Металлопрокат на Металл Торг.Ру

English version
Проект РВС - РВС-Металлы
  РЕГИСТРАЦИЯ
  НОВОСТИ
Рынка металлов
Новости компаний
Торговой системы
  АНАЛИТИКА
Черные металлы
Цветные металлы
Драгоценные металлы
Металлолом
Сырье
Статистика
МеталлСТАТ
Индекс цен России
Мировые цены
Цены на биржах
Вопрос месяца
Публикации
  МЕТАЛЛОТОРГОВЛЯ
Металлоторговля
Каталог
Прайс-листы
Доска объявлений  <<
Classified
Подшипники
ГОСТы и стандарты
Список должников
  ПОЛЬЗОВАТЕЛЯМ
Регистрация               <<
Подписка
Вопросы FAQ
Форумы
Биржа труда
Металлургический чат
Разделы
Информеры
Выставки
Реклама
Контакты
  РЕГИСТРАЦИЯ
  ПОИСК ПО САЙТУ


Цветные металлы

Новости Аналитика и цены Металлоторговля Доска объявлений Подписка Реклама


21.01.2011    Литий вместо свинца?



Ровно год назад состоялась настоящая автомобильная премьера лития. С января 2010 г. на рынок Германии поступили серийные литиево-ионные батареи для автомобилей по цене ?1904 за штуку, включая 19% НДС. То, что они в 10 раз дороже обычных свинцовых аккумуляторов, не особо смутило изготовителя – компанию Dr. Ing. hc F. Porsche AG из Штутгарта. Как можно догадаться из названия фирмы, новинка была предназначена для недешевых автомобилей «Порше» (скоростные модели 911 GT3, 911 GT 3 RS и Boxster Spyder).



Эти аккумуляторы под названием Motorsport предлагаются в качестве опции благодаря своей массе – менее 6 кг – что втрое легче, чем заменяемая свинцово-кислотная батарея. Кроме того, они вдвое меньше (ниже) стандартных стартерных батарей, но полностью совместимы по креплению и клеммам – токоподводам. То, что емкость нового литиево-ионного аккумулятора (18 А∙ч) оказалась также втрое ниже, чем у обычного, не смущает изготовителя.

Сообщается, что новинка не только сопоставима по эффективности с 60 А∙ч свинцового аккумулятора, но и во многом превосходит его. Напоминается, что у обычной батареи автомобиля фактически используется только треть ее емкости, а литиево-ионные батареи постоянно выдают до 100% своей емкости. Они перезаряжаются быстрее, имеют низкий уровень саморазряда, большее число циклов заряда-разряда, увеличенный срок службы батареи и т.д. и т.п. Для реализации всех этих преимуществ новый аккумулятор Porsche (помимо четырех литиево-ионных батарей) имеет встроенный электронный контроллер.

Информация о ходе продаж новинки не разглашается, но есть данные о применениях этого аккумулятора в других моделях скоростных автомобилей. Есть и автомобильное применение малых (пальчиковых) литиевых аккумуляторов. Например, малая автокомпания Tesla Motors (из Силиконовой долины в США) ставит в свои машины блок из 6831 (!) литиевой батарейки для массовой электроники.

Среди крупных производств отметим, что в августе 2010 г. японская компания Sanyo Electric завершила строительство завода по производству литиево-ионных аккумуляторных батарей в Касай (Kasai). Несмотря на то, что производственные мощности позволяют выпускать до 1 млн батарей в месяц, компания не справляется с поступающими заказами (на батареи для электромобилей Volkswagen и Suzuki). Сейчас Sanyo инвестирует в завод дополнительные $180 млн, чтобы увеличить его мощности в 2,5 раза. Она считает, что строительство второй производственной линии позволит компании занять лидирующие позиции на рынке этих аккумуляторов для автомобилей. Однако «на пятки» японцам уже наступает ряд схожих китайских производств.

Автопремьера и бурное внедрение серийных литиевых аккумуляторов примечательны весьма многим. Источники энергии, прочно занявшие свое место в бытовой электронике (мобильные телефоны, ноутбуки и т.п.), начали осваивать новый рынок, емкость которого почти в 100 раз больше. Насколько это все серьезно, надвигается ли дефицит лития и «закат эпохи свинца» – как раз и рассмотрит эта статья.

Металлы, батареи и аккумуляторы

Первым источникам электричества на основе химической реакции более 200 лет. Их применял, например, Алессандро Вольта, давший свое имя единице измерения напряжения.

С тех давних времен вся электрохимия применяет те или иные металлы как проводники электричества. Кроме того, металлы чаще прямо участвуют в реакции, отдавая электроны и превращаясь в другие соединения. Несколько сотен лет металл «безвозвратно» расходовался в гальванических элементах (как в электрических батарейках, сейчас называемых солевыми), отдавая электроэнергию. Двусторонний процесс обратимой реакции, допускающий разряд и заряд, был реализован в каких-либо устройствах много позднее.

Наиболее массовый современный аккумулятор – свинцово-кислотный – появился в 1859 г., и основной принцип действия (химическая реакция) не изменился с тех давних времен. Однако более 100 лет шли процессы совершенствования его параметров, и прежде всего – емкости и надежности. Емкость была повышена на порядок-два путем увеличения площади поверхности (фактически – объема свинца/оксида свинца), вовлекаемой в химические реакции. Достигается это уже классическим (помимо роста числа и площади электродов) методом – применением пористых поверхностей, пропитываемых электролитом. При этом основной проблемой надежности становится прежде всего сохранение прочности этих хрупких и нестабильных структур при сложнейших условиях эксплуатации и многократного заряда-разряда. Есть еще отдельные проблемы поляризации, пассивации («отравления») поверхностей и многое другое.

Отметим, что решение всех этих научно-технических вопросов должно достигаться в серийном производстве при сохранении приемлемых цен. Для свинцово-кислотных (как и для других аккумуляторов) на данный момент фактически произошло достижение сложнейшего компромисса между многими противоречивыми требованиями. Дальнейший прогресс настолько слаб, что можно говорить о пределе возможностей этих материалов и технологий.

Для более «молодых» типов аккумуляторов при всей их специфике ситуация схожая – нужен сложнейший компромисс. Над его достижением как раз бьются ученые (чаще химики и физики) и технологи (материаловеды и металловеды). В конечном итоге – работают конструкторы и инженеры над созданием автоматизированной технологической линии, в которой эти идеи будут реализованы.

Теперь – о том, на каком этапе находится литий, и о предельных возможностях литиево-ионных аккумуляторов. Естественно, в сравнении с конкурентами (табл. 1).



Данные таблицы следует прокомментировать. В теории литий, как самый легкий металл (масса атома – 7 у.е.), по отдаче тока на аноде намного эффективнее свинца (208 у.е.). Однако не в 30 раз, а только на порядок, поскольку атом свинца может отдать до 4 электронов, в отличие от одного электрона у лития. Но разработанные гальванические элементы с литием (с учетом процессов в электролите и на катоде) выдают втрое большее напряжение. Итог – теоретическая отдача на порядок большая, чем для свинцовых аккумуляторов. Однако реализация теории оказалась долгим и труднейшим процессом, уже занявшим более 40 лет.

Первое поколение элементов с литиевым анодом (как одноразовых батареек) дало отличные показатели по энергоемкости, нашло широкое применение, но продемонстрировало и низкую надежность. Причем для первых образцов литиевых аккумуляторов (1980-е гг.) эти проблемы еще более обострились.

Эволюция литиевых аккумуляторов

Попытка прямо использовать электроды из лития – химически активного щелочного металла – в недоработанных конструкциях серийных аккумуляторов привела к трагедиям. Производители называли нередкую реакцию «вентиляцией с выбросом пламени», пользователи – взрывом или пожаром. Десятки обожженных пользователей мобильных телефонов и ноутбуков выиграли громкие судебные процессы, а производители в начале 1990-х гг. отозвали десятки тысяч литиевых аккумуляторных батарей первого поколения.

Разработчикам, невзирая на заметные потери эффективности, пришлось отказаться от прямого применения металлического лития в этих устройствах. Через десяток лет в продаже появились литиево-ионные аккумуляторы с угольным анодом и катодом из оксида кобальта, позднее – с другими химическими соединениями. Далее появились встроенные системы электронного контроля режимов разряда и заряда.

Во втором поколении этих аккумуляторов литий участвовал в процессах преимущественно в безопасной ионной форме с внедрением (интеркаляцией) в безопасный пористый материал. При разряде литиево-ионного аккумулятора происходят деинтеркаляция лития из углеродного материала (на аноде) и интеркаляция лития в оксид (на катоде). При заряде аккумулятора процессы идут в обратном направлении. Формально в системе отсутствует металлический литий, а процессы разряда и заряда проявляются как перенос ионов лития с одного электрода на другой.

Современные литиево-ионные аккумуляторы выпускаются миллионными тиражами. Для них характерен углеродный анод, электролит сложного состава с солями лития, катод из LiCoO2 или LiFePO4 с микролегированием и специальной структурой (тип LFP). Кроме того, производство включает многие ноу-хау разработчиков и производителей. К примеру, американская A123 Systems, существующая только 10 лет, сообщает о более чем 120 патентах на эти технологии и широчайшем внедрении их на многих производствах, вплоть до Китая.

Сейчас литиево-ионные аккумуляторы достигают емкости 180 Вт∙ч/кг при рабочем напряжении около 3,5 В. Имеют очень высокие разрядные токи и малый саморазряд (около 5% в месяц). Интервал рабочих температур достиг диапазона от -20 до +60 °С, причем ряд производителей предлагает аккумуляторы, работоспособные до -40 °С. Типовой ресурс – до 1000 циклов разряда-заряда. Обслуживания при эксплуатации они не требуют. Итог – заметное превосходство перед конкурентами по емкости, но за соответствующую цену.

К очередному поколению литиевых аккумуляторов ряд производителей относит литиево-полимерные (Li-pol, Li-PO) батареи. Их разработка в 1970-х гг., нацеленная на увеличение надежности, применила сухой твердый полимерный электролит в виде пластиковой пленки, не проводящей электрический ток, но допускающей обмен ионами (электрически заряженными атомами или группами атомов). Фактически полимер заменил пористый сепаратор, пропитанный электролитом, у литиево-ионных аккумуляторов.

Эта конструкция резко упростила процесс производства, оказалась более безопасной, поскольку у нее отсутствует опасность внутренних замыканий и воспламенения. А главное, многим потребителям понравилась возможность получения тонких аккумуляторов, причем произвольной формы.

Однако ионные полимеры обладают весьма низкой электропроводностью, а аккумуляторы – малыми токами заряда-разряда, особенно при низких температурах. Компромисс был найден в гибридных конструкциях, где пористая полимерная матрица пропитывается жидкими или гелеобразными электролитами. Это частичный «возврат» к предыдущей конструкции (Li-ion) со всеми ее достоинствами и недостатками. Поэтому ряд специалистов объединяет полимерные и ионные литиевые аккумуляторы в одну группу.

Независимо от классификаций, потребительский спрос на литиевые аккумуляторы в последние десятилетия впечатляет, как сам прогресс их технологий.

К примеру, японский автоконцерн Toyota долгие годы весьма прохладно относился к литиевым батареям из-за их высоких цен, ненадежности, плохой устойчивости к морозам и перегревам. Он долгие годы применял в своих популярных гибридных автомобилях (например, в модели Toyota Prius) никель-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторы – со средними показателями между свинцом и литием. Однако в последнее время Toyota явно изменила свой взгляд: стратегический план компании Global Vision 2020 уже предусматривает разработку и применение в автомобилях литиево-ионных аккумуляторов.

Так что «штурм» литием всего мирового автопрома совсем не за горами.

Напомним, что выпуск автомобилей в мире по итогам 2010 г. прогнозируется в объеме около 72 млн штук, причем с таким же количеством новых аккумуляторов. Вдвое выше оценивается мировой рынок замены старых аккумуляторов, отслуживших свой ресурс. Итого – минимум 200 млн аккумуляторов в год. Если предположить, что рано или поздно состоится их массовая замена на литиевые батареи (со средним весом металла около 5 кг), то потребность в литии вырастет ровно на 1 млн т в год! Производство этого редкого металла придется нарастить минимум в 30 раз, что вызывает немало вопросов к рудной базе, к технологиям, к возможным ценам и т.д.

Рынок лития

За последние 20 лет добыча и производство лития в мире (в пересчете на металл) выросли в 5 раз при весьма умеренном росте цен (рис. 1).



Отметим, что точность данных USGS по литию не слишком высока (особенно по ценам) и порой противоречит другим источникам. Однако все тенденции показаны достаточно верно.

Позитивная динамика производства лития с темпами роста около 9,5% в год прежде всего опиралась на рост спроса со стороны производителей аккумуляторов бытовой электроники (мобильных телефонов, ноутбуков и т.п.). Потребности других (помимо аккумуляторов) областей применения лития – в производстве стекла и керамик, ряда смазочных материалов и полимеров – нарастали заметно медленнее, а в производстве алюминия – падали.

Стагнация производств в 1999–2003 гг. или заметный кризисный спад в 2009 г. несущественно повлияли на общемировую рыночную конъюнктуру лития. Отметим, что после добычи и рафинирования литий накапливается преимущественно в виде устойчивой к хранению соли (карбоната лития), что позволяет формировать заметные складские запасы металла.

Основными производителями литиевого сырья в мире являются австралийская Talison Minerals (около 65% руды) и чилийская Sociedad Quimica y Minera de Chile – SQM (до 60% литийсодержащих рассолов). Другими крупными производителями являются Cyprus Foote Minerals Co. и FMC (США – Аргентина), Minsal SA (Чили).

Отметим, что технология добычи лития из рассолов ряда соленых озер в последние годы выигрывает у добычи из полиметаллических руд как по рентабельности, так и по качеству продукта. Причем невзирая на меньшее содержание лития или проблемы с очисткой от магния. Преимущества рассолам дает более стабильный состав сырья и более производительная технология.

На сегодняшний день Чили имеет разведанные резервы лития в объеме 7,5 млн т и сохраняет лидерство в части сырья за счет двух предприятий по добыче литийсодержащих рассолов в области Салар-де-Атакама в высокогорных Андах. Кроме того, в Чили (г. Антофагаста) расположены крупнейшие предприятия по рафинированию лития (в виде карбоната). В частности, крупнейший завод компании SQM, который в последние 10 лет не раз модернизировался, а с 2009 г. нарастил мощности до 40 тыс. т карбоната лития в год. Фактически, контролируя основную добычу сырья, SQM растет в полном соответствии с увеличивающимся спросом на литий.

Конкуренты Чили в части хорошего литиевого сырья (Китай, Аргентина, Боливия) не дремлют. Китай с разведанными резервами более 500 тыс. т осуществляет в эти технологии как государственные, так и частные инвестиции. Более того, инвестирует за рубеж, например в Galaxy Resources Ltd (австралийская шахта Mt Cattlin).

Страны, более бедные бюджетом, ищут иностранные инвестиции. К примеру, в богатейшее месторождение Салар-де-Уйюни в Боливии. Однако его рассолы сильно обогащены магнием, требуют дополнительного рафинирования, поэтому стартовые инвестиции в боливийское производство рентабельного лития оцениваются в несколько миллиардов долларов США. Однако финансы неохотно идут в эту беднейшую страну, возглавляемую левым президентом Эво Моралесом. Более того, американское геологическое агентство (USGS) недавно вообще вычеркнуло Боливию из сводки стран, богатых литиевым сырьем.

США вообще болезненно относятся к теме лития (как и других редких металлов), имеющих стратегическое значение. Тем более – после заметной потери собственной добычи, окончательно проигравшей конкуренцию чилийской SQM на рубеже XX–XXI вв. Причина – почти трехкратный обвал мировых цен при запуске новых эффективных производств.

Ценообразование лития является достаточно сложным. На биржах и т.п. площадках этот металл не торгуется, а номенклатура применяемых соединений (с учетом их чистоты) насчитывает сотни наименований.

Основной товар на мировых рынках – карбонат лития (с содержанием металла свыше 18%) – чаще имеет технический уровень очистки. Его средние текущие цены близки к $7 за кг. Более чистый «аккумуляторный» карбонат (с содержанием примесей менее 0,05%) еще в прошлом году преодолел уровень $10 за кг и дорожает опережающими темпами. Металлический литий «аккумуляторного качества» в 8–10 раз дороже, т.е. приближается к порогу $100 за кг. Прочие соединения лития, применяемые в производстве аккумуляторов, торгуются в середине этого интервала в зависимости от чистоты продукта. При всех конъюнктурных колебаниях литий и его соединения дорожают сейчас со средними темпами инфляции, т.е. на 7–10% в год, не выше, ввиду нарастающей конкуренции производителей.

Это означает, что в 2011 г. мировой рынок лития и его соединений приблизится к общему объему около $3 млрд, причем как за счет роста цен, так и за счет роста объемов. И никто из аналитиков не сомневается в сохранении этой тенденции на многие годы. Рынок литиевых источников тока, в частности аккумуляторов, был и будет в несколько раз выше, чем рынок их основного сырья. Именно здесь, на высоких технологиях конечного производства аккумуляторов, и создается главная добавочная стоимость этого рынка.

На фоне роста и перспектив внедрения в автопроме ряд специалистов заговорили о возможности возникновения быстрого дефицита мировых ресурсов лития как сравнительно редкого металла. Мы не согласны с этим заключением. Даже разведанных запасов лития хватит на сотни лет при существующем и на многие десятки лет – при максимальном потреблении. В резерве – повышение КПД литиевых аккумуляторов, полный рециклинг металла из батарей и многое другое.

Мы также не согласны со слишком оптимистичными прогнозами роста применения литиевых батарей как замены свинцовым и никелевым аккумуляторам. Динамика производства и цен свинца в мире (рис. 2) чуть уступает литию, но тенденция выглядит весьма позитивно.



Для России с ее морозами автомобильное применение лучших литиево-полимерных батарей невозможно в принципе, а литиево-ионных – весьма ограниченно. Для самого динамичного авторынка в мире – китайского – литиевые аккумуляторы выглядят избыточно дорогими.

Даже в прогрессивной Японии автоконцерны и производители электроники не спешат «класть все яйца в одну корзину». Помимо сохранения массового производства и применения свинцово-кислотных аккумуляторов они вкладывают огромные инвестиции в совершенствование и производство других, например никелевых (Ni-MH), аккумуляторов.

Компания Toshiba ведет строительство в г. Касивадзаки (преф. Ниигата) своего второго завода по производству никелевых аккумуляторов стоимостью около $274 млн. Планируется, что с весны 2011 г. завод будет поставлять безопасные модули типа SCiB с повышенным сроком службы. По данным Toshiba, они обладают лучшей термической стабильностью по сравнению с литиевыми модулями, рассчитаны на рекордные 6000 циклов заряда-разряда и на ускоренную подзарядку за 30 мин.

Не исключены для аккумуляторов и научно-технологические сюрпризы. К примеру, 11 января Bloomberg сообщило, что ученые и инженеры Toyota в Энн-Арборе (США) разрабатывают принципиально новый вид электрических батарей, в которых литий будет заменен соединением магния и серы. Проект, предположительно, будет завершен к 2020 г.

И естественно, все специалисты ждут прогресса свойств и удешевления самих литиевых батарей. Сейчас они, в борьбе за безопасность, имеют весьма незначительное (около 5%) количество активного компонента – лития. Он фактически «разбавлен» в форму карбоната или других безопасных соединений, незначительно внедрен в матрицы электродов, сепараторов или ионообменных полимерных пленок. Так что направлений совершенствования этих материалов и сложных конструкций (с ростом фактического КПД) предостаточно.

Осталось уточнить позиции нашей страны в этой всемирной моде на литий.

Перспективы, касающиеся России

На примере лития можно проверить практически все стереотипы и легенды, привычные для нашей страны, начиная с «богатейших ресурсов» вплоть до «научного потенциала».

Литийсодержащее сырье в нашей стране, безусловно, есть, однако не слишком качественное и весьма рассеянное, по мировым меркам. Лучший анализ возможностей добычи лития и его соединений в РФ несколько лет назад проделали сибирские ученые в рамках междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН «Технологии переработки нетрадиционных источников литиевого сырья: новые технологии и материалы, геолого-экономические и экологические аспекты (литий России)».

Они пришли к выводу о предпочтительности переработки литиеносного гидроминерального сырья (ЛГМС), или рассолов. Ученые Института химии твердого тела и механохимии СО РАН и ЗАО «Экостар-Наутех» отметили выгодность применения рассолов хлоридно-кальциевого типа Ковыктинского и других нефтегазовых месторождений (Иркутская область), имеющих высокие концентрации лития, однако не смогли оценить достаточно точно размер этих запасов. А специалисты Института экономики и организации промышленного производства СО РАН показали необходимость комплексной переработки этого сырья для достижения рентабельности и конкурентоспособности производства. Кроме карбоната лития предложено извлекать из рассолов бром, магний и многое другое, вплоть до основы буровых растворов и противогололедных материалов. Однако в нашей стране нет оборудования, технологий и опыта такого производства. Тем более – многомиллиардных инвестиций в него с окупаемостью в 20 лет.

Напомним, что даже отлаженная цепочка переработки сырья в набор разнородных конечных продуктов идет в современной России крайне сложно. Такой комплекс в Пикалево (с получением бокситов, цемента и фосфорных удобрений) остановился ввиду малой рентабельности и конфликта трех собственников по вопросу цен. В итоге произошла знаменитая история, когда Владимиру Путину пришлось «лично определить цены» каждому, заставить ее участников подписать договоры, а далее – «вернуть ему авторучку».

Так что итоги проработки проекта «Литий России» остались на бумаге и оказались неспособны воплотиться в реальные шаги по созданию сырьевого производства.

Через несколько лет «с другого конца» подступилась к литию корпорация «Роснано». Страдая от нехватки продукции, «выпущенной с применением нанотехнологий» в РФ, она решила не тратиться на разработки, а сразу построить готовое производство конечной продукции. За 13,8 млрд руб. корпорация планирует построить в Новосибирске завод литиево-ионных батарей, включающий 4 производственные линии китайской компании Thunder Sky. Причем большую часть финансовых инвестиций оплачивает «Роснано», а Thunder Sky инвестирует 2,2 млрд руб. преимущественно в виде технологий и интеллектуальной собственности. Первую очередь завода планируется запустить уже в 2011 г.

Работать этот завод, очевидно, будет на импортном сырье, причем по адаптированной для России китайской технологии (в свою очередь позаимствованной на Западе). Поэтому есть сомнения в конкурентоспособности его продукции: как в части качества, так и в отношении цены. Но «Роснано» это не пугает, потому что Thunder Sky обещает вывозить большую часть литиевых батарей обратно в Китай.

Естественно, что российскому «научному потенциалу», даже если он еще жив, в этом проекте особой работы не предвидится.

Подводя итоги, отметим, что «литиевая революция» в аккумуляторном деле пока коснулась только бытовой электроники, а в остальном это весьма медленная эволюция. Но даже в ней заметной роли России не предвидится. Мы (в очередной раз) – только покупатели готовой продукции развитых стран. Или – всего китайского, включая технологии…

Пожалуйста, оцените этот материал


        Отлично (5)
        Хорошо (4)
        Удовлетворительно (3)
        Плохо (2)
        Очень плохо (1)


Результаты голосования здесь

Внимание!!! Копирование, перепечатка или распространение иным образом материалов, размещенных в разделах "Аналитика" сайта MetalTorg.Ru, возможна только с письменного разрешения редакции ©



Выставки и конференции по рынку металлов и металлопродукции