Какой металл используется для аккумуляторов электромобилей? 

Если говорить о металлах для электромобильных аккумуляторов, все сразу думают про литий. Но это лишь верхушка айсберга — реальная картина в производстве куда сложнее и зависит от химии ячейки, стоимости и даже геополитики. Здесь нет одного правильного ответа, есть компромиссы, которые мы ищем каждый день.

Литий — король, но не единственный

Да, основа — это литий. Но какой? Карбонат лития, гидроксид… Тут уже начинаются нюансы. В массовых NMC-аккумуляторах (никель-марганец-кобальт) литий работает в паре. Мы годами работали с поставщиками сырья и видели, как скачки цен на карбонат лития парализуют линии на недели. Иногда проще было найти альтернативу по химии, чем ждать.

Кстати, о кобальте. Многие думают, что от него уходят из-за этики. Это так, но не только. Его цена и волатильность — настоящая головная боль для планирования производства. Когда мы начинали проект для одного европейского заказчика, заложили в бюджет кобальт по одной цене, а к моменту запуска пилотной партии она выросла на 40%. Пришлось срочно пересматривать пропорции в сторону NCA (никель-кобальт-алюминий) и усиливать долю никеля.

Вот вам пример из практики: для компонентов силовых элементов мы иногда заказывали прецизионную обработку токосъёмников. Обращались, в том числе, в ООО Сямэнь Хуасиньронг промышленность и торговля. Их сайт metalmachining.ru указывает на опыт в области новых источников энергии, и по нашим запросам на прототипы алюминиевых корпусов для модулей они давали хорошие результаты по чистоте реза и стабильности размеров. Это важно, потому что любая стружка или неровность — потенциальный риск для изоляции.

Алюминий и медь — невидимые рабочие лошадки

Про аноды-катоды все говорят, а про токосборники — редко. А без меди и алюминия батарея просто не будет работать. Медь — для анодных токосборников, обычно фольга. Алюминий — для катодных. Казалось бы, всё просто.

Но тонкость в толщине и чистоте. Мы как-то получили партию алюминиевой фольги с микроскопическими отклонениями по толщине. В лаборатории тесты проходила, а на конвейере при сварке ультразвуком начался брак — нестабильный контакт. Оказалось, проблема в локальных микротолщинах, которые наш поставщик не отслеживал. Пришлось ужесточать спецификации и искать другого. Это та самая ?мелочь?, которая останавливает завод.

Алюминий также идёт на корпуса модулей и батарейных паков. Здесь уже нужны сплавы с определённой прочностью и теплопроводностью. Часто используют серии 6000. Обработка должна быть чистой, без заусенцев, чтобы не повредить сепаратор при сборке. Вот где как раз пригождается опыт компаний в точном машиностроении, тех же, что работают для аэрокосмической отрасли — требования к допускам схожие.

Никель — драйвер энергоёмкости и головная боль

Современный тренд — увеличивать содержание никеля в катоде. Это даёт большую энергоёмкость. Формулы NMC 811 (8 частей никеля) или даже 9-0.5-0.5 становятся мейнстримом. Но никель — палка о двух концах.

С одной стороны, это снижает зависимость от кобальта. С другой — высокая доля никеля усугубляет проблемы термической стабильности. Мы проводили циклы тестов для одной такой высоконикелевой ячейки. На бумаге — отлично, удельная энергия на высоте. Но при ускоренных испытаниях на старение при повышенной температуре деградация была заметно выше, чем у классической NMC 622. Пришлось усиливать систему термоконтроля в батарейном паке, что съело часть выигрыша в весе и стоимости.

Поставки никеля — тоже история. Не весь никель подходит для прекурсоров катодного материала (например, никельсульфата). Нужна высочайшая чистота. Конфликты и эмбарго могут в одночасье перекрыть канал. Поэтому сейчас многие крупные игроки заключают прямые долгосрочные контракты с рудниками, а не покупают на бирже.

Сталь, титан и другие ?вспомогательные? металлы

Корпус батарейного пакета — часто стальной, особенно для защиты от ударов. Но сталь тяжёлая. Идёт постоянный поиск компромисса между прочностью, весом и стоимостью. Для премиум-сегмента пробуют и алюминиевые сплавы, и даже композиты, но сталь пока вне конкуренции для массовых моделей из-за цены и отработанности технологий сварки.

Титан встречается реже, в основном в крепеже или специальных компонентах силовых шин, где нужна коррозионная стойкость и прочность при минимальном весе. Но его цена ограничивает применение штучными случаями, например, в гоночных электромобилях.

Ещё один момент — покрытия. Тот же алюминиевый корпус часто покрывают для лучшей коррозионной стойкости или электромагнитной совместимости. И здесь снова встаёт вопрос обработки поверхности перед нанесением покрытия. Некачественная подготовка — и покрытие отслаивается через полгода, открывая путь коррозии.

Будущее: натрий, кремний и возвращение к старому

Сейчас много шума вокруг натрий-ионных аккумуляторов. По сути, это замена литию. Технология обещает дешевизну и отсутствие дефицитных металлов. Мы тестировали ранние образцы. Пока что они проигрывают в энергоёмкости, но для стационарных накопителей или недорогих городских машин — перспектива есть. И здесь уже совсем другая металлургическая база.

Другое направление — аноды из кремния. Сам по себе кремний не металл, но его часто используют в сплаве с графитом или наносят на медную фольгу. Проблема в том, что кремний сильно расширяется при заряде, что может разрушать структуру анода. Решения ищут в композитных материалах и специальных связующих. Это больше вопрос материаловедения, но оно напрямую влияет на то, с какими металлами-партнёрами (та же медь) придётся работать.

Иногда будущее — это хорошо забытое старое. Скажем, LFP (литий-железо-фосфатные) аккумуляторы. В них нет никеля или кобальта, только литий, железо и фосфор. Они безопаснее, дешевле, но менее энергоёмки. И вот сейчас, на волне желания снизить стоимость и риски, они снова входят в моду. Tesla, например, активно их использует для стандартных моделей. Получается, иногда ?прорыв? — это грамотное применение старой, проверенной химии в новом контексте.

В общем, металл для аккумулятора — это не выбор, а баланс. Баланс между ёмкостью, безопасностью, стоимостью, доступностью сырья и даже политикой. И этот баланс каждый инженер и технолог ищет заново для каждой новой модели автомобиля. Готовых рецептов нет, есть опыт, тесты и иногда — неприятные сюрпризы на производственной линии, которые и учат больше всего.