Основные типы аккумуляторов, используемых в современных электромобилях, это литий-ионные (Li-ion) батареи. В рамках этого типа существуют различные химические составы, такие как: литий-железо-фосфатные (LFP), литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (Li-NMC) и литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные (Li-NCA). Перспективное направление — натрий-ионные аккумуляторы, а будущее за твердотельными накопителями.
Литий-ионные (Li-ion) батареи обладают высокой энергетической плотностью, долгим сроком службы и относительно быстрой зарядкой. Однако внутри этого класса есть несколько разных химических составов, каждый со своими характеристиками, плюсами и минусами.
Основные типы литий-ионных батарей для электромобилей
- Li-NMC (Литий-никель-марганец-кобальт-оксид)
Состав: LiNiMnCoO₂
Плотность энергии: 150–250 Вт·ч/кг
Напряжение элемента: 3,6–3,7 В
Срок службы: 1000–2000 циклов
Это тип литий-ионных аккумуляторов, в которых используются катоды, содержащие никель, марганец и кобальт. Эти батареи широко применяются в электромобилях, ноутбуках и других электронных устройствах.
Плюсы:
- Высокая плотность энергии (хороший запас хода);
- Хорошее соотношение мощности и долговечности, хорошая работа при различных температурах.
Минусы:
- Дороже, чем LFP, из-за кобальта;
- Чувствительность к перегреву (требуется система охлаждения);
- Потенциально являются более пожароопасными, чем LFP батареи;
- Ограниченный срок службы при глубоких разрядах.
Примеры применения: Tesla (Model 3, Y, S, X), BMW iX, Volkswagen ID.4, Hyundai Kona Electric и мн.др.
- LFP (Литий-железо-фосфатная батарея)
Состав: LiFePO₄
Плотность энергии: 90–160 Вт·ч/кг
Напряжение элемента: 3,2–3,3 В
Срок службы: 2000–5000 циклов
Представляют собой тип литий-ионных аккумуляторов, использующих фосфат железа в качестве катодного материала. Они отличаются повышенной безопасностью и увеличенным сроком службы.
Плюсы:
- Длительный срок службы (большее количество циклов зарядки-разрядки);
- Высокая термостабильность (меньше риска возгорания);
- Дешевле и экологичнее (нет кобальта и никеля);
- Можно заряжать до 100% без сильного вреда.
Минусы:
- Ниже энергетическая плотность (меньший запас хода при том же весе);
- Хуже работает на морозе;
- Меньшая мощность, чем у NMC-батарей, что ухудшает разгон и динамику.
Где применяется: Tesla Model 3 Standard Range, большинство китайских электромобилей нижнего и среднего ценового сегмента, в т.ч. BYD Blade.
NMC и LFP — это два основных современных типа литий-ионных батарей. LFP батареи обычно считаются более безопасными и долговечными, но имеют меньшую плотность энергии, чем NMC батареи.
- Li-NCA (Литий-никель-кобальт-алюминий-оксид)
Состав: LiNiCoAlO₂
Плотность энергии: 200–260 Вт·ч/кг
Напряжение элемента: 3,6 В
Срок службы: 500–1000 циклов
Это тип литий-ионных аккумуляторов, в которых катод изготовлен из сплава оксида лития, никеля, кобальта и алюминия. Используются в топ-версиях электромобилей благодаря высокой удельной энергии и мощности.
Плюсы:
- Самая высокая плотность энергии (максимальный запас хода);
- Высокая удельная мощность (быстрый разгон);
- Алюминий в составе катода повышает стабильность.
Минусы:
- Дорогой из-за кобальта и высокого содержания никеля
- Требуется строгий контроль за зарядом, разрядом и температурой (риск перегрева)
- Меньший срок службы, чем у NMC и LFP батарей
Где применяется: Tesla (Long Range, Performance и Plaid версии), Audi Q8 e-tron 55 quattro, Audi SQ8 e-tron.
Вывод:
- NMC/NCA — лучший выбор для премиальных электромобилей с большим запасом хода;
- LFP — идеальный выбор для бюджетных моделей и такси (долговечность и безопасность).
Тренды развития
- Уход от использования кобальта — переход на NMC 811 (80% никеля, 10% марганца, 10% кобальта) и LNMO-батареи (литий-никель-марганец-оксидные)
- Снижение стоимости — массовое производство LFP и натрий-ионных батарей (Na-ion) с натрием вместо лития
- Увеличение плотности энергии, повышение безопасности и морозоустойчивости — твердотельные батареи (solid-state battery, SSB)
Перспективные направления
- Натрий-ионные аккумуляторы (Na-ion)
Натрий-ионные аккумуляторы (Na-ion) рассматриваются как перспективная альтернатива литий-ионным аккумуляторам в электромобилях, благодаря более низкой стоимости материалов и потенциальной большей безопасности. Однако, на данный момент, у них более низкая плотность энергии, что обеспечивает меньший запас хода на одной зарядке по сравнению с литий-ионными аккумуляторами.
Принцип работы и структура
Как и литий-ионные, натрий-ионные аккумуляторы работают на перемещении ионов между катодом и анодом, но вместо лития используют натрий.
Основные компоненты:
- Катод: оксиды натрия (например, NaFePO₄, NaₓMnO₂);
- Анод: углеродные материалы (твердый углерод, графит) или натрий-титанатные составы;
- Электролит: солевой раствор (например, NaClO₄ в органическом растворителе).
Плотность энергии: 70–175 Вт·ч/кг
Напряжение элемента: 2,5–3,7 В
Срок службы: 1000–5000 циклов
Плюсы:
- Дешевизна – натрий добывается из поваренной соли (NaCl), его запасы практически неограничены;
- Безопасность – меньше склонны к перегреву и возгоранию, чем Li-ion;
- Работа на морозе – лучше переносят низкие температуры, чем LFP;
- Экологичность – нет токсичных металлов (кобальта, никеля);
- Долгий срок службы – до 5000 циклов (у лучших образцов еще больше).
Минусы:
- Низкая энергетическая плотность (~70–175 Вт·ч/кг против 150–250 у NMC);
- Меньшее напряжение (2,5–3,7 В против 3,2–3,7 у Li-ion) — требуется больше элементов;
- Больший размер и вес при той же емкости (не подходит для премиальных электромобилей);
- Медленная зарядка по сравнению с NMC.
Где будут применяться?
Бюджетные электромобили (например, китайские модели от BYD, JAC, Chery)
Электротранспорт (электровелосипеды, скутеры, автобусы)
Примеры:
батарея семейства Naxtra от CATL (плотность 175 Вт·ч/кг, 10 000 циклов зарядки/разрядки, стабильная работа при -40°C).
Перспективы натрий-ионных аккумуляторов:
- 2025: массовый выход на рынок бюджетных электромобилей;
- 2026–2030: улучшение плотности энергии (до 200 Вт·ч/кг);
- После 2030: возможен переход на натрий-металлические батареи с большей емкостью.
Вывод:
Na-ion аккумуляторы не заменят Li-ion в премиум-сегменте, но станут отличным решением для дешевых электромобилей и энергосетей. Их главные преимущества – цена, безопасность и долговечность.
- LNMO батареи (литий-никель-марганец-оксидные)
LNMO батареи для электромобилей являются перспективным типом аккумуляторов, который сочетает высокую энергоемкость с потенциальным отказом от использования кобальта. Они обещают достичь плотности энергии, сопоставимой с NMC батареями, но без использования кобальта, что снижает стоимость и экологические риски. Эти батареи могут стать альтернативой для спортивных электромобилей и гибридов, где важны быстрая зарядка и высокая энергоэффективность.
Состав:
- Катод: LiNi₀.₅Mn₁.₅O₄ (никель + марганец в шпинельной структуре);
- Анод: обычно графит или кремний-углеродные композиты;
- Электролит: специальные стабильные составы (например, с добавками фтора).
Плотность энергии: 120–150 Вт·ч/кг
Напряжение элемента: ~4,7 В
Срок службы: 500–1500 циклов
LNMO относится к высоковольтным литий-ионным аккумуляторам (работает при ~4,7 В против 3,6–3,7 В у NMC).
Плюсы LNMO:
- Высокое напряжение (~4,7 В) – меньше элементов в батарее для той же емкости;
- Быстрая зарядка – подходит для спорткаров и коммерческого транспорта;
- Хорошая удельная мощность – лучше динамика разгона, чем у LFP;
- Высокая стабильность, схожая с LFP батареями;
- Дешевле NMC/NCA – нет кобальта, меньше никеля;
- Экологичнее – отсутствие токсичного кобальта.
Минусы:
- Низкая энергетическая плотность (120–150 Вт·ч/кг) – меньше запаса хода, чем у NMC;
- Деградация при высоких напряжениях – требуется стабильный электролит;
- Ограниченный срок службы (500–1500 циклов) – пока уступает LFP и NMC;
- Проблемы с совместимостью анодов – графит быстро разрушается при 4,7 В, нужны новые материалы (например, Li₄Ti₅O₁₂).
Где могут применяться?
Спортивные электромобили (быстрая зарядка и мощность важнее запаса хода)
Гибриды (PHEV) – где важна мощная рекуперация и быстрый разгон
Промышленная техника – погрузчики, электробусы
Производители:
- Porsche, BMW, Mercedes-Benz и Renault (модель Austral Electric) исследуют LNMO для высокопроизводительных авто;
- Samsung SDI и LG Energy Solution разрабатывают коммерческие версии.
Вывод
LNMO – это не замена NMC или LFP, а специализированное решение для случаев, где важны:
- скорость зарядки;
- мощность;
- стоимость (отсутствие кобальта, меньше никеля).
Если технологии улучшат долговечность, LNMO может занять нишу между LFP и NMC.
Сравнение основных типов аккумуляторов
| Параметр | NMC | NCA | LFP | Na-ion | LNMO |
|---|---|---|---|---|---|
| Плотность энергии | 150–250 Вт·ч/кг | 200–260 Вт·ч/кг | 90–160 Вт·ч/кг | 70–160 Вт·ч/кг | 120–150 Вт·ч/кг |
| Напряжение элемента | 3,6–3,7 В | 3,6 В | 3,2–3,3 В | 2,5–3,7 В | ~4,7 В |
| Срок службы | 1000–2000 циклов | 500–1000 циклов | 2000–5000 циклов | 1000–5000 циклов | 500–1500 циклов |
| Мощность (удельная) | Средняя | Высокая | Низкая | Низкая | Высокая |
| Скорость зарядки | Быстрая | Быстрая | Средняя | Средняя | Очень быстрая |
| Работа на морозе | Средняя | Средняя | Плохая | Хорошая | Средняя |
| Рабочая температура | -20°C до +50°C | -20°C до +45°C | -20°C до +60°C | -40°C до +60°C | -20°C до +60°C |
| Безопасность | Средняя | Низкая | Высокая | Высокая | Средняя |
| Стоимость | Высокая | Очень высокая | Низкая | На 20–40% дешевле NMC | Ниже NMC (нет Co) |
Твердотельные батареи (Solid-State Batteries, SSB)
Твердотельные батареи для электромобилей обещают революцию в этой отрасли благодаря своей высокой плотности энергии, безопасности и потенциально более длительному сроку службы по сравнению с традиционными литий-ионными аккумуляторами. Однако, несмотря на эти преимущества, существуют проблемы с производством и стабильностью, которые необходимо решить для широкого внедрения.
Основные компоненты:
- катод (обычно NMC, NCA или сульфидные материалы);
- анод (литий-металлический, кремний или графит);
- твердый электролит (керамика, полимеры или сульфидные составы).
Принцип работы:
Как и в обычных литий-ионных аккумуляторов, ионы лития движутся между катодом и анодом, но:
- нет жидкого электролита – нет риска утечек и возгораний;
- возможность использования литий-металлического анода – выше плотность энергии.
Плотность энергии: 300–500 Вт·ч/кг
Срок службы: 1000–5000 циклов
Безопасность: не горят
Рабочая температура: -30°C до +100°C
Преимущества твердотельных батарей:
- Высокая энергоемкость (в 2–3 раза больше, чем у Li-ion) – больше запас хода;
- Быстрая зарядка (как заправка авто с ДВС);
- Безопасность – нет риска утечек, возгораний и взрывов;
- Долгий срок службы – меньше деградации;
- Работа в экстремальных температурах – лучше переносят мороз и жару.
Проблемы и недостатки:
- Высокая стоимость – сложное производство (пока дороже Li-ion в 2–3 раза);
- Технологические сложности – хрупкость керамики, проблемы с контактом электродов;
- Медленный выход на рынок – массовое производство ожидается только к 2030 г.
Кто разрабатывает SSB?
Производители батарей:
- CATL, BYD, CALB, SVOLT, EVE Energy и др. (Китай);
- QuantumScape (США) – керамический электролит;
- Solid Power (США) – сульфидные электролиты;
- Farasis Energy (США)
Автопроизводители:
- BYD, SAIC, GAC, Chery, Changan (Китай);
- Toyota – планирует выпустить электромобиль на SSB к 2030;
- BMW – партнерство с Solid Power, тесты с 2025;
- Volkswagen – инвестиции в QuantumScape.
Когда ждать массового внедрения?
- 2026-2027: мелкосерийный выпуск (CATL, BYD, EVE);
- 2027–2030: первые серийные авто (BYD, SAIC, Chery, GAC, Changan);
- 2030: снижение цены и выход на массовый рынок.
