Кітай: тэхналогіі прэкурсораў для акумулятараў? 

Калі чуеш "кітайскія прэкурсоры для акумулятараў", першая думка - аб'ёмы, цэны, можа, нават капіраванне. Але за апошнія гадоў пяць-сем карціна моцна ўскладнілася. Многія да гэтага часу лічаць, што тут усё проста - узялі заходнія патэнты, маштабавалі, і гатова. На справе ж, калі капнуць у ланцужок стварэння кошту, асабліва ў вобласці матэрыялаў для літый-іённых і новых цвёрдацельных сістэм, відаць, што кітайскія гульцы ўжо не проста "робяць". Яны актыўна вядуць R&D, прычым часта ў напрамках, якія на Захадзе лічылі тупіковымі з-за высокага кошту працэсу. Але пра гэта пазней.

Ад ?зроблена ў Кітаі? да ?спраектавана ў Кітаі?: эвалюцыя падыходу

Раней, гадоў дзесяць таму, сапраўды, шмат што будавалася на рэверс-інжынірынгу. Закуплялі ўзоры літый-кабальтату (LCO), нікель-марганец-кабальтату (NMC), разбіралі, спрабавалі паўтарыць. Але чысціня, стабільнасць партый - гэта быў пастаянны кашмар. Памятаю, у 2015-2016 гадах размовы з тэхнолагамі на адной з пляцовак у Чаншы зводзіліся да аднаго: "параметры накшталт па спецыфікацыі, а батарэя на выхадзе дае роскід па ёмістасці ў 5-7%". Праблема была не ў формуле, а ў тонкасцях сінтэзу прэкурсораў - у кантролі над памерам часціц, марфалогіяй, зместам прымешак на ўзроўні ppm.

Зрух пачаўся, калі буйныя вытворцы батарэй, такія як CATL і BYD, сталі прад'яўляць цвёрдыя патрабаванні не проста да хімічнага складу, а да функцыянальных характарыстык матэрыялу. Ім патрэбен быў не проста нікель-кобальт-алюміній (NCA) парашок, а матэрыял з вызначанай сітаватасцю, якая забяспечвае лепшую іённую праводнасць у гатовым катодзе. Гэта прымусіла кампаніі-пастаўшчыкоў прэкурсораў ўкладвацца ў свае лабараторыі і пілотныя лініі. Тут ужо гаворка пайшла не аб капіяванні, а аб уласнай наладзе працэсаў – карботермическое аднаўленне, гидротермальный сінтэз, метады са-асаджэння з дакладным кантролем pH і тэмпературы.

Цікаўны кейс – развіццё ланцужкоў для NMC 811 (з высокім утрыманнем нікеля). Пагоня за высокай энергашчыльнасцю відавочная, але разам з нікелем растуць і праблемы – тэрмічная стабільнасць падае, катыённае зрушэнне ў слаістай структуры. Кітайскія інжынеры пайшлі не толькі па шляху легавання (дадаткі алюмінія, магнію), але і сталі эксперыментаваць з градыентным пакрыццём часціц прэкурсора - ядро ​​багацей нікелем для ёмістасці, а знешнія пласты ўзбагачаны марганцам або кобальтам для стабільнасці. Гэта патрабуе прэцызійнага кантролю на стадыі сінтэзу прэкурсора. Бачыў узоры ад аднаго пастаўшчыка з Сычуані - іх падыход да шматстадыйнага аблогі сапраўды ўражваў, хоць на той момант (пару гадоў таму) выхад прыдатнага на пілотнай лініі быў катастрафічна нізкім, каля 65%.

Дзе крыюцца рэальныя складанасці: не хімія, а інжынірынг

Многія факусуюцца на хімічных формулах, але галоўная бітва зараз ідзе ў хімічным інжынірынгу і маштабаванні. Можна ў лабараторыі атрымаць кілаграм выдатнага прэкурсора для LFP (літый-жалеза-фасфату) з аліўкавай структурай. Але калі спрабуеш маштабаваць да 10 тон у месяц, пачынаюцца цуды: агламерацыя часціц, нераўнамернае размеркаванне легіруючых элементаў, ваганні насыпной шчыльнасці. Гэта забівае эканоміку праекту.

Тут кітайскія кампаніі сталі праяўляць моцны бок - гнуткасць і хуткасць ітэрацый. У іх часта няма гіганцкіх, раз назаўжды пабудаваных заводаў. Ёсць модульныя пілотныя лініі, якія можна хутка пераналаджваць. Знаёмы тэхнолаг зChengdu Yizhi Technology Co.(гэта праектны інстытут, створаны Huaxi Technology) неяк распавядаў, што яны для аднаго еўрапейскага замоўца перакаштавалі тры розных канфігурацыі рэактара для сінтэзу прэкурсора сульфіднага электраліта (для цвёрдацельных батарэй), перш чым вышлі на прымальную чысціню прадукта. Іх сайтyzkjhx.ruдаволі скупы на дэталі, але па апісаннях праектаў відаць, што яны глыбока ўцягнутыя ў распрацоўку працэсаў менавіта? Пад ключ? - Ад лабараторыі да камерцыйнай вытворчасці.

Яшчэ адно балючае пытанне - сыравіна. Залежнасць ад імпарту кобальту і літыя нікуды не падзелася. Таму вялізныя намаганні накіраваны на два напрамкі: па-першае, глыбокую перапрацоўку і рэцыклінг, каб выціснуць максімум з другаснай сыравіны; па-другое, на распрацоўку матэрыялаў, якія зніжаюць гэтую залежнасць. Прарывам апошніх гадоў можна лічыць натрый-іённыя батарэі. І тут Кітай, здаецца, спрабуе захапіць ініцыятыву не толькі ў вытворчасці элементаў, але і ў стварэнні ланцужка прэкурсораў для іх - напрыклад, слаістай аксідаў або полианионных злучэнняў. CATL ужо анансавала камерцыйныя прадукты. Але калі казаць аб прэкурсорах, то ключавы выклік - стабільнасць і таннасць сінтэзу. Лабараторныя поспехі ёсць, але як будзе выглядаць танажная партыя? Пакуль што больш пытанняў, чым адказаў.

Цвёрдацельныя батарэі: новая гонка і старыя праблемы з прэкурсорамі

Вось дзе зараз самая цікавая, але і каламутная вобласць. Усе кажуць аб цвёрдацельных батарэях (SSB) як аб святым Граале. Але калі адысці ад хайпа, асноўная тэхнічная праблема - інтэрфейсы. Цвёрды электраліт (сульфідны, аксідны, палімерны) і электродны матэрыял павінны ідэальна кантактаваць. А гэта ўпіраецца зноў у прэкурсоры.

Для сульфідных электралітаў (напрыклад, Li₂S–P₂S₅сістэмы) патрэбныя высокачыстыя прэкурсоры, прычым сінтэз павінен ісці ў абсалютна інэртнай атмасферы - кісларод і вільгаць забіваюць усё. Кітайскія кампаніі, такія як той жа інстытут Chengdu Yizhi Technology, актыўна працуюць над метадамі цвёрдафазнага сінтэзу і механічнага легіравання ў прамысловых маштабах. Але галоўная загваздка - не сінтэз самога электраліта, а стварэнне прэкурсораў для кампазітных катодаў. Трэба раўнамерна вырабіць актыўны матэрыял (скажам, NMC) на часціцы сульфіднага электраліта, каб стварыць іённа-якая праводзіць матрыцу. Стандартныя метады змешвання не працуюць – атрымліваюцца "мёртвыя зоны". Рашэнне бачаць у распрацоўцы спецыялізаваных прэкурсораў, дзе патрэбная структура фарміруецца in situ, на стадыі сінтэзу. Чуў аб спробах выкарыстоўваць метады атамна-пластовага аблогі (ALD), адаптаваныя для масавай вытворчасці, але пакуль гэта дорага і павольна.

Правальная спроба, пра якую мала хто кажа, – гэта раннія праекты па аксідных электралітах тыпу LLZO (літый-лантан-цырконій-аксід). Матэрыял перспектыўны, але яго прэкурсоры патрабуюць высокатэмпературнага спякання (вышэй за 1200°C). Спрабавалі наладзіць сінтэз, але сутыкнуліся з гіганцкім выдаткам энергіі і праблемай кантролю стехиометрии літыя - ён проста знікае пры такіх тэмпературах. У выніку, шматлікія стартапы згарнулі ці замарозілі гэтыя кірункі, пераключыўшыся на сульфіды ці гібрыдныя сістэмы. Гэта добры прыклад, калі прыгожая лабараторная хімія сутыкаецца з непераадольнымі інжынерна-эканамічнымі бар'ерамі на ўзроўні прэкурсораў.

Погляд у будучыню: інтэграцыя ланцужкоў і экалогія

Трэнд, які стане вызначальным - гэта вертыкальная інтэграцыя. Буйныя гульцы накшталт CATL ці Gotion High-Tech ужо не проста купляюць прэкурсоры, а інвестуюць у сумесныя прадпрыемствы з іх вытворцамі або будуюць уласныя магутнасці. Навошта? Каб кантраляваць увесь ланцужок - ад сыравіны да гатовага электрода. Гэта дае магчымасць тонка аптымізаваць параметры пад пэўную архітэктуру ячэйкі (напрыклад, для таблетачных або вочак-мяшкоў).

Другая вялікая тэма - экалагічнасць. Еўрапейскія рэгулятары ўжо даўно ціснуць на тэму вугляроднага следа і адказнага забеспячэння. Для кітайскіх пастаўшчыкоў гэта не толькі пагроза, але і магчымасць. Бачу, як многія пачынаюць сертыфікаваць свае працэсы, укараняюць сістэмы рэцыклінгу растваральнікаў на вытворчасці прэкурсораў, працуюць над "зялёнымі"? метадамі сінтэзу - скажам, з выкарыстаннем менш таксічных аднаўляльнікаў або ў водных асяроддзях. Гэта ўжо не піяр, а суровая неабходнасць для выхаду на глабальныя рынкі. Кампанія Chengdu Yizhi Technology Co., Ltd., з яе статутным капіталам у 120 мільёнаў юаняў і статутам праектнага інстытута, як раз з тых, хто можа прапаноўваць кліентам не проста прадукт, а тэхналогію з пралічаным экалагічным і эканамічным балансам.

І апошняе. Не варта чакаць нейкага аднаго "забойчага"? прарыву ў хіміі прэкурсораў. Эвалюцыя будзе паступовай: паляпшэнне чысціні на 0,5%, зніжэнне кошту сінтэзу на 3%, павелічэнне тэрміну захоўвання матэрыялу на паветры. Менавіта ў гэтай карпатлівай, нябачнай з боку працы - кантроль над тысячамі параметраў, ітэрацыі на пілотных лініях, вырашэнне праблем маштабавання - і заключаецца сённяшняе і заўтрашняе лідэрства Кітая ў гэтай галіне. Яны ўжо прайшлі шлях ад пераймальнікаў да сур'ёзных канкурэнтаў у інжынірынгу працэсаў. Наступны крок - магчыма, стаць заканадаўцамі мод у праектаванні саміх матэрыялаў, але для гэтага патрэбныя фундаментальныя адкрыцці. А яны здараюцца не па графіку.