Война внизу. Литий, медь и глобальная битва за энергию для нашей жизни - Ernest Scheyder
Это изобретение помогло персональной электронике войти в обиход. Вскоре повсюду появились ноутбуки, мобильные телефоны и другие виды бытовой электроники, питающиеся от аккумуляторных батарей, изготовленных из металлов, которые можно использовать тысячи раз. И все же большинство потребителей в мире не обращали внимания на то, как сильно Периодическая таблица элементов влияет на их повседневную жизнь и, все больше, на их будущее. Хотя Организация Объединенных Наций объявила 2019 год Международным годом Периодической таблицы химических элементов в честь 150-летия создания Дмитрием Менделеевым этой легендарной таблицы, среднестатистический покупатель в универмаге с трудом сможет определить, что из ее составляющих входит в аккумулятор компьютера, автомобиль или солнечную батарею. Чуть более четверти американцев в ходе опроса 2019 года заявили, что никогда не слышали о редкоземельных элементах - важнейших материалах, используемых для создания магнитов, которые питают электромобили.
Когда Мартин Эберхард основал компанию Tesla Motors в 2003 году, литий-ионные аккумуляторы находились на задворках автомобильного сектора и рассматривались Ford, Chrysler и другими автогигантами как своего рода научный эксперимент. Элон Маск пришел в Tesla в следующем году и начал путь компании к выпуску своего первого автомобиля - Roadster - в 2008 году. Это был путь, включавший в себя партнерство с немецким концерном Daimler, японской Toyota и даже с правительством США, - извилистый путь, описан в книге "Войны автомобилей", написанной Джоном Фиалкой и рассказывающей о первых годах становления индустрии электромобилей.
С появлением электромобилей, в которых замена масла, подсчет миль на галлон, радиаторы и другие основные элементы двигателя внутреннего сгорания уходят в прошлое, потребителям все чаще приходится осваивать новый набор терминов, начиная со строения литий-ионного аккумулятора. Она состоит из четырех основных частей: анода, катода, электролита и сепаратора. Анод обычно изготавливается из графита. Катод изготавливается из лития и, в зависимости от конструкции, смеси никеля, марганца, кобальта или алюминия. Между ними находится раствор электролита, часто сделанный из лития, а между ними - сепаратор, состоящий из пластика. Внутри двигателя EV находится более километра медных проводов, которые помогают превратить энергию от батареи в движение. Когда батарея питает автомобиль или другое устройство, ионы лития проходят от анода через сепаратор к катоду. Во время зарядки процесс происходит в обратном направлении.
Мощность литий-ионного аккумулятора напрямую зависит от содержания в нем металла, но разобраться в разнице между киловаттами и киловатт-часами, когда многие за последние сто лет привыкли считать мощность автомобиля в "лошадиных силах", может показаться сложной задачей. Солнечные панели и ветряные турбины также вырабатывают электроэнергию в киловатт-часах.
Чтобы получить ответы, я попросил инженера-химика Национальной лаборатории Аргонна Шаббира Ахмеда помочь мне не только понять, сколько лития, меди, кобальта, никеля и других металлов идет на средний электромобиль, но и лучше понять язык электричества. Ахмед, который учился в Бангладешском университете инженерии и технологий, а затем получил докторскую степень в Университете Небраски, управляет аргоннским инструментом BatPaC, который помогает рассчитать материалы, необходимые для накопления энергии в батарее.
Киловатт - это скорость потока энергии, а киловатт-час - количество энергии. (В бензиновом двигателе скорость впрыска топлива может быть выражена в киловаттах, а количество бензина в топливном баке - в киловатт-часах). Чем больше батарея, тем больше ее емкость для хранения электроэнергии. Стандартная батарея Tesla Model 3 - самого популярного EV в мире в 2021 году - имеет емкость 55,4 кВт-ч, что означает, что она может обеспечить 55,4 киловатта энергии в течение одного часа. Скорость зарядки батареи зависит от самого зарядного устройства; типичная бытовая розетка заряжает примерно 1 кВт, то есть для зарядки Model 3 в этой аналогии потребуется около пятидесяти пяти часов. Но большинство коммерческих или общественных зарядных устройств работают гораздо быстрее - обычно 50 кВт, то есть на подзарядку этого автомобиля уйдет чуть больше часа. Некоторые зарядные устройства работают на мощности 250 кВт и более.
"Если вам нужно накопить больше энергии, значит, вам нужен более емкий аккумулятор. А чем больше батарея, тем больше запас хода", - объясняет Ахмед через Zoom, его длинные белые волосы напоминают Дока Брауна из фильма 1985 года "Назад в будущее". Неудивительно, что чем больше батарея, тем больше металлов вам нужно. В Model 3, объяснил Ахмед, на каждый кВт/ч расходуется 0,11 килограмма лития. (Один килограмм равен примерно 2,2 фунта.) Это означает, что для создания батареи Tesla емкостью 55,4 кВт/ч было использовано примерно 6 килограммов лития. По подсчетам Ахмеда, в ячейках этой батареи также содержится около 42 килограммов никеля, почти 8 килограммов кобальта, 8 килограммов алюминия, почти 55 килограммов графита и около 17 килограммов меди, а в других частях батареи алюминия и меди еще больше.
Однако проблема для американских автопроизводителей заключалась в том, что в США производилось очень мало этих металлов как раз в то время, когда электромобили и другие устройства, работающие на экологически чистой энергии, начали выходить на первый план. Коронавирус усилил эти опасения, еще раз подтвердив потребителям, насколько их повседневная жизнь зависит от таких товаров, как лекарства, одежда и энергия, которые были связаны с далеко расположенными производственными предприятиями, о чем говорится в книге Pandemic, Inc: Chasing the Capitalists and Thieves Who Got Rich While We Got Sick" ("В погоне за капиталистами и ворами, которые разбогатели, пока мы болели"), глубоком исследовании Дж. Дэвида Максуэйна, посвященном теневой финансовой составляющей правительственной реакции на COVID-19. Вторжение России в Украину еще больше усилило эти опасения.
Раньше энергетическая безопасность была связана с сырой нефтью и природным газом. Теперь это еще и литий, медь и другие EV-металлы.
Подумайте о следующем:
К 2023 году Чили и Австралия были крупнейшими в мире производителями лития, но переработка большей части этого металла в форму, пригодную для использования в батареях электромобилей, зависела от Китая. Две крупнейшие в мире литиевые компании - китайские, одна из которых также контролирует четверть акций своего чилийского конкурента SQM, производящего большую часть мирового лития в солончаках Атакама. Соединенные Штаты производят лишь небольшое количество лития на предприятии, впервые построенном в 1960-х годах, и
