Sparčios naujų energetinių transporto priemonių ir energijos kaupimo technologijų plėtros eroje akumuliatorių technologijos pasirinkimas tiesiogiai nulemia gaminių konkurencingumą rinkoje. Nors nikelio -metalo hidrido (NiMH) akumuliatoriai užsitikrino vietą hibridinių transporto priemonių rinkoje dėl savo saugumo ir brandaus pritaikymo, nuodugni jų techninių charakteristikų ir rinkos veikimo analizė atskleidžia, kad dėl pagrindinių trūkumų, tokių kaip mažas energijos tankis, didelės sąnaudos ir reikšmingas našumo pablogėjimas, jiems buvo sunku patenkinti neatidėliotinus pramoninių energijos taupymo sprendimų poreikius programas. Šiame straipsnyje bus sistemingai analizuojami NiMH baterijų apribojimai iš trijų aspektų: technologiniai principai, pramoninis pritaikymas ir rinkos tendencijos.
1. Energijos tankis: pagrindinis kliūtis ribojantis diapazonas ir lengvas dizainas
NiMH baterijų energijos tankis yra tik 70-100 Wh/kg, daug mažesnis nei ličio jonų akumuliatorių (LIB), kuris yra 200–300 Wh/kg. Šis atotrūkis ypač kenkia elektromobilių (EV) sektoriui: kaip pavyzdį paėmus Toyota Prius, jo NiMH akumuliatorius sveria daugiau nei 130 kilogramų, tačiau gali tiekti tik 1,6 kWh naudojamos elektros energijos, o tai riboja transporto priemonės važiavimo atstumą. Priešingai, Tesla Model 3 naudojamo LIB paketo energijos tankis yra 260 Wh/kg, todėl jis gali sukaupti daugiau nei tris kartus daugiau elektros energijos pagal tą patį svorį ir tiesiogiai palaiko daugiau nei 600 kilometrų važiavimo atstumą.
Energijos tankio trūkumas taip pat apima nešiojamųjų elektroninių prietaisų sritį. Tam tikros prekės ženklo skaitmeniniams fotoaparatams, jei naudojami NiMH baterijos, reikia keturių AA- tipo baterijų (iš viso sveriančių maždaug 100 gramų), kad būtų galima fotografuoti 800 nuotraukų. Tačiau vienas 3,7 V LIB (sveriantis apie 30 gramų) gali pasiekti tokį patį našumą. Dėl šio skirtumo išmaniųjų telefonų, dronų ir kitose plataus vartojimo elektronikos rinkose, kurios yra jautrios svoriui, laipsniškai atsisakoma{8}}NiMH baterijų.
2. Sąnaudų struktūra: dviguba materialinės priklausomybės ir masto efektų dilema
Nors NiMH baterijų vieneto kaina yra mažesnė nei LIB, jų pranašumas bendrų gyvavimo ciklo sąnaudų atžvilgiu mažėja. Pagrindinės priežastys yra šios:
Priklausomybė nuo retųjų žemių medžiagų: neigiamo elektrodo vandenilio saugojimo lydiniui reikalingi retųjų žemių elementai, tokie kaip lantanas ir ceris, kurių kainoms didelę įtaką daro tarptautinės rinkos svyravimai. Per retųjų žemių kainų šuolį 2021 m. NiMH baterijų kaina per metus-palyginti- išaugo 40 proc., o LIBs pasiekė sąnaudų sumažinimą taikydami ličio geležies fosfato (LFP) technologiją.
Gamybos sudėtingumas: NiMH baterijų gamybai elektrodų dengimo ir lydinių sukepinimo procesai turi būti atliekami vakuuminėje aplinkoje, o investicijų į įrangą intensyvumas yra 1,8 karto didesnis nei LIB gamybos linijose. Dėl didelių fiksuotų išlaidų mažiems-gamintojams sunku būti pelningais, todėl pramonės koncentracija nuolat didėja.
Prasta perdirbimo ekonomika: Norint perdirbti NiMH baterijas, reikalinga profesionali įranga, skirta tvarkyti metalus, tokius kaip nikelis ir kobaltas, o perdirbimo išlaidos sudaro 25 % naujų baterijų kainos. Priešingai, LIB perdirbimas gali pasiekti daugiau nei 95% medžiagų regeneravimo naudojant „hidrometalurginę“ technologiją, o perdirbimo pelno marža yra 15–20%.
Hibridinių transporto priemonių sektoriuje NiMH baterijų paketų kaina išlieka net 600-800 USD už kWh, o tai 1,5 karto didesnė nei LIB paketų. Šis kainų trūkumas paskatino tokius automobilių gamintojus kaip „Hyundai“ ir „Honda“ palaipsniui pereiti prie LIB sprendimų savo naujos kartos hibridinėse sistemose.
3. Veikimo pablogėjimas: dvigubi atminties efekto ir temperatūros jautrumo pančiai
NiMH baterijų talpos sumažėjimo problema yra daug rimtesnė, nei rodo teoriniai duomenys:
Likutinės atminties efektas: Nors šiuolaikinės NiMH baterijos sumažino atminties efektą iki mažiau nei 5 % dėl sukepintos plokštės technologijos, jų talpa vis tiek sumažėja 30 % greičiau nei LIB, esant dažnam mažo įkrovimo{2}}iškrovimui (pvz., su pertrūkiais naudojant elektrinius įrankius). Praktinis bandymas su tam tikros markės elektriniu gręžtuvu rodo, kad NiMH baterijų talpos išlaikymo rodiklis po 500 ciklų yra tik 65%, o LIBs pasiekia 82% per tą patį laikotarpį.
Aukštos{0}}temperatūros našumo pablogėjimas: Esant 45 laipsniams, NiMH baterijų įkrovimo efektyvumas sumažėja 40%, o vidinė varža padidėja du kartus, todėl žymiai padidėja šilumos gamyba. Energijos kaupimo sistemos atvejo analizė rodo, kad NiMH baterijų blokų gedimų dažnis vasarą yra tris kartus didesnis nei žiemą, o LIB gali palaikyti optimalų 25–35 laipsnių temperatūrą, naudojant aušinimo skysčiu technologiją.
Didelis savaiminio{0}}iškrovimo rodiklis: NiMH baterijų talpa prarandama 10–30 %, kai yra visiškai įkrauta 28 dienas, o tai yra 2–3 kartus daugiau nei LIB. Dėl šios charakteristikos reikia dažnai įkrauti ir prižiūrėti NiMH baterijas atsarginės energijos ir saulės energijos kaupimo scenarijuose, o tai padidina veiklos sąnaudas.
4. Taikymo scenarijų mažinimas: pramonės perėjimas nuo pagrindinės srovės prie marginalizavimo
NiMH baterijų rinkos erdvę nuolat spaudžia LIB:
Automobilių sektorius: 2024 m. NiMH baterijų dalis parduodant pasaulinius hibridinius automobilius sumažėjo nuo 78 % 2019 m. iki 32 %, o LIB įrenginių dalis išaugo iki 68 %. Naujausios kartos Toyota Prius visiškai pritaikyti LIB sprendimai.
Buitinė elektronika: skaitmeninių fotoaparatų, žaidimų valdiklių ir kitų gaminių NiMH baterijų rinkos dalis sumažėjo nuo 45 % 2015 m. iki 8 % 2024 m., jas pakeitė LIB ir naujos kietojo kūno{4}}baterijos.
Energijos kaupimo sistemos: Esant tokiems scenarijams kaip skutimasis tinkle ir energijos kaupimas namuose, NiMH akumuliatoriams sunku patenkinti didelio masto energijos saugojimo poreikius dėl nepakankamo energijos tankio, o LIB pirmauja dėl sumažintų sąnaudų ir pailgėjusio ciklo naudojimo.
5. Riboti technologiniai proveržiai: materialinės naujovės negali įveikti fizinių ribų
Nors pramonė bandė pagerinti NiMH baterijų veikimą šiomis priemonėmis:
Nano{0}}kristaliniai vandenilio lydiniai: Sumažinus lydinio grūdėtumą iki nanometro lygio, vandenilio saugojimo talpa padidėja 15%, tačiau medžiagos kaina patrigubėja.
Kietojo{0}}kūno elektrolitai: Vietoj skystų elektrolitų naudojant polimerinius elektrolitus, savaiminio{0}}iškrovimo greitis sumažėja iki 5 % per mėnesį, tačiau sumažėjus joniniam laidumui, įkrovos -iškrovos efektyvumas sumažėja 20 %.
Akumuliatoriaus valdymo sistemos optimizavimas: Pailginus akumuliatoriaus tarnavimo laiką naudojant aktyvaus balansavimo technologiją, sistemos sąnaudos padidėja 40 %, todėl ją sunku reklamuoti dideliu mastu.
Šie patobulinimai nepalaužė fizinės ir cheminės NiMH baterijų esmės, o jų energijos tankio lubos (lemta) negalės konkuruoti su LIB.
Išvada: racionalūs pasirinkimai technologinėje iteracijoje
NiMH baterijų dilema atspindi pagrindinį dėsnį, reglamentuojantį energijos kaupimo technologijų plėtrą: bet kokio technologinio kelio kilimas ir kritimas iš esmės yra dinamiškas žaidimas tarp trijų pagrindinių energijos tankio, sąnaudų ir saugos elementų. LIB peržengus 350 Wh/kg energijos tankio ribą ir spartėjant kietojo kūno{2}}baterijų komercializavimui, NiMH baterijos slenka iš pagrindinių technologinių technologijų. Įmonėms, aklai laikantis esamų technologinių maršrutų, gali būti praleistos transformacijos galimybės; politikos formuotojams būtina apsisaugoti nuo netinkamo išteklių paskirstymo dėl pernelyg didelės pasenusių gamybos pajėgumų apsaugos. Tik laikantis technologijų evoliucijos dėsnio galima pasinaudoti iniciatyva naujame energijos revoliucijos etape.