Если вы проезжаете по обширному кампусу GM в Уоррене, штат Мичиган, вы, скорее всего, не обратите внимания на пару прилегающих, неприметных белых зданий, спрятанных в верхней части этой территории площадью 710 акров. Внутри этих зданий, которые вместе занимают полмиллиона квадратных футов, идет масштабный строительный проект. Когда он будет завершен, там разместится новый Центр разработки аккумуляторных элементов GM, где автопроизводитель активно работает над созданием новых прототипных элементов с целью снижения стоимости своих электромобилей.

GM нужно действовать быстрее и дешевле, чтобы достичь цели по продаже доступных электромобилей в существенно больших объемах. Эти электромобили должны будут конкурировать не только с давним лидером продаж Tesla, но и с наплывом китайских электромобилей, которые рано или поздно появятся в США. И хотя продажи электромобилей в США кажутся стабилизирующимися, стране еще далеко до того, чтобы всерьез конкурировать с Китаем — ведущим в мире рынком электромобилей.

Число покупателей, заинтересованных в новых и подержанных электромобилях, возросло, когда цены на бензин в этом году выросли на 40 процентов из‑за войны в Иране — но в основном это касалось моделей, дешевле среднего ценника в 50 000 долларов за новый автомобиль сегодня. Хотя после Tesla GM продает в США больше электромобилей, чем любая другая компания, большая часть его модельного ряда по-прежнему слишком дорога из‑за батарейного блока, который составляет 30–40 процентов общей стоимости.

Во время экскурсии в начале сентября, надев каску, защитные очки и сигнальный жилет, я изнутри увидел оборудование, которое GM будет использовать для производства этих новых, более дешевых аккумуляторов: огромные ванны для смешивания суспензии для ячеек, машины для нанесения электродного материала на пленку и оборудование для множества других этапов превращения минералов в элементы, которые накапливают и отдают энергию. Завод, который я посетил, будет малосерийной фабрикой, позволяющей инженерам прототипировать высокообъемное производство, которое предстоит большим, миллиардам стоящим фабрикам.

Новая стратегия GM

Новый объект показывает, что GM придерживается долгосрочной стратегии, работая над разработкой новых элементов, использующих меньше — или вовсе не использующих — минералов, которыми Китай контролирует мировые поставки. Хотя первоначальные НИОКР по большинству новых химий элементов были выполнены учеными в США, именно азиатские компании довели эти химии до промышленной зрелости и массового производства.

Пятнадцатилетняя китайская работа, приведшая страну к глобальному контролю поставок и переработки минералов, используемых в современных элементах, особенно кобальта, никеля и редкоземельных металлов, означает, что будущие элементы должны будут применять другие минералы, чтобы выйти из‑под доминирования Китая. Пример: новые LMR-элементы GM (литий-марганцово-богатые) используют очень мало кобальта и никеля. Второй пример: этой весной GM объявила о сотрудничестве со стартапом Peak Energy по натрий-ионным элементам для систем накопления энергии.

Выведение таких новых химий из лаборатории в массовое производство может занять десятилетия. Но у GM нет столько времени. Возможно, Китай уже будет продавать свои электромобили американцам к тому моменту. Инженеры по батареям компании уверены, что новый центр в тех неприметных зданиях в 15 милях к северу от Детройта сможет запускать новые химии и форматы элементов для электромобилей и систем накопления энергии быстрее, чем предсказывалось. Будущее компании будет зависеть от того, удастся ли им это.

Критически важный мост от лабораторий к производству

В июне главный по батареям GM Керт Келти сказал мне, что новый Центр разработки аккумуляторных элементов (BCDC) обеспечит «критически важный мост от лабораторий НИОКР к производству», сочетая виртуальное моделирование, физические испытательные возможности и малосерийные производственные линии. Цель — заполнить недостающую ступень между созданием и прототипированием новых элементов и их выводом в массовое производство.

Глава BCDC Мо Галлегос оценивает общую стоимость в 900 миллионов долларов. При максимальной мощности BCDC сможет производить 4–5 гигаватт-часов элементов. Но цель — не количество, а качество.

Внутри лаборатории площадью 500 000 квадратных футов я увидел большую часть оборудования, необходимого для изготовления элемента: от смешивания суспензии для покрытия, формирующей электрод, до зарядного оборудования, которое впервые заряжает готовую ячейку. Мини-фабрика будет использоваться для нескольких химий и форматов ячеек, начиная с призматических элементов. Ее задача — испытать промышленные производственные процессы изготовления элементов, подтвердить и оптимизировать производственные технологии и рецептуры до их внедрения в масштабе.

Хотя BCDC будет производить реальные рабочие элементы, он сделает это в значительно меньших объемах и с меньшей скоростью, чем производственные линии на полноразмерных заводах. Разработчики батарей GM затем передадут знания, полученные в ходе тестирования процессов, своим партнерам по производству элементов, которые доведут новые конструкции до серийного выпуска.

Партнеры по производству и установка BCDC

К ним, вероятно, будут относиться два завода Ultium Cells LLC — совместного предприятия по производству элементов между GM и его партнером LG Energy Solution. Первый завод в Уоррене, Огайо, открылся в 2022 году и производит крупноформатные пакетные элементы типа pouch на базе никель-марганец-кобальт-алюминиевой химии для модельного ряда GM (за исключением Bolt 2027 года). Второй, в Спринг-Хиллс, Теннесси, открылся в начале 2024 года и теперь выпускает элементы на базе литий-феррофосфата для систем накопления энергии.

Из двух зданий BCDC в первом расположены изготовление анодов и катодов по разные стороны, а сборка электродов — в центре. Мост транспортирует рулоны электродной пленки во второе здание, где элементы собирают, заряжают и тестируют в течение восьми–одиннадцати дней. Вторые этажи содержат запасы металлов, пленок и комплектующих, а также довольно мощную систему вентиляции и кондиционирования, чтобы поддерживать стерильность, отсутствие пыли и нужную температуру в процессах.

Планируется, что BCDC выпустит первые испытательные элементы — призматические LMR-ячейки — в четвертом квартале этого года. Но они не пойдут в серийное производство на заводе Ultium в Спринг-Хилле до 2028 года. После начала испытаний LMR он добавит натрий-ионные призматические элементы, которые разрабатывает для BESS со стартапом Peak Energy.

Этапы вывода элемента на рынок

Проблема, которую должен решить BCDC, — это пропасть между созданием новых химий на малом уровне и массовым производством в сотнях тысяч или миллионах экземпляров. Доведение их до коммерческого уровня означает понимание, как именно их строить; для этого требуется тестирование производственных процессов и методов, чтобы обеспечить качество готовых элементов и их количество.

Можно выделить четыре этапа вывода элемента на рынок: создание новой химии, тестирование ранних прототипов, выяснение, как ее производить, и затем наращивание объемов производства.

Первый этап десятилетиями сосредоточен в лаборатории НИОКР GM в Кеттеринге. Там разрабатывали и тестировали новые химии и элементы для пионерских проектов вроде EV1, для Chevrolet Volt 2011 года и химии LMR, которую компания планирует запустить в 2028 году. Но лаборатория ограничена проверкой химии по одной ячейке за раз, в «монетной» или маленьких пакетных форматах.

Второй этап GM перевела внутрь компании, открыв в 2023 году Центр инноваций по элементам Wallace. Эта лаборатория берет новые химии и масштабирует их в крупноформатные элементы до 200 ампер-часов. Wallace может изготавливать такие элементы малыми партиями — по нескольку десятков — проверяя, продолжит ли новая химия работать и оставаться практичной в ячейках, идентичных используемым в конечных продуктах.

Теперь третий этап пришел в BCDC, рядом с Wallace. Он будет использовать реальное оборудование для изготовления элементов и сборки батарей, чтобы выпускать тысячи ячеек в день — что в идеале обеспечит плавный рост производства на большем заводе. Центр построен с запасом площади, вдвое превышающим первоначально требовавшуюся, чтобы позволить будущую экспансию, поддержку нескольких химий и форматов ячеек.

Исторически вторые и третьи этапы выполняли производители батарей. Они составляли «недостающую звено» между новой химией и массовым производством — почти всегда за рубежом. Wallace и BCDC вместе дают GM почти 1 миллион квадратных футов площадей для разработки аккумуляторов. GM отказалась конкретизировать численность сотрудников на этих объектах, заявив, что она варьируется.

Четвертый и последний этап — коммерческое масштабное производство, будь то на Ultium Cells или других высокообъемных заводах.

Сравнение объемов и технологии

Чтобы сравнить масштабы этапов: лаборатория Кеттеринга может приготовить 1 литр суспензии для покрытия электродной пленки для тестирования отдельных ячеек. Лаборатория Wallace увеличивает это до 40 литров за раз. Теперь BCDC сможет производить 1 500–2 000 литров за один цикл в одном процессе — тогда как высокообъемные заводы будут одновременно запускать несколько десятков идентичных копий этого процесса, то есть на два порядка больше.

Прежде чем начнется любая физическая обработка, инженеры ячеек активно пользуются виртуализацией на всех этапах процесса. Гибкость в быстрой разработке и доработке новых конструкций обеспечивается использованием «цифровых двойников» для моделирования процессов задолго до того, как в дело войдет производственное оборудование, сказал Раду Тейюнни, директор GM по виртуальной инженерии в области глобальных приводных установок.

В автомобильной отрасли известный пример — использование CAD-софта для моделирования конструкций и реакции на столкновения. Долгие годы симуляции позволяют автопроизводителям ускорять инженерную работу и существенно сокращать число дорогих прототипов, которые неизбежно приходится разбивать для подтверждения их безопасности.

Аналогично, от внутреннего поведения новых химий до этапов производства каждого компонента — например, насколько тщательно молекулы смешиваются в «высокосдвиговом двойном планетарном смесителе» при производстве суспензии — время, сэкономленное за счет моделирования, может сократить на недели и месяцы график вывода новой ячейки из лаборатории на рынок.

Применение ИИ в разработках

В последнее время GM широко использует ИИ в различных моделях виртуализации. Опираясь на огромный массив данных о батареях за последние 10 лет, по словам Тейюнни, их большие языковые модели теперь предсказывают результаты десятков незначительных изменений химии и вариаций процесса гораздо быстрее, чем могла бы физическая отработка и тестирование. Эти прогнозы оказались крайне точными, когда их переносили в реальные прототипы, сказал он.

На уровне химии такое моделирование позволяет GM смоделировать «что произойдет, если добавить больше кремния, что будет, если снизить содержание кобальта», сказал Тейюнни. «Мы можем смоделировать это за пару дней», добавил Келти. Это позволяет компании по необходимости корректировать производственные процессы, а затем снова моделировать. Если эту работу выполнял бы производитель ячеек за рубежом, процесс мог занять месяцы.

Интенсивное моделирование смешения молекул в смесителях суспензий позволило GM сократить время смешивания вдвое по сравнению с рекомендованной отраслевой практикой, сказал Тейюнни, без влияния на качество или характеристики ячеек. В целом, по его словам, компания ожидает пройти полный путь разработки ячейки «примерно вдвое быстрее» — хотя GM уклонилась от конкретных сроков или количественной оценки сэкономленного времени. Ранее Келти намекал, что это может позволить сократить до года разработку перспективных новых химий.

Моделирование охватывает все уровни разработки транспортного средства: цифровой двойник всего электромобиля; двойник батарейного блока; двойник отдельных ячеек; цифровой двойник электрода, моделирующий поведение частиц на электродах при разряде и зарядке; и, наконец, двойник на атомном уровне для моделирования диффузии лития через электроды и электролит.

Методы легко и просто переносятся между химиями. Для батарей «атомистическое моделирование не зависит от химии», сказал Келти. Чтобы перейти от NMCA к натрий-ионным элементам, «мы просто меняем атомы в модели». В конце концов, «основные уравнения квантовой механики хорошо известны», добавил Тейюнни.

Компьютерные мощности и будущее GM

Моделирование поведения ячейки на атомном уровне, даже до моделирования всего производственного процесса для изготовления ячейки в объеме, требует огромных вычислительных мощностей. Во время экскурсии Галлегос отметил, что комплекс разработки батарей потребляет больше электроэнергии, чем любая другая часть обширного кампуса в Уоррене.

Но компания давно ведет интенсивные вычислительные работы, еще задолго до современной эры электромобилей. Вскоре после первых нормативов по выбросам полвека назад GM начала использовать компьютеры для моделирования фаз сгорания бензина в двигателях. Со временем, по мере того как двигатели обрастали множеством клапанов, множества распредвалов, системой изменения фаз газораспределения, непосредственным впрыском, турбонагнетателями и прочим оборудованием для повышения эффективности по природе неэкономичного процесса сгорания, им потребовались все более мощные модели. Конкретный пример — моделирование образования сажи при сгорании дизтоплива и методов ее снижения.

Этот опыт и доступная вычислительная мощность позволили компании «открыть много ценности», потому что ей было «комфортно применять эти многофизические, детализированные инструменты в множестве доменов, где их, вероятно, раньше не применяли», сказал Тейюнни.

Во время экскурсии Тейюнни сказал, что вычислительная мощность компании уступает внутри США только национальным лабораториям. И «темп роста атомистического моделирования высок», добавил он, отметив, что за последние шесть месяцев возможности компании в области ИИ значительно расширились.

Подразделение, работавшее с двигателями внутреннего сгорания, сейчас активно добавляет ИИ в свой инструментарий, хотя специалисты по моделированию элементов считают, что они пока опережают их. Моделирование атомных и процессных характеристик при разработке LMR-элементов, сказал Тейюнни, потребовало в три раза большей вычислительной мощности, чем моделирование процессов сгорания в бензиновом двигателе.

Долгосрочные цели

Келти явно воодушевлен возможностями этих новых инструментов моделирования и симуляции, информированных ИИ. В долгосрочной перспективе, по его словам, «мы хотим избавиться от тестирования» — или, по крайней мере, значительно сократить физические испытания прототипных ячеек и методов их производства. Меньше физического тестирования при разработке и доработке новых ячеек даст GM большую оперативность в ответе на данные полевых испытаний. Конечная цель, предположил Келти, — чтобы система сама вела НИОКР до такой степени, что ее модели ИИ могли бы «синтезировать новую химию ячейки» самостоятельно. Но до этого пока далеко, сказал он.

Между тем у каждой большой мировой компании-производителя аккумуляторов есть полные цикловые лаборатории разработки, схожие с теми, что у GM. Они позволяют им выяснять, как строить химии ячеек, поступающие из лабораторий НИОКР, от автопроизводителей, производителей потребительской электроники и других источников. Но немногие автопроизводители, кроме Tesla, имеют совместные предприятия по производству ячеек, которые изготавливают ячейки по собственным проектам, как GM. И еще меньше тех, у кого есть полный набор лабораторий от НИОКР до прототипа, процесса и производства.

Большинство автопроизводителей мира по-прежнему полагаются на своих партнеров по ячейкам для выполнения частей этого процесса, отчасти потому, что это дорого — как в вычислительных мощностях, так и в физических площадях. GM делает ставку на то, что ее инвестиции дадут ей преимущество в скорости и гибкости вывода новых ячеек на рынок. Узнаем, окупится ли эта ставка, лишь через годы.