Kereta elektrik semalam, hari ini, esok: bahagian 3

Istilah "bateri lithium-ion" menyembunyikan pelbagai teknologi.

Satu perkara yang pasti - selagi elektrokimia litium-ion kekal tidak berubah dalam hal ini. Tiada teknologi penyimpanan tenaga elektrokimia lain boleh bersaing dengan litium-ion. Intinya, bagaimanapun, ialah terdapat reka bentuk berbeza yang menggunakan bahan berbeza untuk katod, anod dan elektrolit, setiap satunya mempunyai kelebihan berbeza dari segi ketahanan (bilangan kitaran cas dan nyahcas sehingga kapasiti baki yang dibenarkan untuk kenderaan elektrik sebanyak 80%), kWj/kg kuasa khusus, harga euro/kg atau nisbah kuasa kepada kuasa.

Kembali ke masa

Kemungkinan menjalankan proses elektrokimia dalam apa yang dipanggil. Sel litium-ion berasal daripada pemisahan proton litium dan elektron daripada simpang litium di katod semasa pengecasan. Atom litium dengan mudah menderma satu daripada tiga elektronnya, tetapi atas sebab yang sama ia sangat reaktif dan mesti diasingkan daripada udara dan air. Dalam sumber voltan, elektron mula bergerak di sepanjang litar mereka, dan ion diarahkan ke anod karbon-litium dan, melalui membran, disambungkan kepadanya. Semasa pelepasan, pergerakan terbalik berlaku - ion kembali ke katod, dan elektron, seterusnya, melalui beban elektrik luaran. Walau bagaimanapun, pengecasan arus tinggi yang pantas dan nyahcas penuh menghasilkan pembentukan sambungan tahan lama baharu, yang mengurangkan atau malah menghentikan fungsi bateri. Idea di sebalik menggunakan litium sebagai penderma zarah berpunca daripada fakta bahawa ia adalah logam paling ringan dan boleh melepaskan proton dan elektron dengan mudah di bawah keadaan yang betul. Walau bagaimanapun, saintis dengan pantas meninggalkan penggunaan litium tulen kerana kemeruapannya yang tinggi, keupayaannya untuk terikat dengan udara, dan atas sebab keselamatan.

Bateri lithium-ion pertama diciptakan pada tahun 1970-an oleh Michael Whittingham, yang menggunakan litium murni dan titanium sulfida sebagai elektrod. Elektrokimia ini tidak lagi digunakan, tetapi sebenarnya meletakkan asas untuk bateri lithium-ion. Pada tahun 1970-an, Samar Basu menunjukkan kemampuan untuk menyerap ion litium dari grafit, tetapi, berkat pengalaman pada masa itu, bateri cepat musnah semasa pengisian dan pengosongan. Pembangunan intensif bermula pada tahun 1980-an untuk mencari sebatian litium yang sesuai untuk katod dan anod bateri, dan penembusan yang nyata berlaku pada tahun 1991.

Sel lithium NCA, NCM ... apa maksudnya?

Selepas bereksperimen dengan pelbagai sebatian litium pada tahun 1991, usaha para saintis telah dinobatkan dengan kejayaan - Sony memulakan pengeluaran besar-besaran bateri litium-ion. Pada masa ini, bateri jenis ini mempunyai kuasa keluaran dan ketumpatan tenaga tertinggi, dan yang paling penting, potensi besar untuk pembangunan. Bergantung pada keperluan bateri, syarikat beralih kepada pelbagai sebatian litium sebagai bahan katod. Ini adalah litium kobalt oksida (LCO), sebatian dengan nikel, kobalt dan aluminium (NCA) atau dengan nikel, kobalt dan mangan (NCM), litium besi fosfat (LFP), litium mangan spinel (LMS), litium titanium oksida (LTO) dan lain lain. Elektrolit ialah campuran garam litium dan pelarut organik dan amat penting untuk "mobiliti" ion litium, dan pemisah, yang bertanggungjawab untuk mencegah litar pintas dengan menjadi telap kepada ion litium, biasanya polietilena atau polipropilena.

Kuasa output, kapasiti, atau kedua-duanya

Ciri bateri yang paling penting adalah tenaga, kebolehpercayaan dan keselamatan khusus. Bateri yang dihasilkan sekarang merangkumi pelbagai kualiti ini dan, bergantung pada bahan yang digunakan, mempunyai julat tenaga tertentu dari 100 hingga 265 W / kg (dan ketumpatan tenaga 400 hingga 700 W / l). Yang terbaik dalam hal ini ialah bateri NCA dan LFP terburuk. Walau bagaimanapun, bahan itu adalah satu sisi duit syiling. Untuk meningkatkan ketumpatan tenaga dan tenaga tertentu, pelbagai struktur nano digunakan untuk menyerap lebih banyak bahan dan memberikan kekonduksian yang lebih tinggi dari fluks ion. Sebilangan besar ion "disimpan" dalam sebatian stabil, dan kekonduksian adalah prasyarat untuk pengecasan lebih cepat, dan pengembangan diarahkan ke arah ini. Pada masa yang sama, reka bentuk bateri harus memberikan nisbah daya dan kapasiti yang diperlukan, bergantung pada jenis pemacu. Sebagai contoh, hibrid plug-in mesti mempunyai nisbah kuasa dan kapasiti yang jauh lebih tinggi untuk alasan yang jelas. Perkembangan hari ini tertumpu pada bateri jenis NCA (LiNiCoAlO2 dengan katod dan anod grafit) dan NMC 811 (LiNiMnCoO2 dengan katod dan anod grafit). Yang pertama mengandungi (di luar litium) kira-kira 80% nikel, 15% kobalt dan 5% aluminium dan mempunyai tenaga spesifik 200-250 W / kg, yang bermaksud bahawa mereka mempunyai penggunaan kobalt kritis yang agak terhad dan jangka hayat sehingga 1500 kitaran. Bateri sedemikian akan dihasilkan oleh Tesla di Gigafactorynya di Nevada. Ketika mencapai kapasiti penuh yang dirancang (pada tahun 2020 atau 2021, bergantung pada situasinya), kilang akan menghasilkan 35 GWh bateri, yang cukup untuk melengkapkan 500 kereta. Ini akan mengurangkan kos bateri.

Bateri NMC 811 mempunyai tenaga spesifik yang lebih rendah sedikit (140-200W/kg) tetapi mempunyai hayat yang lebih lama, mencapai 2000 kitaran penuh, dan 80% nikel, 10% mangan dan 10% kobalt. Pada masa ini, semua pengeluar bateri menggunakan salah satu daripada dua jenis ini. Satu-satunya pengecualian ialah syarikat China BYD, yang membuat bateri LFP. Kereta yang dilengkapi dengannya lebih berat, tetapi mereka tidak memerlukan kobalt. Bateri NCA lebih disukai untuk kenderaan elektrik dan NMC untuk hibrid plug-in kerana kelebihan masing-masing dari segi ketumpatan tenaga dan ketumpatan kuasa. Contohnya ialah e-Golf elektrik dengan nisbah kuasa/kapasiti 2,8 dan Golf GTE hibrid plug-in dengan nisbah 8,5. Atas nama menurunkan harga, VW berhasrat untuk menggunakan sel yang sama untuk semua jenis bateri. Dan satu perkara lagi - semakin besar kapasiti bateri, semakin sedikit jumlah pelepasan dan caj penuh, dan ini meningkatkan hayat perkhidmatannya, oleh itu - semakin besar bateri, semakin baik. Yang kedua membimbangkan hibrid sebagai masalah.

Trend pasaran

Pada masa ini, permintaan untuk bateri untuk tujuan pengangkutan sudah melebihi permintaan untuk produk elektronik. Ia masih diunjurkan bahawa 2020 juta kenderaan elektrik setahun akan dijual di seluruh dunia menjelang 1,5, yang akan membantu mengurangkan kos bateri. Pada tahun 2010, harga 1 kWj sel lithium-ion adalah kira-kira 900 euro, dan kini ia kurang daripada 200 euro. 25% daripada kos keseluruhan bateri adalah untuk katod, 8% untuk anod, pemisah dan elektrolit, 16% untuk semua sel bateri lain dan 35% untuk keseluruhan reka bentuk bateri. Dalam erti kata lain, sel litium-ion menyumbang 65 peratus kepada kos bateri. Anggaran harga Tesla untuk 2020 apabila Gigafactory 1 memasuki perkhidmatan adalah sekitar 300€/kWj untuk bateri NCA dan harga termasuk produk siap dengan beberapa purata VAT dan waranti. Masih harga yang agak tinggi, yang akan terus menurun dari semasa ke semasa.

Rizab utama litium adalah di Argentina, Bolivia, Chile, China, Amerika Syarikat, Australia, Kanada, Rusia, Kongo dan Serbia, dengan sebahagian besarnya saat ini diambil dari tasik kering. Dengan pengumpulan bateri yang semakin banyak, pasaran untuk bahan yang dikitar semula dari bateri lama akan meningkat. Namun, yang lebih penting adalah masalah kobalt, yang, walaupun terdapat dalam jumlah besar, ditambang sebagai produk sampingan dalam pengeluaran nikel dan tembaga. Walaupun kobalt rendah di tanah, ia ditambang di Kongo (yang memiliki rizab terbesar yang tersedia), tetapi dalam keadaan yang mencabar etika, moral, dan perlindungan alam sekitar.

Teknologi lanjutan

Harus diingat bahawa teknologi yang diadopsi sebagai prospek dalam waktu dekat, pada kenyataannya, pada dasarnya tidak baru, tetapi merupakan pilihan ion litium. Contohnya, adalah bateri keadaan pepejal, di mana elektrolit pepejal (atau gel dalam bateri polimer litium) digunakan dan bukannya cecair. Penyelesaian ini memberikan reka bentuk elektrod yang lebih stabil, yang masing-masing melanggar integriti mereka semasa mengecas dengan arus tinggi. suhu tinggi dan beban tinggi. Ini dapat meningkatkan arus pengisian, ketumpatan elektrod dan kapasitans. Bateri keadaan pepejal masih pada tahap awal pengembangan, dan tidak mungkin muncul dalam pengeluaran besar-besaran hingga pertengahan dekad ini.

Salah satu syarikat pemula anugerah pada Pertandingan Teknologi Inovasi BMW 2017 di Amsterdam adalah syarikat berkuasa bateri yang anod silikonnya meningkatkan ketumpatan tenaga. Jurutera mengusahakan pelbagai teknologi nanoteknologi untuk memberikan kepadatan dan kekuatan yang lebih besar pada bahan anod dan katod, dan satu penyelesaian adalah dengan menggunakan graphene. Lapisan mikroskopik grafit dengan ketebalan atom tunggal dan struktur atom heksagon adalah salah satu bahan yang paling menjanjikan. "Bola graphene" yang dikembangkan oleh pengeluar sel bateri Samsung SDI, yang disatukan ke dalam struktur katod dan anod, memberikan kekuatan, kebolehtelapan dan ketumpatan bahan yang lebih tinggi dan peningkatan kapasiti yang lebih kurang 45% dan masa pengisian lima kali lebih cepat. Teknologi ini dapat menerima dorongan terkuat dari kereta Formula E, yang mungkin pertama kali dilengkapi dengan bateri tersebut.

Pemain di peringkat ini

Pemain utama sebagai pembekal Tahap 123 dan Tahap 2020, iaitu pengeluar sel dan bateri, ialah Jepun (Panasonic, Sony, GS Yuasa dan Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam dan SK Innovation), China (Syarikat BYD ) . , ATL dan Lishen) dan Amerika Syarikat (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel and Valence Technology). Pembekal utama telefon bimbit pada masa ini ialah LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Jepun), BYD (China) dan CATL (China), yang mempunyai bahagian pasaran sebanyak dua pertiga. Pada peringkat ini di Eropah, mereka hanya ditentang oleh Kumpulan BMZ dari Jerman dan Northvolth dari Sweden. Dengan pelancaran Tesla's Gigafactory pada XNUMX, perkadaran ini akan berubah - syarikat Amerika itu akan menyumbang XNUMX% daripada pengeluaran sel litium-ion dunia. Syarikat seperti Daimler dan BMW telah pun menandatangani kontrak dengan beberapa syarikat ini, seperti CATL, yang sedang membina kilang di Eropah.