Разновидности батарей для электромобилей
Выбирая электромобиль, разумно интересоваться не только емкостью и запасом хода, но и химическим составом батареи. Первые батареи для электромобилей были устрашающе огромными, тяжелыми и не могли позволить проехать больше десяти километров. С тех пор многое изменилось, а технологии шагнули далеко вперед
Литий-ионные батареи
По своему составу литий-ионные батареи похожи на те же аккумуляторы, которые устанавливаются в мобильные гаджеты и почти все виды бытовой техники. В электромобили чаще всего устанавливаются именно такие батареи: это самый распространенный тип. Популярность литий-ионных батарей обусловлена относительно небольшой массой, высокой плотностью энергии, длительным сроком службы и эффективной зарядкой. Внутри аккумуляторов находятся две пластины и жидкость с ионами.
Литий-ионные батареи делятся на две группы: никель-марганец-кобальтовые (NMC) и никель-кобальт-алюминиевые (NCA).
Литий-ионные батареи делятся на две группы: никель-марганец-кобальтовые (NMC) и никель-кобальт-алюминиевые (NCA).
Никель-марганец-кобальтовые (NMC)
Этот тип обладает повышенной плотностью энергии — до 250 Вт*ч/кг, что позволяет электромобилям проезжать достаточное количество километров на одном заряде. NMC-батарея массой 500 килограммов будет обладать эффективной емкостью около 100 кВт*ч, так что среднестатистический электрокар с расходом энергии 20 кВт*ч на 100 км сможет проехать без подразядки около 625 км.
Никель-марганец-кобальтовые аккумуляторы быстро заряжаются и относительно компактны, но имеют ограниченный ресурс. Считается, что после двух тысяч полных циклов зарядки/разрядки деградация батареи превысит 20%. Для среднестатистического водителя это означает, что жизненный цикл NMC-аккумулятора — 8-10 лет. Когда аккумулятор теряет пятую часть своей емкости, он считается непригодным для использования в электромобиле.
Другой недостаток — низкая устойчивость к перепадам температуры: NMC-батареи легко могут перегреться в жару. Зарядка может вызвать тепловой разгон уже при температуре батареи 65−80 градусов Цельсия. Это приводит к перегреву внутренних элементов. Из строя батареи выходят при температуре выше 210 градусов Цельсия. Производители снабжают аккумуляторные блоки системами охлаждения и подогрева. Однако это усложняет конструкцию и повышает стоимость батареи.
NMC-батареи устанавливаются в Zeekr 001, Luxeed S7, Tesla Model Y и другие электрокары.
Никель-марганец-кобальтовые аккумуляторы быстро заряжаются и относительно компактны, но имеют ограниченный ресурс. Считается, что после двух тысяч полных циклов зарядки/разрядки деградация батареи превысит 20%. Для среднестатистического водителя это означает, что жизненный цикл NMC-аккумулятора — 8-10 лет. Когда аккумулятор теряет пятую часть своей емкости, он считается непригодным для использования в электромобиле.
Другой недостаток — низкая устойчивость к перепадам температуры: NMC-батареи легко могут перегреться в жару. Зарядка может вызвать тепловой разгон уже при температуре батареи 65−80 градусов Цельсия. Это приводит к перегреву внутренних элементов. Из строя батареи выходят при температуре выше 210 градусов Цельсия. Производители снабжают аккумуляторные блоки системами охлаждения и подогрева. Однако это усложняет конструкцию и повышает стоимость батареи.
NMC-батареи устанавливаются в Zeekr 001, Luxeed S7, Tesla Model Y и другие электрокары.
Никель-кобальт-алюминиевые (NCA)
Никель-кобальт-алюминиевые батареи считаются более экологичными из-за отсутствия марганца и меньшего количества кобальта. В остальном преимущества у этого типа те же, что и у NMC: компактность и быстрая зарядка. Плотность энергии еще выше, чем у предыдущего типа, — до 320 Вт*ч/кг, поэтому удельный запас хода еще больше. Электромобиль с 500-килограммовой батареей может проехать до 800 километров.
Недостатки оба типа литий-ионных батарей тоже разделяют. Но срок службы у NCA-аккумуляторов еще короче, чем у никель-марганец-кобальтовых аналогов, и составляет в среднем около 500 циклов заряд/разряд. Скорость деградации в 2-4 раза выше.
Проблемы с термической безопасностью NCA тоже разделяет с NMC, а вероятность возгорания даже выше, чем у NCA — температура выхода из строя у батареи всего 150 градусов Цельсия.
Этот тип батареи раньше встречался на электромобилях Tesla и Audi e-Tron.
Недостатки оба типа литий-ионных батарей тоже разделяют. Но срок службы у NCA-аккумуляторов еще короче, чем у никель-марганец-кобальтовых аналогов, и составляет в среднем около 500 циклов заряд/разряд. Скорость деградации в 2-4 раза выше.
Проблемы с термической безопасностью NCA тоже разделяет с NMC, а вероятность возгорания даже выше, чем у NCA — температура выхода из строя у батареи всего 150 градусов Цельсия.
Этот тип батареи раньше встречался на электромобилях Tesla и Audi e-Tron.
Литий-железо-фосфатные (LFP)
Второй тип батарей отличается увеличенным сроком службы, низкой себестоимостью и сниженным риском возгорания.
LFP-батареи превосходят аккумуляторы литий-ионного типа по многим критериям. Они рассчитаны примерно на три-пять тысяч циклов зарядки до 20-процентной деградации. Этот показатель в несколько раз выше, чем у NMC- и NCA-батарей. Если для продления жизни литий-ионных батарей рекомендуется заряжать их максимум до 80%, то LFP-аккумуляторы нужно заряжать до 100%, чтобы откалибровать элементы. Для водителя это означает, что подзаряжаться стоит реже, но сам процесс займет больше времени.
Стоимость литий-ионных ячеек типа NCA составляет примерно 120 долларов за кВт*ч, NMC-батарея обойдется в 113 долларов за кВт*ч, а LFP — всего 99 долларов за кВт*ч. Поэтому литий-железо-фосфатные аккумуляторы идеально подходят для бюджетного сегмента.
Вдобавок, LFP-батареи более безопасные и почти неподвластны возгоранию, если электромобиль попадет в ДТП. Температура выхода из строя составляет 270 градусов Цельсия. Однако они уязвимее к морозам: холодная температура замедляет скорость зарядки, особенно это заметно, когда за бортом холоднее -20 градусов по Цельсию.
При всех своих достоинствах LFP-батареи больше весят и не могут похвастаться плотностью энергии. Даже у самых лучших аккумуляторов такого типа удельная емкость составляет 150 Вт*ч/кг. Из-за этого запас хода тоже меньше: LFP-батарея уступает в эффективности соразмерному NMC-аккумулятору около 30%. Чтобы получить тот же запас хода, необходимо установить больше батарей, а это увеличивает нагрузку на автомобиль. Поэтому литий-железо-фосфатные аккумуляторы чаще встречается на городских электромобилях. Батарея весом 500 кг будет отдавать всего 75 кВт*ч, а запаса хода хватит на 375 км.
Батареи LFP устанавливаются на BYD Dolphin, Han и Seal, Ora Funky Cat, Zeekr 007.
LFP-батареи превосходят аккумуляторы литий-ионного типа по многим критериям. Они рассчитаны примерно на три-пять тысяч циклов зарядки до 20-процентной деградации. Этот показатель в несколько раз выше, чем у NMC- и NCA-батарей. Если для продления жизни литий-ионных батарей рекомендуется заряжать их максимум до 80%, то LFP-аккумуляторы нужно заряжать до 100%, чтобы откалибровать элементы. Для водителя это означает, что подзаряжаться стоит реже, но сам процесс займет больше времени.
Стоимость литий-ионных ячеек типа NCA составляет примерно 120 долларов за кВт*ч, NMC-батарея обойдется в 113 долларов за кВт*ч, а LFP — всего 99 долларов за кВт*ч. Поэтому литий-железо-фосфатные аккумуляторы идеально подходят для бюджетного сегмента.
Вдобавок, LFP-батареи более безопасные и почти неподвластны возгоранию, если электромобиль попадет в ДТП. Температура выхода из строя составляет 270 градусов Цельсия. Однако они уязвимее к морозам: холодная температура замедляет скорость зарядки, особенно это заметно, когда за бортом холоднее -20 градусов по Цельсию.
При всех своих достоинствах LFP-батареи больше весят и не могут похвастаться плотностью энергии. Даже у самых лучших аккумуляторов такого типа удельная емкость составляет 150 Вт*ч/кг. Из-за этого запас хода тоже меньше: LFP-батарея уступает в эффективности соразмерному NMC-аккумулятору около 30%. Чтобы получить тот же запас хода, необходимо установить больше батарей, а это увеличивает нагрузку на автомобиль. Поэтому литий-железо-фосфатные аккумуляторы чаще встречается на городских электромобилях. Батарея весом 500 кг будет отдавать всего 75 кВт*ч, а запаса хода хватит на 375 км.
Батареи LFP устанавливаются на BYD Dolphin, Han и Seal, Ora Funky Cat, Zeekr 007.
Твердотельные батареи
Чаще всего в автомобилях встречаются литий-ионные батареи, но будущее, скорее всего, за твердотельной технологией. Главное отличие от предыдущих типов батарей — электролит. В литий-ионных батареях используется жидкий электролит, а в твердотельных она заменена твердой керамикой или полимером.
Благодаря тому, что в составе батарей нет легковоспламеняющихся элементов, максимально снижен риск возгорания и взрыва. Запас хода в холодную погоду тоже не снижается, исследования доказали, что твердотельные батареи выдерживают температуру окружающего воздуха до -40 градусов Цельсия. Эти особенности можно назвать главными преимуществами. Благодаря этому, батарее не нужны системы терморегулирования, это позволяет удешевить производство и снизить массу аккумуляторного блока. На производстве твердотельных батарей без систем нагрева и охлаждения можно сэкономить до 50%.
Твердые элементы могут хранить в три раза больше единиц энергии, чем литий-ионные. Это означает, что запас хода у твердотельных батарей больше, вес и размеры — меньше. Производители, которые сейчас трудятся над созданием батарей этого типа, обещают запас хода около тысячи км на одном заряде. Например, Nio выпускает твердотельные аккумуляторы емкостью 150 кВт*ч и запасом хода почти 1000 км.
Срок службы и циклов зарядки тоже больше, что позволит реже менять батарею в электромобиле. По прогнозам, батарея выдержит 8−10 тыс. циклов зарядки. Для покупателей это означает, что затраты на батарею в итоге будут ниже. Например, недавно дочерняя компания Volkswagen — QuantumScape — провела исследования прототипа твердотельной батареи, которые показали, что после тысячи циклов разряда и заряда, батарея сохранила 95% своей емкости. Для электромобилей с запасом хода 500 км это означает, что ресурса батареи хватит на полмиллиона километров пробега.
Стоимость производства твердотельных батарей пока выше, чем у других. И именно это считается главной причиной того, что большинство электрокаров оснащаются литий-ионными и литий-железо-фосфатными ячейками.
В перспективах твердотельных батарей автопроизводители не сомневаются: китайская марка Nio уже выпускает электрокары с комбинированными аккумуляторами (твердый электролит погружен в жидкость), а прототипы автомобилей с твердотельными ячейками есть у Mercedes-Benz, Nissan, Ford, BMW и Toyota. До массового использования твердотельных батарей может пройти несколько лет, но сначала инновационные аккумуляторы наверняка появятся в премиум-сегменте.
Благодаря тому, что в составе батарей нет легковоспламеняющихся элементов, максимально снижен риск возгорания и взрыва. Запас хода в холодную погоду тоже не снижается, исследования доказали, что твердотельные батареи выдерживают температуру окружающего воздуха до -40 градусов Цельсия. Эти особенности можно назвать главными преимуществами. Благодаря этому, батарее не нужны системы терморегулирования, это позволяет удешевить производство и снизить массу аккумуляторного блока. На производстве твердотельных батарей без систем нагрева и охлаждения можно сэкономить до 50%.
Твердые элементы могут хранить в три раза больше единиц энергии, чем литий-ионные. Это означает, что запас хода у твердотельных батарей больше, вес и размеры — меньше. Производители, которые сейчас трудятся над созданием батарей этого типа, обещают запас хода около тысячи км на одном заряде. Например, Nio выпускает твердотельные аккумуляторы емкостью 150 кВт*ч и запасом хода почти 1000 км.
Срок службы и циклов зарядки тоже больше, что позволит реже менять батарею в электромобиле. По прогнозам, батарея выдержит 8−10 тыс. циклов зарядки. Для покупателей это означает, что затраты на батарею в итоге будут ниже. Например, недавно дочерняя компания Volkswagen — QuantumScape — провела исследования прототипа твердотельной батареи, которые показали, что после тысячи циклов разряда и заряда, батарея сохранила 95% своей емкости. Для электромобилей с запасом хода 500 км это означает, что ресурса батареи хватит на полмиллиона километров пробега.
Стоимость производства твердотельных батарей пока выше, чем у других. И именно это считается главной причиной того, что большинство электрокаров оснащаются литий-ионными и литий-железо-фосфатными ячейками.
В перспективах твердотельных батарей автопроизводители не сомневаются: китайская марка Nio уже выпускает электрокары с комбинированными аккумуляторами (твердый электролит погружен в жидкость), а прототипы автомобилей с твердотельными ячейками есть у Mercedes-Benz, Nissan, Ford, BMW и Toyota. До массового использования твердотельных батарей может пройти несколько лет, но сначала инновационные аккумуляторы наверняка появятся в премиум-сегменте.
Топ-5 производителей аккумуляторных батарей для электромобилей
Сегодня почти все батареи для электрокаров производятся китайскими, японскими и южнокорейскими компаниями. США и Европе понадобятся годы, чтобы догнать их.
На сегодняшний день самыми крупными игроками на рынке литий-ионных АКБ являются Китай, Япония и Южная Корея. Именно там находятся штаб-квартиры ведущих компаний, которые занимаются разработкой и производством батарей для электрокаров.
Contemporary Amperex Technology Co. Limited (CATL)
Топ возглавляет китайская компания CATL. Она разрабатывает и производит АКБ с 2011 года. CATL специализируется на литий-ионных аккумуляторах для электрических автомобилей и подключаемых гибридов, системах хранения энергии и управления батарей.
Пять лет подряд китайский производитель присваивает лидерство на рынке АКБ с долей 32,6%. В 2021 году компания выпустила аккумуляторы суммарной емкостью 96,7 ГВт/ч.
Батареи производства CATL используются в автомобилях BMW, Dongfeng Motor Corp., Honda, SAIC Motor Corp., Stellantis, Tesla, Volkswagen Group, Volvo.
LG Energy Solution (LGES)
LGES — энергетическая компания из Южной Кореи. На ее долю приходится пятая часть мирового рынка АКБ для электрокаров и гибридов. Общая производственная мощность компании составляет 60,1 ГВт/ч.
LGES обеспечивает аккумуляторными батареями электрокары General Motors, Groupe Renault, Stellantis, Tesla, Volvo, VW Group и Hyundai Motor.
Заводы компании находятся в Южной Корее, Китае, Польше и США. Еще два предприятия, в Аризоне и Онтарио, находятся на этапе строительства. На первом планируют производить цилиндрические аккумуляторы, а производственная мощность завода составит 11 ГВт/ч в год. Второй строится совместно с автопроизводителем Stellantis. Батареи, выпущенные на нем, будут поставляться преимущественно для электромобилей брендов Chrysler, Dodge и Jeep. Производственная мощность завода в Канаде составит 45 ГВт/ч в год.
Panasonic
Тройку лидеров замыкает японская компания Panasonic с долей рынка 14,7% и производственной мощностью 36,1 ГВт/ч. Она поставляет АКБ для Tesla и Toyota.
Сейчас компания занимается производством новой литий-ионной батареи для Tesla, которая повысит дальность хода ее электрокаров на 20%. Например, Model S, проезжающая примерно 650 километров без подзарядки, с новым АКБ сможет преодолевать до 750, что близко к показателям флагманского Mercedes EQS.
Новые батареи производятся на заводе в префектуре Вакаяма, который ежегодно обеспечивает аккумуляторами до 150 000 электромобилей.
BYD
BYD – китайский производитель батарей с долей рынка 8,8%. Годовая производственная мощность компании составляет 26 ГВт/ч.
В 2020 году BYD выпустил АКБ Blade, которая не подвержена возгоранию. Производитель выделяет у нее следующие отличительные преимущества: высокую начальную температуру для экзотермических реакций, минимальное нагревание, способность не выделять кислород во время поломок.
Blade успешно прошла ряд экстремальных испытаний, таких как изгиб, нагревание до 300℃, перезарядка более чем на 200% и проникновение гвоздя. Транспортные средства, оснащенные этой батареей гораздо менее подвержены возгоранию, даже если серьезно повреждены.
Первым электромобилем, который получил батарею Blade, стал седан Han бренда BYD.
SK Innovation
Южнокорейская компания SK Innovation замыкает пятерку лидеров. Ее производственные возможности оцениваются в 17 ГВт/ч в год. Сейчас компания строит пять заводов в США, Китае и Европе, которые за год смогут выпускать аккумуляторы суммарной емкостью около 200 ГВт/ч. Завершение строительства запланировано на 2025 год.
Компания заключила контракты на поставку АКБ с Daimler, Ford, Hyundai Motor и KIA.
- Contemporary Amperex Technology Co. Limited (CATL)
- LG Energy Solution (LGES)
- Panasonic
- BYD
- SK Innovation
На сегодняшний день самыми крупными игроками на рынке литий-ионных АКБ являются Китай, Япония и Южная Корея. Именно там находятся штаб-квартиры ведущих компаний, которые занимаются разработкой и производством батарей для электрокаров.
Contemporary Amperex Technology Co. Limited (CATL)
Топ возглавляет китайская компания CATL. Она разрабатывает и производит АКБ с 2011 года. CATL специализируется на литий-ионных аккумуляторах для электрических автомобилей и подключаемых гибридов, системах хранения энергии и управления батарей.
Пять лет подряд китайский производитель присваивает лидерство на рынке АКБ с долей 32,6%. В 2021 году компания выпустила аккумуляторы суммарной емкостью 96,7 ГВт/ч.
Батареи производства CATL используются в автомобилях BMW, Dongfeng Motor Corp., Honda, SAIC Motor Corp., Stellantis, Tesla, Volkswagen Group, Volvo.
LG Energy Solution (LGES)
LGES — энергетическая компания из Южной Кореи. На ее долю приходится пятая часть мирового рынка АКБ для электрокаров и гибридов. Общая производственная мощность компании составляет 60,1 ГВт/ч.
LGES обеспечивает аккумуляторными батареями электрокары General Motors, Groupe Renault, Stellantis, Tesla, Volvo, VW Group и Hyundai Motor.
Заводы компании находятся в Южной Корее, Китае, Польше и США. Еще два предприятия, в Аризоне и Онтарио, находятся на этапе строительства. На первом планируют производить цилиндрические аккумуляторы, а производственная мощность завода составит 11 ГВт/ч в год. Второй строится совместно с автопроизводителем Stellantis. Батареи, выпущенные на нем, будут поставляться преимущественно для электромобилей брендов Chrysler, Dodge и Jeep. Производственная мощность завода в Канаде составит 45 ГВт/ч в год.
Panasonic
Тройку лидеров замыкает японская компания Panasonic с долей рынка 14,7% и производственной мощностью 36,1 ГВт/ч. Она поставляет АКБ для Tesla и Toyota.
Сейчас компания занимается производством новой литий-ионной батареи для Tesla, которая повысит дальность хода ее электрокаров на 20%. Например, Model S, проезжающая примерно 650 километров без подзарядки, с новым АКБ сможет преодолевать до 750, что близко к показателям флагманского Mercedes EQS.
Новые батареи производятся на заводе в префектуре Вакаяма, который ежегодно обеспечивает аккумуляторами до 150 000 электромобилей.
BYD
BYD – китайский производитель батарей с долей рынка 8,8%. Годовая производственная мощность компании составляет 26 ГВт/ч.
В 2020 году BYD выпустил АКБ Blade, которая не подвержена возгоранию. Производитель выделяет у нее следующие отличительные преимущества: высокую начальную температуру для экзотермических реакций, минимальное нагревание, способность не выделять кислород во время поломок.
Blade успешно прошла ряд экстремальных испытаний, таких как изгиб, нагревание до 300℃, перезарядка более чем на 200% и проникновение гвоздя. Транспортные средства, оснащенные этой батареей гораздо менее подвержены возгоранию, даже если серьезно повреждены.
Первым электромобилем, который получил батарею Blade, стал седан Han бренда BYD.
SK Innovation
Южнокорейская компания SK Innovation замыкает пятерку лидеров. Ее производственные возможности оцениваются в 17 ГВт/ч в год. Сейчас компания строит пять заводов в США, Китае и Европе, которые за год смогут выпускать аккумуляторы суммарной емкостью около 200 ГВт/ч. Завершение строительства запланировано на 2025 год.
Компания заключила контракты на поставку АКБ с Daimler, Ford, Hyundai Motor и KIA.
