Электромобили для многих людей по-прежнему связаны с проблемой имиджа. Возникают вопросы о «редких землях» в двигателях и о применении кобальта в аккумуляторе.

Тот факт, что ответы давно найдены, а работа над решениями ведется в головокружительном темпе, часто упускается из виду. Мы хотим представить обзор ситуации и создать ясность в вопросе редких земель, области их применения, а также в том, как автопроизводители со всего мира исследуют экологичные альтернативы и внедряют инновации.

Обзор глав

• Как редкие земли используются в автомобилях?
• Что участники мирового рынка делают для получения сырья более экологичным способом?
• Какие новые технологии будут применяться при производстве аккумуляторов?

Что такое «редкие земли» и как они используются в автомобилях?

Редкие земли не такие уж и редкие, как можно было бы предположить из названия. Существует всего 17 редкоземельных элементов, причем самый редкий из них (тулий) встречается все же чаще, чем золото. Для производства аккумуляторов электромобилей они не нужны, как мы уже объясняли в одной из статей. Однако редкие земли, например, неодим, действительно используются в производстве автомобилей, но не только там.

Без неодима невозможно представить повседневную жизнь. Он применяется при изготовлении плазменных телевизоров, жестких дисков, наушников; примерно 0,4 грамма содержится в каждом смартфоне.

Для автопроизводителей, независимо от конструкции, это один из важнейших элементов, потому что, среди прочего, необходим для электроники датчиков движения. Однако прежде всего он нужен для производства постоянных магнитов, используемых в двигателях электромобилей.

Постоянные магниты так популярны в производстве двигателей электромобилей, потому что повышают их эффективность (так называемые синхронные двигатели с постоянными магнитами, СДПМ). Их недостаток заключается в повышенной потере мощности при качении и в более низкой перегрузочной способности, которая ведет к снижению производительности. Альтернатива — синхронные двигатели с обмоткой возбуждения (СДОВ), которые не содержат постоянных магнитов и обладают большей мощностью, но требуют электрической энергии для создания магнитного поля.

Часто в контексте добычи «редких земель» упоминается кобальт, который однако не относится к редкоземельным элементам. Он обладает сверхпроводимостью и поддерживает высокое напряжение на катоде аккумулятора, тем самым повышая плотность энергии аккумулятора и скорость зарядки. Кобальт используется также при производстве автомобилей с ДВС: для очистки сырой нефти от сернистых соединений на нефтеперерабатывающем заводе, при закалке высокопрочной стали для производства двигателей и коробок передач.

Тем не менее, стоит обязательно упомянуть, что многие программы и разработки автопроизводителей нацелены на то, чтобы в будущем отказаться и от применения кобальта.

Что участники мирового рынка делают для получения сырья более экологичным способом?

Крупные потребители, такие как VW, BMW и Tesla осознают тот факт, что происхождение используемых материалов становится для клиентов все более важным аргументом при принятии решения о покупке.

Наблюдается тенденция к предпочтению синхронных двигателей с обмоткой возбуждения (СДОВ), в которых не используются редкоземельные элементы, такие как неодим. Причины заключаются в улучшении экологического баланса, а также в том, что большую часть добычи неодима контролирует Китай. Таким образом, отказ от неодима повышает независимость автопроизводителей в вопросах приобретения ресурсов.

То, что можно обойтись без редкоземельных элементов, уже сейчас доказывают модели BMW iX3 и VW 4x4-ID. В новой модели Ariya японского производителя Nissan также не будет редких земель. И французская компания Renault устанавливает в свою самую популярную модель Zoe синхронные двигатели с обмоткой возбуждения.

Какие технологии будут применяться при производстве аккумуляторов?

Будущее аккумуляторов электромобилей невероятно увлекательно, т. к. повсеместно возникают идеи по их совершенствованию. Принимая во внимание исследовательские проекты крупных производителей, дискуссии о применении сырьевых материалов, таких как кобальт, скоро останутся в прошлом.

Еще в прошлом году Tesla и Volkswagen объявили, что будут устанавливать в базовые модели (например, Tesla Model 3 SR+) литий-железо-фосфатные аккумуляторы, не содержащие кобальта. В моделях более высокого класса будет применятся комбинация никеля и марганца, что должно обеспечить очень продолжительный срок службы — до 10 000 полных циклов.

У BMW другой план: закупки компания организует самостоятельно и приобретает кобальт только из сертифицированных источников Австралии и Мексики.

Аккумулятор электромобиля большей частью состоит из лития, и его добычу тоже часто критикуют из-за якобы большого расхода воды. Однако необходимо рассмотреть количество расходуемой воды в контексте и принять во внимание, что в рамках «второй жизни» аккумуляторы используются еще очень долгое время и после этого могут быть полностью переработаны.

Для того чтобы полностью отказаться от лития, китайский поставщик CATL (Contemporary Amperex Technology Limited) представил новую конструкцию натрийионного аккумулятора. Ожидается, что он будет готов к выходу на рынок и поступит в массовое производство уже в 2023 году. Преимущества — экологичность, высокая мощность при низких температурах, способность к быстрой зарядке, безопасность и, конечно, низкая стоимость производства.

Австралийские исследователи решили пойти дальше и пытаются путем применения серы вместо кобальта и марганца создать аккумулятор с запасом хода 1000 километров. Уверенности прибавляет и тот факт, что такие компании, как IBM, Mercedes и Sidus, объединились для разработки метода производства аккумуляторов с использованием морских минералов вместо тяжелых металлов.
Чуть дальше в будущем находятся так называемые твердотельные аккумуляторы, которые и по запасу хода, и по безопасности, и по скорости зарядки намного превзойдут современные технологии. Renault, Mitsubishi, Nissan и Toyota объединили усилия и ведут интенсивные совместные исследования в области этой важнейшей инновации.