Темата за батериите започнах със статията „Кому са нужни батериите?“ от 16.05.2023. Но тя се оказа доста широка и интересна, затова реших да направя цяла серия, изяснявайки различните типове батерии (електрохимически, гравитационни, топлинни, химически и прочие), предимства и недостатъци, икономика на съчетанието ВЕИ-батерии, изгодни ли са домашните батерии към фотоволтаиците и друга полезна информация. Според възможностите си, ще се старая и да дублирам всяка статия с видеоклип, който ще можете да гледате на сайта, на YouTube канала (https://www.youtube.com/@Ecology-Economy-or-both) или на TikTоk канала (https://www.tiktok.com/@EcologyEconomy).
Епизод 2 е посветен на най-популярния вид батерии, които всички познаваме – електрохимическите. Наричаме този тип батерии така, защото те са предназначени единствено за съхраняване на енергия под формата на ток. Как точно работят?

Към края на 18-ти век италианският учен Алесандро Волта доказва, че ако поставим в солен разтвор два материала с различен електрически потенциал, между тях протича поток от частици (електрони). Тази химическа реакция наричаме прав ток, защото тече само в една посока.

Ако се насочи този поток от електрони към лампа, токът ще протече през нея и тя ще светне. Този принцип се прилага и в съвременните батерии за еднократно ползване. Но когато свободните електрони в първия метал свършат, батерията „умира“.

Този проблем се решава донякъде от батерии, които могат многократно да се зареждат и да повтарят този процес. Обикновените батерии за многократно използване издържат стотици презареждания, а новите правят хиляди цикли. Някои учени считат, че следващият технологичен скок ще се основава на квантовата физика и ще позволи стотици хиляди цикли. Но дотогава ще трябва да разчитаме на постепенното усъвършенстване на сегашната технология, която и без квантовата физика се развива много бързо.

Електроните могат и да променят посоката си на движение и да образуват друг вид ток, променлив, произвеждан чрез система от ротор и статор. Той по-лесно се пренася на големи разстояния, но за съжаление не може да се съхранява и затова се налага да използваме различни батерии. Тяхната ефективност зависи от 3 основни фактора:
– капацитет, т.е. колко ток могат да съхранят за единица тегло или обем;
– брой цикли заряд – разряд и спад на капацитета им спрямо броя цикли;
– цена за съхраняването на енергията.

В момента пазарът е доминиран от литиево-йонните батерии.

1. Капацитет

Само преди 20-ина години той беше около 50 Вч/кг, а днес масовите електромобилни батерии са с 200-220 Вч/кг,  вече навлизат и такива с 4-500 Вч/кг. Нещо повече, наскоро най-големият производител на батерии в света, CATL, съобщи, че е готов за производство на 800 Вч/кг. На финала са и разработки на батерии със силициеви електроди, които ще предоставят над 1100 Вч/кг. Въпреки по-високата си цена, те могат да бъдат използвани в авиацията. Пазарът стимулира разработването на десетки нови технологии за увеличаване на капацитета и можем да очакваме неговото удвояване още в близките няколко години. При среден разход 15 кВч на 100 км, батерия с тегло 300 кг в началото на века даваше на електромобила пробег до 100 км. Днес стандартните батерии осигуряват 3-4 пъти по-голям пробег.

2. Брой цикли заряд – разряд

Доскоро 1000 цикъла се считаха за добро постижение, а днес масовите литиево-йонни батерии се произвеждат с разчет за 3,000 цикъла при спад в капацитета им до 15%. При зареждане средно на всеки 200 км, 3000 цикъла означават пробег от 600,000 км като и след това те могат да работят още дълго време, но с по-нисък капацитет. А най-новите батерийни технологии вече могат да предоставят до 10,000 цикъла.

3. Цена за кВч батерия

Тя зависи от няколко фактора:
– Баланс търсене – предлагане на суровините. Повишаващото се търсене води до тенденция към повишаването на цените, но то се компенсира от увеличаването на добива и в крайна сметка цените на лития са сравнително стабилни.
– Развитието на технологиите намалява съдържанието на литий, кобалт и никел в батериите, а напоследък и литият успешно се замества от натрий.
– Обемът на производството – колкото повече батерии се произвеждат, толкова по-евтини стават.

През последните 10 години цената за кВч на автомобилните батерии падна 5 пъти – от 732 на 151 USD и прогнозите са в следващите 5 години да падне до 50 USD.
За 20 години броят цикли нарасна 4 пъти, капацитетът – 5 пъти, а цената падна 5 пъти. Следователно тяхната ефективност е нараснала 100 пъти и продължава да расте, подтиквана от растящия екологичен и икономически интерес.А тепърва предстои бурно развитие в областа на стационарните батерии.

До тук споменахме само традиционните литиево-йонни батерии, а междувременно непрекъснато на пазара излизат много нови и все по-ефективни батерии с най-различен химически състав.

LiFePO4 батерии

Те използват значително по-малко литий, предоставят 10-20 % по-нисък капацитет, но са 20-30% по-евтини и са устойчиви към температурни колебания. Освен това те могат постоянно да се зареждат до 100% вместо обичайните 80 на литиево-йонните батерии без това да намалява живота им. Те вече масово вече навлязоха в базовите модели на електромобилите.

LMFP батерии

Това са хибридни батерии, съчетаващи положителните черти на класическите и LiFePO4 батериите, което увеличава капацитета им с близо 30% до 240 Вч/кг. Гигантът CATL заяви, че е вече е готов за производството им.

Na-йонни батерии

Натрият се намира точно под лития в химическата таблица на елементите и има доста сходни свойства. Литият е по-ефективен, но е по-податлив на кристализация, сравнително по-рядък е и съответно по-скъп. Натриевите батерии засега предлагат по-нисък капацитет с около 25-30%, но пък са много по-евтини, защото металът е в практически навсякъде около нас, дори и в морската вода. Освен това броят цикли „заряд – разряд“ се очаква да е над 2 пъти по-висок, поради което те се считат за най-перспективни в областта на съхраняване енергията от ВЕИ.

Накъде върви пазарът на електрохимическите батерии?

През миналата година бяха произведени 8 милиона електрически автомобили и при този тренд до 2030 година над 80% от всички новопроизведени автомобили ще са електрически. При средно 50 кВч батерия, това ще означава над 3 ТВч нов батериен капацитет годишно. А големите обеми са в стационарното съхранение, така че се очаква през 2030 година общата потребност да се достигне 10 ТВч. Всъщност, дотук повечето дългосрочни прогнози прогнози за електрификация на планетата се оказват твърде скромни. Така че нека стискаме палци и сега да стане така, за да можем по-скоро да се радваме на изцяло зелена планета с много и евтина енергия.

Ако ти е харесала тази статия, оцени я и я сподели с приятели и се абонирай за сайта, за да получаваш известия за нови материали.
А в следващата част ще продължим с гравитационните батерии.