CC BY
53Статья поступила в редакцию 25.09.12. Ред. рег. № 1494
The article has entered in publishing office 25.09.12. Ed. reg. No. 1494
УДК 544.6.076.324.4:542.06
ОЦЕНКА СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ РЫНКА ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
2 3 3
М.В. Воробьева , О.Н. Ефимов , А.Л. Гусев ,
3 3 3
Ю.М. Шульга , Ю.В. Баскакова , В.В. Куршева
'Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева 125047 Москва, Миусская пл., д. 9 Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «ГИРЕДМЕТ»
119017 Москва, Б. Толмачевский пер., д. 5, стр. 1 3ООО НТЦ «ТАТА» 607181 Нижегородская обл., Саров, ул. Московская, д. 29.
Тел.: 8 (831-30) 6-31-7, e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 20.10.12 Заключение совета экспертов: 25.11.12 Принято к публикации: 29.11.12
На сегодняшний день современные химические источники тока, особенно промышленного и военного назначения, изготавливаются лишь в нескольких развитых странах (США, Франция, Япония, Германия).
С появлением литий-ионной электрохимической системы становится реальным воплощение мечты нескольких поколений ученых и специалистов о переводе автотранспорта на электротягу.
Последние автомобильные выставки в США, Европе, Японии и Китае показывают, что практически все ведущие автомобильные концерны проектируют и начинают производить гибридные автомобили и чистые электромобили.
Количество автомобилей в мире приближается к 1,5 миллиардам, и даже если только каждый десятый из них за несколько десятилетий будет заменен электромобилем с аккумуляторной батареей стоимостью 10-15 тыс. долларов, ясно, что в ближайшей перспективе рынок литий-ионных батарей составит триллионы долларов.
Рынок производства и потребления литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) самый прогрессивно развивающийся среди автономных источников питания. ЛИА широко применяются в военной технике, в медицине, измерительных и вычислительных приборах, в бытовых и промышленных электронных устройствах. Несмотря на большой объем производства ЛИА, проблема повышения их эффективности и удешевления до сих пор является весьма актуальной, о чем свидетельствует большое количество публикаций и конференций по этой тематике. Особенно это относится к проблемам улучшения качества материала положительного электрода (или катодного материала), среди которых следует выделить вопросы повышения его удельной емкости, расширения диапазона рабочих напряжений, а также уменьшения деградации материала при длительном циклировании [1, 2]. Весьма актуальной является также задача частичной замены токсичного и дорогостоящего кобальтата лития, который в основном используется в настоящее время в производстве.
Ключевые слова: катодный материал, литий-ионный источник тока, рынок литий-ионных источников тока, сегмент рынка, производители аккумуляторов.
А.А. Титов1
EVALUATION OF MODERN STATE OF THE LITHIUM-ION BATTERIES MARKET
A.A. Titov1 , M.V. Vorobjova2, O.N. Efimov3, A.L. Gusev3, Yu.M. Shulga3,
Yu.V. Baskakova3, V.V. Kursheva3
Mendeleev University of Chemical Technology of Russia 9 Miusskaya sq., Moscow, 125047, Russia 2Federal State Research and Design Institute of Raremetal Industry «GIREDMET» 5-1 B. Tolmachevsky lane, Moscow, 119017, Russia 3Scientific Technical Centre "TATA" 29 Moskovskaya str., Sarov, 607181, Russia Tel.: 8 (831-30) 6-31-7, e-mail: [email protected]
Referred: 20.10.12 Expertise: 25.11.12 Accepted: 29.11.12
Currently, modern chemical current sources, especially to industrial and military purpose, are being manufactured only in a few countries (USA, France, Japan, Germany).
With the appearance of lithium-ion electrochemical system it becomes real dream realization of transfer of vehicle to electric traction for several generations of scientists and engineers.
Recent car exhibitions in the U.S., Europe, Japan, and China show that almost all the leading auto-mobile concerns design and begin to produce hybrid vehicles and pure electric vehicles.
Jit ] гт1 I I у1, r-> - ' Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (116) 2012 Q э
J "),- j ц-Л © Научно-технический центр «ТАТА», 2012
The number of cars in the world is close to 1.5 billion, and even if only one in ten of them for a few decades will be replaced with a battery electric vehicle that costs of 10-15 thousand dollars, the market of lithium-ion batteries will amount trillions of dollars in the short term.
Market of the production and consumption of lithium-ion batteries is the most progressive among mode power supplies. Lithium-ion batteries are widely used in military applications, in medicine, the measuring and computing devices, in the home and industrial electronic devices. Despite the large volume of LIA, the problem of improving their efficiency and reducing the cost is still very relevant, as evidenced by the large number of publications and conferences on the subject. This particularly applies to the problem of improving the quality of the positive electrode material (or cathode material), of which you should single out the issues of raising its capacitivity, extending of voltage range, and reduce the material degradation during prolonged cycling [1, 2]. It is also highly relevant the task of partial replacement of toxic and expensive cobaltate lithium, which is mainly used today in production.
Keywords: cathode material, lithium-ion current sources, the market of lithium-ion current sources, market segment, battery producers.
Введение
Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) являются основными элементами питания современных устройств портативной электронной техники (ноутбуки, сотовые телефоны, цифровые фото- и видеокамеры, беспроводной инструмент). Емкость ЛИА находится в диапазоне от 0,5 до 10 Ач. Объем годового производства таких аккумуляторов составляет несколько миллиардов штук. Все современные ЛИА основаны на одной электрохимической системе: отрицательные электроды изготовлены из графита (или иного углеродного материала), положительные электроды - из литированного оксида кобальта, никеля или марганца, или из литированного фосфата железа, электролит представляет раствор соли лития в смешанном апротонном растворителе.
Основные характеристики современных ЛИА: удельная энергоемкость 150-200 Втч/кг, напряжение разряда 3,0-3,6 В, ресурс 500-2000 циклов.
Дальнейшее усовершенствование ЛИА возможно только при использовании новых электрохимических систем с более энергоемкими электродными материалами. Как общее правило, такие материалы должны быть наноструктурированными.
Развитие альтернативной энергетики невозможно без систем сохранения электроэнергии - Energy Storage System (ESS) на основе литий-ионных батарей. Системы сохранения электроэнергии позволяют стабилизировать получаемую от солнечных и ветряных станций электроэнергию, колеблющуюся в зависимости от облачности или силы ветра.
ЛИА на основе технологии Kokam наиболее подходят для этих целей, так как большая поверхность тончайших электродов позволяет им быстро принимать заряд и разряжаться большими токами.
С развитием альтернативной энергетики возрастает значение технологий хранения энергии.
Электроэнергия в энергосистеме должна быть потреблена тогда же, когда и произведена. Однако суточные колебания нагрузки на сети можно сглаживать, аккумулируя энергию в то время, когда образуются ее излишки, и используя ее в пиковые
периоды потребления. Чаще всего для этой цели используются гидроаккумулирующие станции. До недавнего времени роль таких станций в мировой электроэнергетике была относительно скромной. Однако в связи с повсеместным развитием альтернативной энергетики, отличающейся непостоянством, значение технологий хранения энергии резко возрастает.
Создание «умных сетей» (Smart Grid) в энергетике невозможно без систем накопления электроэнергии. Smart Grid - это построение интеллектуальной сети, позволяющей на фоне устаревания основных фондов и увеличения объемов потребления повысить рентабельность, надежность и безотказность работы, снизить потери в сетях. Это осуществимо за счет включения в традиционную энергетическую инфраструктуру предприятий возобновляемых источников энергии на базе литий-ионных батарей (комплекс мощных ESS), которые позволяют сглаживать пики напряжения и мгновенно отдавать в сеть энергию при ее недостаче.
Системы сохранения электроэнергии мощностью 5-25 кВт уже активно завоевывают рынок России. Они используются для обеспечения стабильным напряжением серверных центров, банковских терминалов, офисов, хирургических операционных и других ответственных объектов.
Применение литий-ионных батарей стало прорывом в создании электроинструмента из-за их легкого веса и высокого напряжения по сравнению с никель-кадмиевыми и никель-металлогидридными батареями. Кроме того, литий-ионные батареи - основа привода гибридных автомобилей и электромобилей.
ЛИА - это настоящее и будущее электроэнергетики. Их преимущества - высокая удельная энергия, безопасность и большой срок службы.
Характеристика производителей
В настоящее время литий-ионные батареи изготавливают свыше 100 мировых производителей. Несмотря на такое количество производителей, к 2015 г. прогнозируется увеличение объема производства как минимум вдвое.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (116) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Некоторые производители аккумуляторов имеют очень амбициозные планы по расширению. Это отражается уже сейчас так, что другие производители постепенно уходят с рынка. Поэтому для устойчивого развития рынка необходима его консолидация. В ходе консолидации ожидается, что на основном рынке останутся пять лучших производителей.
На данный момент лидерами на рынке являются: AESC (20%), LG Chem (15%), Panasonic/Sanyo (13%), A123 (11%) и SB LiMotive (9%).
Мировой рынок ЛИА для электрических транспортных средств является чрезвычайно динамичным. В свете недавно представленных электрических, гибридных и плагин-гибридных транспортных средств аналитики из Roland Berger предполагают к 2015 г. достижение рынком литий-ионных батарей суммы в 9 млрд долларов.
При этом ожидается массовая перенасыщенность рынка, что приведет к движению цен вниз. Также прогнозируется почти на сто процентов вероятная консолидация рынка и установление на нем мировых лидеров, которые будут контролировать около 70% объема литий-ионных батарей, продающихся в мире.
Таковы основные выводы международного исследования Roland Berger Strategy Consultants на рынке литий-ионных батарей для легковых автомобилей, легких и тяжелых коммерческих автомобилей и автобусов с электрическим и гибридным приводом. По оценке Roland Berger основная масса электрических транспортных средств к 2015 г. будет приходиться на легкий сегмент (легковые и легкие коммерческие автомобили) и будет составлять 85%.
При этом ожидаемый годовой объем производства электромобилей и гибридов к этому времени составит около 4 миллионов единиц в год.
Зарубежные производители ЛИА
Основными зарубежными производителями ЛИА являются: A123 Systems, Altair Nanotechnologies, Samsung SDI, Ener1 Battery Company, Dow Kokam, Saft Batteries, BYD, Valence Technology.
A123 Systems производит ячейки, аккумуляторные модули и готовые на их основе накопители энергии для транспорта, электроэнергетики и прочих потребителей. Литий-железофосфатные аккумуляторные батареи A123 создаются на основе оригинальной технологии Nanophosphate. Компания изготавливает аккумуляторные ячейки как в цилиндрическом, так и в призматическом корпусах.
Altair Nanotechnologies специализируется на производстве оригинального анодного материала из титаната лития (LTO), а также аккумуляторных модулей и накопителей энергии для электроэнергетики (основной рынок). В то же время изготовлением аккумуляторных ячеек для Altairnano занимаются два внешних производителя: корейские Kokam и Eig Ltd.
Samsung SDI также является заметным производителем: в 2010 г. мощности компании составили 960 млн литий-ионных ячеек в год (в основном для потребительской электроники). Кроме того, Samsung SDI поставляет накопители энергии для электроэнергетики. Предложения компании в этой сфере основываются на собственных крупноформатных литий-железофосфатных ячейках емкостью 50 Ач и варьируются от небольших хранилищ для распределительных сетей (Community Energy Storage - CES), до крупных накопителей энергии, способных оказывать системные услуги (ESS).
Ener1 Battery Company производит ЛИА и системы на их основе для транспорта, электроэнергетики и розничных потребителей. Производства расположены в США, в штате Индиана, и Корее.
Dow Kokam - совместное американо-южнокорейское предприятие, которое производит литий-полимерные ячейки, аккумуляторные модули и системы на их основе для транспорта, промышленности, оборонного комплекса. Компания располагает существенными производственными мощностями: 150 МВтч ячеек в год в Ю. Корее, 33 МВтч - в США (Миссури) и сборка 150 000 аккумуляторов в год (105 МВтч) во Франции. Кроме того, в 2012 г. планируется запуск в США (штат Мичиган) большого завода мощностью 1,2 ГВтч.
Saft Batteries на основе собственных ЛИА разработала контейнеризованные накопители Intensium Max, которые могут использоваться в электроэнергетике для поддержки работы возобновляемых источников энергии. Основа накопителей энергии - аккумуляторная цилиндрическая ячейка VL41M с катодом на основе оксида никеля. Несколько таких ячеек формируют аккумуляторный модуль, который и является основным элементом накопителя энергии.
BYD (Китай), производящая электромобили, солнечные батареи, инверторы и ЛИА, расширила свою продуктовую линейку в область накопителей энергии для электроэнергетики. Основой построения таких систем являются широкоформатные литий-железофосфатные ячейки (Fe-battery).
Российские производители
Несколько российских заводов производят ЛИА значительно меньшей емкости и уступающие по характеристикам аккумуляторам Лиотех: НПО ССК, АК Ригель, НИИХИТ-2, ОАО «НИАИ «Источник», ОАО Энергия.
ЛИА Лиотех значительно легче аналогов (свин-цово-цинковых, никель-металлгидридных и других типов батарей). Текущие характеристики предлагаемых к производству батарей существенно превосходят характеристики батарей, выпускаемых сейчас в России.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (116) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
НПО ССК совместно с Индийской корпорацией энергосберегающих технологий (ШР8С) разработала технологию изготовления литий-ионных модулей емкостью до 1000 А ч и напряжением до 300 В. Основой комплектования и коммутации таких батарейных сборок являются гальванические элементы емкостью 10-20 Ач.
АК Ригель выпускает ЛИА-модули емкостью до 260 Ач путем комплектования из аккумуляторных батарей емкостью 1,5-15 Ач. Технические показатели хуже, чем у конкурентов (см. табл. 1).
В начале декабря 2011 г. российско-китайское предприятие Лиотех закончило строительство и оснащение крупнейшего в мире завода литий-ионных батарей.
Завод площадью более 4 га начал работу на территории промышленно-логистического парка «ПНК-Толмачево» в пригороде Новосибирска.
Строительство заняло девять месяцев, инвестиции в проект превысили 13,5 млрд руб. По мнению экспертов, после выхода на полную мощность во второй половине 2013 года данное предприятие может занять долю 10-15% на мировом рынке ЛИА. Завод Лиотех будет производить батареи трех видов: на 200 А ч (LT-LYP 200), 300 А ч (LT-LYP 300) и 700 Ач (LT-LYP 700) с LiFePOzi-катодами, которые обеспечивают оптимальное соотношение цена/качество и дают неплохие показатели по энергетической плотности и устойчивости к окружающей температуре. Аккумуляторы Лиотех работают при температуре от -45°C до +65°C и заряжаются до 70% емкости за 20 минут при большой силе тока.
Таблица 1 Table 1
Сравнительные характеристики аккумуляторов Comparative characteristics of batteries
Производитель Емкость, А.ч Номинальное напряжение, В Ток разряда пост/имп Количество циклов Удельная энергоемкость, Втч/кг Температурный диапазон, °C
A123 Systems 20 3,3 1,3C/35C >1000 108 -30/+55
Altair Nano 50 2,3 6C/10C >3000 72 -40/+55
Ener1 Battery 16,7/40 3,3-3,7 0,5C/10C н/д 150 0/+45
Dow Kokam 5/200 3,6 2C/4C >800 125/185 0/+40
Saft Batteries 41 3,2 3C/8C >1500 136 -25/+60
BYD 40/1000 3,2 4C/40C >3000 100/120 -45/+85
International Battery 40/160 3,2 2C/5C >3000 88/97 0/+50
Valence Technology 40/138 12,8 2C/30C >2500 79/91 -10/+50
АК Ригель 15/260 3,6 0,2C/2C <1000 100/120 -30/+50
Плановая мощность нового завода составит более 1 ГВтч, или примерно миллион аккумуляторов в год, что позволит оснащать аккумуляторами около пяти тысяч электробусов в год. На новом предприятии будут работать 500 человек. О востребованности нового продукта на рынке говорит тот факт, что до момента запуска производства компания Лиотех уже имеет контракты на поставку батарей. Одним из основных потребителей новых аккумуляторов в России станет компания Мобэл, с которой уже заключен контракт на сумму 3 миллиарда рублей.
Анализ научно -информационных источников показал, что исследования по совершенствованию и созданию нового поколения ЛИА проводят многие зарубежные и отечественные коллективы. В частности, авторами данной статьи в рамках НИР (государственный контракт № 16.513.11.3038 от 12.04.2011)
была проведена успешная разработка технологии синтеза наноструктурированного кристаллического катодного материала на основе Li-Co оксида с пониженным содержанием кобальта (LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2), со сферической морфологией и размером частиц 2040 нм для высокоемких литий-ионных источников тока, а также разработка гель-полимерных электролитов, работоспособных в интервале температур от -20 °С до +60 °С.
Результаты испытаний макета литий-ионного источника тока ЛИИТ-4 с вариацией модификаций состава гель-электролита «Э-3038» и катодно-анодными парами LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 - ВЭН-280 и LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 - а-графит представлены в табл. 2. Конструктивное исполнение макета аккумулятора - цилиндрическое со спиральным блоком электродов.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (116) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Таблица 2
Результаты испытаний макета литий-ионного источника тока ЛИИТ-4
Table 2
The test results of lithium-ion source current ЛИИТ-4 prototype
Параметр Достигнутое значение
Удельная энергия, Вт-ч/кг 330
Удельная мощность, Вт/кг 150
Срок службы, лет 10
Ресурс, циклов (расч. методика) 5000
Диапазон рабочих температур, °С: по верхнему пределу по нижнему пределу +50 -20
Номинальное напряжение, В 3,7
Напряжение разомкнутой цепи, В 4,2
Ток разряда номинальный, мА 300
Ток разряда максимальный, мА 1000
Ток разряда импульсный, мА 1500
Номинальная разрядная емкость, мА-ч 1000
Начальная удельная разрядная мощность, мАч/г 173
Средняя потеря емкости за цикл, % 0,008
Из табл. 2 видно, что по своим характеристикам макет ЛИИТ-4 не уступает, а по ряду параметров превосходит лучшие мировые показатели.
После выполнения ОКР, направленной на разработку промышленных образцов катодного материала, электрохимической системы, ЛИА, на их основе будет создана серьезная конкуренция на мировом рынке ЛИИТ.
Выводы
Несмотря на большой объем производства ЛИА, проблема повышения их эффективности, качества, надежности и удешевления до сих пор является весьма актуальной, о чем свидетельствует большое количество публикаций и конференций по этой тематике. В качестве примера можно отметить, что из-за нештатных ситуаций на борту авиалайнеров, связанных с температурным режимом использования ЛИА, огромные финансовые потери несет в настоящее время фирма Боинг.
Особенно важной является проблема улучшения качества материала положительного электрода (катодного материала) и связанные с этой проблемой вопросы повышения удельной емкости катодного материала, расширения диапазона напряжений цик-лирования, уменьшения деградации материала при длительном циклировании.
Весьма актуальной является также задача частичной или полной замены токсичного и дорогостоящего кобальтата лития, который в основном используется в производстве.
Работа выполнена в рамках гос. программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (мероприятие 1.3 «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области индустрии наносистем и материалов») при финансовой поддержке государственного контракта № 16.513.11.3038 от 12.04.2011.
Список литературы
1. Титов А.А., Воробьева М.В., Гусев А.Л., Кур-шева В. В. Методы получения и контроля нанострук-турированного кристаллического катодного материала на основе Li-Co оксида с пониженным содержанием кобальта для высокоемких литий-ионных источников тока // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2011. № 12. С. 127-144.
2. Титов А.А., Воробьева М.В., Куршева В.В., Гусев А. Л. Перспективные катодные материалы для литий-ионных источников тока: преимущества и недостатки // Альтернативная энергетика и экология -ISJAEE. 2011. № 12. С. 112-126.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (116) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
