Електричен автомобил вчера, денес, утре: 3 дел

Терминот „литиум-јонски батерии“ крие широк спектар на технологии.

Едно е сигурно – се додека литиум-јонската електрохемија останува непроменета во овој поглед. Ниту една друга електрохемиска технологија за складирање на енергија не може да се натпреварува со литиум-јон. Меѓутоа, поентата е дека постојат различни дизајни кои користат различни материјали за катодата, анодата и електролитот, од кои секоја има различни предности во однос на издржливоста (бројот на циклуси на полнење и празнење до дозволениот преостанат капацитет за електрични возила од 80%), специфична моќност kWh/kg, цена евро/kg или однос моќност/моќ.

Назад во времето

Можноста за извршување на електрохемиски процеси во т.н. Литиум-јонските ќелии доаѓаат од одвојувањето на литиумските протони и електроните од спојот на литиум на катодата за време на полнењето. Атомот на литиум лесно донира еден од неговите три електрони, но од истата причина тој е многу реактивен и мора да биде изолиран од воздухот и водата. Во изворот на напон, електроните почнуваат да се движат по нивното коло, а јоните се насочени кон јаглерод-литиумската анода и, минувајќи низ мембраната, се поврзани со неа. За време на празнењето, се случува обратно движење - јоните се враќаат во катодата, а електроните, пак, минуваат низ надворешното електрично оптоварување. Сепак, брзото полнење со висока струја и целосното празнење резултира со формирање на нови издржливи врски, што ја намалува, па дури и ја запира функцијата на батеријата. Идејата за користење на литиум како донатор на честички произлегува од фактот дека тој е најлесниот метал и може лесно да ослободи протони и електрони под соодветни услови. Сепак, научниците брзо ја напуштаат употребата на чист литиум поради неговата висока нестабилност, неговата способност да се врзува со воздухот и поради безбедносни причини.

Првата литиум-јонска батерија е создадена во 1970-тите години од Мајкл Витингем, кој користел чист литиум и титаниум сулфид како електроди. Оваа електрохемија повеќе не се користи, но всушност ги поставува темелите на литиум-јонските батерии. Во 1970-тите години на минатиот век, Самар Басу демонстрираше способност да ги апсорбира литиумските јони од графитот, но поради искуството од тоа време, батериите брзо се уништија кога се полнат и се испразнија. Во осумдесеттите години од минатиот век, интензивниот развој започна да наоѓа соодветни литиумски соединенија за катодата и анодата на батериите, а вистинскиот чекор напред дојде во 1980 година.

НЦА, НЦМ литиумски клетки ... што навистина значи ова?

По експериментирањето со различни соединенија на литиум во 1991 година, напорите на научниците беа крунисани со успех - Sony започна масовно производство на литиум-јонски батерии. Во моментов, батериите од овој тип имаат најголема излезна моќност и густина на енергија и што е најважно, значителен потенцијал за развој. Во зависност од барањата за батерии, компаниите се свртуваат кон различни соединенија на литиум како катоден материјал. Тоа се литиум кобалт оксид (LCO), соединенија со никел, кобалт и алуминиум (NCA) или со никел, кобалт и манган (NCM), литиум железо фосфат (LFP), литиум манган спинел (LMS), литиум титаниум оксид (LTO) и други. Електролитот е мешавина од соли на литиум и органски растворувачи и е особено важен за „подвижноста“ на јоните на литиум, а сепараторот, кој е одговорен за спречување на кратки споеви со тоа што е пропустлив за јони на литиум, обично е полиетилен или полипропилен.

Излезна моќност, капацитет или и двете

Најважните карактеристики на батериите се густината на енергијата, сигурноста и безбедноста. Во моментов произведените батерии опфаќаат широк спектар на овие квалитети и, во зависност од употребените материјали, имаат специфичен опсег на енергија од 100 до 265 W / kg (и густина на енергија од 400 до 700 W / L). Најдобри во овој поглед се NCA батериите и најлошите LFP. Сепак, материјалот е едната страна на паричката. За да се зголеми специфичната енергија и енергетската густина, разни наноструктури се користат за да апсорбираат повеќе материјал и да обезбедат поголема спроводливост на јонскиот поток. Голем број на јони, „складирани“ во стабилно соединение и спроводливоста се предуслови за побрзо полнење, а развојот е насочен во овие насоки. Во исто време, дизајнот на батеријата мора да ја обезбеди потребната стапка на моќност и капацитет во зависност од видот на погонот. На пример, plug-in хибридите мора да имаат многу поголем сооднос на моќност и капацитет од очигледни причини. Денешниот развој е насочен кон батерии како што се NCA (LiNiCoAlO2 со катода и графитна анода) и NMC 811 (LiNiMnCoO2 со катода и графитна анода). Првите содржат (надвор од литиум) околу 80% никел, 15% кобалт и 5% алуминиум и имаат специфична енергија од 200-250 W / kg, што значи дека тие имаат релативно ограничена употреба на критичен кобалт и работен век до 1500 циклуси. Таквите батерии ќе ги произведува Тесла во својата Гигафабрика во Невада. Кога ќе го достигне планираниот полн капацитет (во 2020 или 2021 година, во зависност од ситуацијата), централата ќе произведе 35 GWh батерии, доволно за напојување на 500 000 возила. Ова дополнително ќе ја намали цената на батериите.

Батериите NMC 811 имаат малку пониска специфична енергија (140-200 W/kg), но имаат подолг животен век, достигнувајќи 2000 целосни циклуси и се 80% никел, 10% манган и 10% кобалт. Во моментов, сите производители на батерии користат еден од овие два типа. Единствен исклучок е кинеската компанија BYD, која произведува LFP батерии. Автомобилите опремени со нив се потешки, но не им треба кобалт. NCA батериите се претпочитаат за електрични возила и NMC за plug-in хибриди поради нивните соодветни предности во однос на густината на енергијата и густината на моќноста. Примери се електричниот e-Golf со сооднос моќност/капацитет од 2,8 и plug-in хибридниот Golf GTE со сооднос 8,5. Во име на намалување на цената, VW има намера да користи исти ќелии за сите видови батерии. И уште нешто - колку е поголем капацитетот на батеријата, толку е помал бројот на целосно празнења и полнења, а тоа го зголемува неговиот животен век, затоа - колку е поголема батеријата, толку подобро. Вториот се однесува на хибридите како проблем.

Трендови на пазарот

Во моментов, побарувачката за батерии за транспортни цели веќе ја надминува побарувачката за електронски производи. Сè уште се предвидува дека 2020 милиони електрични возила годишно ќе се продаваат на глобално ниво до 1,5 година, што ќе помогне да се намали цената на батериите. Во 2010 година цената на 1 kWh литиум-јонска ќелија беше околу 900 евра, а сега е помалку од 200 евра. 25% од цената на целата батерија е за катодата, 8% за анодата, сепараторот и електролитот, 16% за сите други ќелии на батеријата и 35% за целокупниот дизајн на батеријата. Со други зборови, литиум-јонските ќелии придонесуваат 65 проценти во цената на батеријата. Проценетите цени на Tesla за 2020 година кога Gigafactory 1 ќе стапи во употреба се околу 300 €/kWh за NCA батерии и цената го вклучува готовиот производ со одреден просечен ДДВ и гаранција. Сепак прилично висока цена, која ќе продолжи да опаѓа со текот на времето.

Главните резерви на литиум се наоѓаат во Аргентина, Боливија, Чиле, Кина, САД, Австралија, Канада, Русија, Конго и Србија, при што огромното мнозинство моментно се ископува од исушени езера. Како што се акумулираат сè повеќе батерии, пазарот за материјали рециклирани од старите батерии ќе се зголеми. Сепак, поважен е проблемот со кобалт, кој иако е присутен во големи количини, се вади како нуспроизвод во производството на никел и бакар. Кобалт се минира, и покрај малата концентрација во почвата, во Конго (кој има најголеми резерви на располагање), но во услови што ги предизвикуваат етиката, моралот и заштитата на животната средина.

Напредна технологија

Треба да се има на ум дека технологиите усвоени како перспектива за блиска иднина всушност не се фундаментално нови, туку се опции за литиум-јони. Тоа се, на пример, батерии во цврста состојба, кои користат солиден електролит наместо течност (или гел во литиум-полимерни батерии). Ова решение обезбедува постабилен дизајн на електродите, што го нарушува нивниот интегритет кога се полни со голема струја, соодветно. висока температура и големо оптоварување. Ова може да ја зголеми струјата на полнење, густината и капацитетот на електродата. Цврсти батерии се уште се во многу рана фаза на развој и веројатно нема да достигнат масовно производство до средината на деценијата.

Едно од наградуваните старт-ап компании на BMW Innovation Technology Competition 2017 во Амстердам беше компанија што работи на батерии, чија силиконска анода ја подобрува енергетската густина. Инженерите работат на различни нанотехнологии за да обезбедат поголема густина и сила на материјалот и на анодата и на катодата, а едно решение е да се користи графен. Овие микроскопски слоеви на графит со дебелина на еден атом и шестоаголна атомска структура се еден од најперспективните материјали. „Топките од графен“ развиени од производителот на батериски ќелии Samsung SDI, интегрирани во структурата на катодата и анодата, обезбедуваат поголема јачина, пропустливост и густина на материјалот и соодветно зголемување на капацитетот за околу 45% и пет пати побрзо време на полнење. Овие технологии може да го прими најсилниот импулс од болидите на Формула Е, кои можеби се првите опремени со такви батерии.

Играчи во оваа фаза

Главните играчи како добавувачи на Tier 123 и Tier 2020, т.е. производители на ќелии и батерии, се Јапонија (Panasonic, Sony, GS Yuasa и Hitachi Vehicle Energy), Кореја (LG Chem, Samsung, Kokam и SK Innovation), Кина (BYD Company) . , ATL и Lishen) и САД (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel и Valence Technology). Главните добавувачи на мобилни телефони во моментов се LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Кореја), AESC (Јапонија), BYD (Кина) и CATL (Кина), кои имаат пазарен удел од две третини. Во оваа фаза во Европа им се спротивставуваат само БМЗ Груп од Германија и Нортволт од Шведска. Со лансирањето на Гигафабриката на Тесла во XNUMX година, оваа пропорција ќе се промени - американската компанија ќе учествува со XNUMX% од светското производство на литиум-јонски ќелии. Компаниите како Daimler и BMW веќе потпишаа договори со некои од овие компании, како што е CATL, која гради фабрика во Европа.