fe14B), необходимые для производства высокопроизводительных электродвигателей. Такие магниты содержат неодим (Nd), празеодим (Pr) и диспрозий (Dy).

По мнению экспертов, мировые ресурсы лития ориентировачно оцениваются в 40 миллионов тонн. Этих резервов может хватить примерно на 185 лет, даже если рынок утроится. Оценочные запасы кобальта (самого дорогого металла в батареях) в трех ведущих странах (ДРК, Австралия и Куба) составляют около пяти миллионов тонн, в то время как сегодня порядка 45 тысяч тонн кобальта во всем мире идет на производство электромобилей. К 2030 году эта цифра превысит 90 тысяч тонн.

Запасы графита оцениваются примерно в 250 миллионов тонн, в то время как спрос на графит, обусловленный производством анодов, достиг 250 тысяч тонн в 2020 году. Запасы никеля (78 миллионов тонн) при росте потребления более 2,5 миллиона тонн достаточны и срыва перехода на электромобили не будет. Еврокомиссия ЕС оценивает глобальные запасы оксидов редкоземельных элементов более чем в 80 миллионов тонн, тогда как среднегодовое их производство может составлять примерно 140 тысяч тонн. Самыми труднодоступными РЗЭ являются неодим и диспрозий.

Отметим, что запасы лития, кобальта, графита и РЗЭ вряд ли ограничат рост производства электромобилей. В 80-е годы СССР занимал третье место в мире по выпуску высокочистой редкоземельной продукции, необходимой для современных образцов военной техники и атомной промышленности.

Сегодня РФ располагает крупнейшей в мире сырьевой базой редкоземельных металлов (РЗМ) в количестве 26,9 миллиона тонн, занимая второе место в мире после КНР. Однако РЗЭ в России добываются в незначительных количествах – на уровне 90 тысяч тонн. Имеются богатые месторождения в Якутии, которые оцениваются в 154 миллиона тонн руды. Туганское месторождение в Томской области с большим промышленным содержанием минералов, титана и циркония. Это надо все добывать. Сегодня на рынке редкоземельных магнитов доминирует Китай. На втором месте – не имеющая собственного сырья Япония. Мировое производство редкоземельных магнитов на сегодня оценивается в 50–60 тысяч тонн в год. Россия вносит пока в этот объем весьма скромный вклад – порядка одного процента. Большую часть потребностей в магнитах промышленность РФ удовлетворяет за счет импорта из Китая.

Грядущий электромобиль

Как отмечают специалисты, за последние 15 лет парк электромобилей в мире вырос в семь тысяч раз, через 10 лет электромобили составят 30 процентов от всего автотранспорта.

Среди производителей электромобилей Tesla (США) продолжает оставаться лидером – за 2020 год продажи компании составили около полумиллиона машин, что является абсолютным рекордом, продажи случались и в России. В КНР, ЕС и США сосредоточено более 90 процентов всех электромобилей мира. Китайский рынок сегодня самый большой и быстрорастущий – более половины всех машин продается именно там. Абсолютным лидером здесь стала та же Tesla, которая в конце 2019-го завершила строительство нового завода в Шанхае. В Китае зарегистрировано более 400 компаний, производящих электромобили.

Синий московский электробус

В России согласно Концепции развития электротранспорта, утвержденной в 2021-м, к 2030 году не менее 10 процентов выпускаемых автомобилей будут электрическими. Сейчас разрабатывается комплексная программа развития электротранспорта, и в ее последней версии объем госфинансирования до 2030 года составит 804 миллиарда рублей: деньги направят не только на разработку техники, но также на субсидирование покупок и развитие инфраструктуры для электромобилей. Серийное производство легковых электромобилей в России пока не началось, но через три года выпуск таких машин, как планируется, превысит 25 тысяч единиц в год.

Парк электромобилей растет, но медленно, в 2020 году, по сведениям аналитического агентства «Автостат», продано 687 новых машин (в 2019-м – всего 353 единицы).

В РФ на середину 2021 года на учете стояло 12 290 электромобилей, что составляет менее 0,03 процента от общего автопарка, в основном это иномарки.

В Москве современный электротранспорт постепенно вытесняет обычные автобусы и троллейбусы: 25 августа 2020 года навсегда ушел в парк последний более чем из 1600 столичных троллейбусов.

Заммэра Москвы по вопросам транспорта и развития дорожно-транспортной инфраструктуры Максим Ликсутов сказал: «Московский электробус – один из лучших на мировом рынке. Все операции по сборке электробусов на заводе полностью экологичны, с нулевыми выбросами».

«В 2022 году на маршруты выйдут первые электробусы-гармошки (КамАЗ-6292), которые вмещают до 135 пассажиров. А число зарядных станций увеличим до 383, что позволит расширить сеть на новые районы».

На начало 2021 года только в Москве работало более 600 электробусов ЛИАЗ-6274 и КамАЗ-6282.

По информации изготовителей, полная зарядка аккумуляторных батарей электробусов совершается от 6 до 20 минут. Оборудованы электробусы литий-титанатными импортными аккумуляторами и электропортальными мостами. Особенности конструкции машин в том, что двигатели спрятаны в электропортальные мосты с рекуперацией – часть энергии торможения возвращается. Четыре плоские панели аккумуляторов весом около тонны установлены на крыше, конструкция электробуса рассчитана на такой вес. Большая часть батарей и тягового оборудования для пассажирского электротранспорта в столице производится резидентом ОЭЗ «Технополис Москва».

Третье поколение электробусов группы ГАЗ использует тоже литий-титанатные аккумуляторные батареи китайской компании Microwast, рассчитанные на 15 тысяч циклов заряда-разряда, что в теории должно обеспечить десятилетний срок службы батарей.

Опубликовано в выпуске № 11 (924) за 29 марта 2022 года

Аватар пользователя Твердислав
Твердислав
01 апреля 2022
Литиевые батареи и аккумуляторы при некачественной разработке и должном эргономическом проектировании чрезвычайно опасны. Вспомним пожар на Лошарике - подводной глубоководной лодке. Чем тушить не имели и не знали как. Так и пожарная безопасность при массовом применении на электробусах. Необходима интегральный эргодизайн обеспечивающий взрывопожаробезопасность при манипулировании зарядкой, особенно в летнее время, при перегреве салона и двигателей. Где стандарты? Нужна очень надежная автоматика азотнопожаротушения!
Аватар пользователя Твердислав
Твердислав
01 апреля 2022
Литиевые батареи и аккумуляторы при некачественной разработке и должном эргономическом проектировании чрезвычайно опасны. Вспомним пожар на Лошарике - подводной глубоководной лодке. Чем тушить не имели и не знали как. Так и пожарная безопасность при массовом применении на электробусах. Необходима интегральный эргодизайн обеспечивающий взрывопожаробезопасность при манипулировании зарядкой, особенно в летнее время, при перегреве салона и двигателей. Где стандарты? Нужна очень надежная автоматика азотнопожаротушения!

 

 

  • Past:
  • 3 дня
  • Неделя
  • Месяц