Управление сложной цепочкой поставок аккумуляторных батарей для электромобилей

Рост популярности электромобилей (EV) в мире обусловлен сложной и развивающейся цепочкой поставок литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов, которая охватывает добычу минерального сырья, производство компонентов аккумуляторов и сборку элементов. На каждом этапе этого сложного процесса встречаются свои сложности и уникальные возможности. 

Одной из основных задач цепочки поставок является обеспечение достаточного количества минерального сырья для удовлетворения растущего спроса на электромобили и новых требований к аккумуляторам. Ранние модели электромобилей 21 века были очень компактными, что позволяло максимально использовать ограниченный запас хода, который обеспечивали большинство литий-ионных аккумуляторов того времени. Например, длина Chevrolet Spark EV 2016 года составляет всего 3,7 м (147 дюймов), а запас хода — 132 км (82 мили). Однако за последнее десятилетие увеличились габариты автомобилей, дальность их пробега и эксплуатационные характеристики, в результате чего потребовались более мощные аккумуляторы с оптимальным сочетанием минералов и большим количеством элементов на один автомобиль.

Кроме того, по мере того как ранние модели электромобилей и их литий-ионные аккумуляторы подходят к концу срока службы, перед отраслью встает вопрос о разработке устойчивых методов их утилизации. Эти усилия необходимы для минимизации отходов и снижения нагрузки на первичные ресурсы и окружающую среду, в которой они добываются.

За последнее десятилетие в мире произошел стремительный рост продаж электромобилей, и к 2023 году их число достигло рекордных 10,5 миллиона, включая как полностью аккумуляторные, так и подключаемые гибридные электромобили. Признаков замедления темпов роста не наблюдается: согласно прогнозам, до 2030 года ежегодный рост числа электромобилей будет составлять 32%. Эти цифры подчеркивают острую необходимость в надежных и устойчивых решениях для цепочки поставок аккумуляторов.

Как и большая их часть, аккумуляторы для электромобилей производятся из редкоземельных минералов, содержащих различное количество лития, кобальта, никеля и графита. Многие из этих материалов могут быть повторно использованы и переработаны в рамках циркулярной экономики, в отличие от топлива для автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), которое зависит от постоянной добычи и сжигания ископаемых видов топлива. 

Литий и другие редкоземельные минералы проходят множество этапов и процессов, пока они добираются из недр земли и попадают на оптовые и розничные рынки, откуда их используют в аккумуляторных батареях. Эти этапы включают добычу полезных ископаемых, очистку, производство аккумуляторов, сборку и транспортировку. 

Цена на литиевые батареи отражает все промежуточные этапы, поэтому более крупные аккумуляторы для электромобилей могут стоить немалых денег. Например, в 2024 году стоимость замены аккумуляторного блока Tesla Model S составит от 8 000 до 10 000 долларов США. 

Путь к созданию аккумуляторных батарей начинается в регионах, изобилующих полезными ископаемыми, где ведется добыча важнейших редкоземельных минералов. Большинство этих полезных ископаемых добывается в виде обогащенной минералами руды, затем проходит процесс рафинирования, переработки, выщелачивания и очистки. 

Однако добыча полезных ископаемых может привести к обезлесению, утрате среды обитания и загрязнению воды, если только не будут приняты ответственные меры по охране окружающей среды. Кроме того, концентрация редкоземельных минералов в отдельных регионах вызывает опасения по поводу геополитической уязвимости и возможных сбоев в цепочке поставок, что требует от заинтересованных сторон коллективного наблюдения за рынком и совместной работы по заблаговременному смягчению потенциальных последствий. 

В ответ на эти вызовы в этой отрасли предпринимаются усилия по диверсификации минерального сырья, внедряются более экологичные методы добычи и развиваются возможности по переработке минерального сырья. Ожидается, что эти действия позволят снизить зависимость от геополитически чувствительных материалов, сохранить экосистемы вблизи шахт и защитить водные ресурсы. 

На промежуточном этапе необходимо превратить сырье в композитные материалы для аккумуляторов. Этот этап включает в себя переработку лития в такие соединения, как гидроксид, карбонат и соли, необходимые для производства покрытий электродов аккумуляторов и слоя электролита между катодом и анодом аккумуляторного элемента. 

Катод аккумулятора существенно влияет на его производительность. Большинство катодов для электромобилей представляют собой сочетание сплавов кобальта и никеля, однако постоянно ведутся эксперименты по использованию более безопасных, эффективных и разнообразных комбинаций металлов. 

Литий-ионные аноды обычно состоят из медной фольги, покрытой графитом, который обеспечивает структуру для ионов лития во время зарядки и разрядки. Этот компонент основан на использовании специализированного графита, измельченного до точных размеров и нанесенного на медную поверхность. 

Эти промежуточные этапы выполняются в значительных масштабах, поскольку в большинстве аккумуляторов для электромобилей содержатся тысячи отдельных элементов. Обеспечение чистоты материала и качества производства имеет решающее значение для безопасной и эффективной работы аккумуляторов. Поэтому требуется применения сложных технологических приборов и анализаторов для мониторинга и контроля производственного процесса. 

После изготовления компоненты объединяются в модули, обычно цилиндрической формы для электромобилей. Эти модули затем собираются в большие аккумуляторные батареи, чтобы обеспечить приемлемую мощность автомобиля на больших расстояниях. 

Производство аккумуляторов, способных питать электромобили на большом расстоянии, является ключевым требованием для повышения эффективности электромобилей как на потребительском, так и на коммерческом рынках. Водители привыкли заправлять автомобили с ДВС за считанные минуты после нескольких сотен миль пробега, используя разветвленную сеть заправочных станций. В отличие от этого, зарядных станций для электромобилей не так много и они расположены далеко друг от друга, а их зарядка занимает в большинстве случаев по несколько часов. 

Для решения этих проблем инфраструктура зарядки должна продолжать расти, уделяя особое внимание быстрой зарядке с высокой мощностью. Все более мощные аккумуляторы с высокой емкостью накопления энергии помогают уменьшить некоторые проблемы, связанные с целесообразностью, особенно на потребительских и коммерческих рынках, где зачастую автомобили паркуются на длительное время, предоставляя широкие возможности для их зарядки. 

Разработка водородных топливных элементов — еще один технический вариант решения проблемы продолжительности зарядки, однако в большинстве регионов наблюдается острая нехватка инфраструктуры для заправки, что делает автомобили на водородном топливе в настоящее время нерентабельными на большинстве рынков. 

Литий-ионные аккумуляторы могут представлять опасность из-за хранящейся в них энергии, а также из-за высокореактивного сырья и используемых химических веществ, что делает их опасными с точки зрения воспламенения при попадании искр, сильной деформации или некачественной конструкции. Более того, при распаде электролита на основе лития в воздух могут выделяться легковоспламеняющиеся газы, такие как этилен, метан и водород. 

Серьезную опасность для электромобильных аккумуляторов представляет тепловой разгон, который может возникнуть, если аккумулятор слишком сильно нагревается из-за повреждения или неправильной зарядки. В этом случае под действием высокой температуры электролит испаряется, повреждая корпус элемента и выделяя горючие газы. Чрезмерная зарядка может привести к образованию металлического лития внутри элемента, который может вызвать внутреннее короткое замыкание и вступить в реакцию с влагой окружающей среды. Как только эта реакция начинается, она становится самоподдерживающейся, поэтому отключение питания не может ее остановить. К сожалению, тепловой выброс трудно обнаружить до тех пор, пока не возникнет пожар, поэтому так важно обеспечить высокое качество производства элементов.

В последнее время переработка становится важнейшим аспектом в цепочке поставок аккумуляторных батарей для электромобилей, поскольку отрасль сталкивается со стремительным ростом отходов аккумуляторных компонентов от отслуживших свой срок электромобилей. По мере роста популярности электромобилей растет и потребность в эффективных и устойчивых методах переработки, позволяющих извлекать ценные металлы, минимизировать воздействие на окружающую среду и дополнять добычу полезных ископаемых для производства новых аккумуляторов.

Аккумуляторы для электромобилей могут быть переработаны аналогично литий-ионным аккумуляторам меньшего размера с помощью пирометаллургии и гидрометаллургии. Однако из-за их большого размера, веса и сложности возникают дополнительные трудности с эффективным извлечением минералов. Различные предприятия по переработке отходов по-разному подходят к решению этой задачи. Некоторые компании предпочитают разбирать аккумуляторные батареи вручную с привлечением бригад квалифицированных специалистов, в то время как другие просто размельчают аккумуляторы, погружая их в инертную жидкость, чтобы ограничить доступ кислорода и снизить риск их возгорания. 

Несмотря на трудности, степень эффективного процесса утилизации аккумуляторов для электромобилей быстро повышается, а такие инновации, как роботизация, помогают расширить масштабы этой практики. Крупномасштабная переработка аккумуляторов становится все более важной областью научных исследований, поскольку количество аккумуляторов, которые потребуют переработки в будущем, растет по мере того, как все большее число электромобилей появляются на дорогах, а системы хранения энергии на основе аккумуляторов становятся все более распространенными. 

Чтобы удовлетворить быстро растущий спрос на аккумуляторы для электромобилей, необходима стабильная цепочка поставок, которая охватывает процессы добычи, производства, сборки и переработки. Кроме того, для эффективного производства аккумуляторных батарей в отрасли необходимо наладить бесперебойную поставку компонентов и материалов в различные территориально удаленные друг от друга регионы. 

Переход на электромобили сопряжен с определенными трудностями, однако он является важнейшей частью глобальных усилий по сокращению выбросов углерода и ограничению содержания парниковых газов в атмосфере. Устойчивое решение проблем цепочки поставок электромобилей предполагает внедрение экологически безопасных методов поиска сырья, снижение воздействия добычи на окружающую среду, строгий контроль качества в процессе производства и сборки, а также продолжение инвестиций в технологии по утилизации аккумуляторов.