Elektromobilis vakar, šiandien, rytoj: 3 dalis

Sąvoka „ličio jonų baterijos“ slepia įvairiausias technologijas.

Vienas dalykas aiškus – kol ličio jonų elektrochemija išliks nepakitusi. Jokia kita elektrocheminė energijos kaupimo technologija negali konkuruoti su ličio jonais. Tačiau esmė ta, kad yra skirtingų konstrukcijų, kuriose katodui, anodui ir elektrolitui naudojamos skirtingos medžiagos, kurių kiekvienas turi skirtingus pranašumus ilgaamžiškumo požiūriu (įkrovimo ir iškrovimo ciklų skaičius iki leistinos likutinės elektrinių transporto priemonių talpos). 80 proc., savitoji galia kWh/kg, kaina eurai/kg arba galios ir galios santykis.

Atgal laiku

Galimybė atlikti elektrocheminius procesus vadinamojoje. Ličio jonų elementai atsiranda atskyrus ličio protonus ir elektronus nuo ličio jungties prie katodo įkrovimo metu. Ličio atomas lengvai atiduoda vieną iš trijų savo elektronų, tačiau dėl tos pačios priežasties jis yra labai reaktyvus ir turi būti izoliuotas nuo oro ir vandens. Įtampos šaltinyje elektronai pradeda judėti išilgai savo grandinės, o jonai nukreipiami į anglies-ličio anodą ir, eidami per membraną, yra prijungti prie jo. Iškrovos metu vyksta atvirkštinis judėjimas – jonai grįžta į katodą, o elektronai, savo ruožtu, praeina per išorinę elektros apkrovą. Tačiau greitas didelės srovės įkrovimas ir visiškas iškrovimas lemia naujų patvarių jungčių susidarymą, o tai sumažina ar net sustabdo akumuliatoriaus funkciją. Ličio kaip dalelių donoro idėja kyla dėl to, kad tai yra lengviausias metalas ir tinkamomis sąlygomis gali lengvai išlaisvinti protonus ir elektronus. Tačiau mokslininkai sparčiai atsisako gryno ličio naudojimo dėl didelio jo nepastovumo, gebėjimo jungtis su oru ir saugumo sumetimais.

Pirmąją ličio jonų bateriją 1970-aisiais sukūrė Michaelas Whittinghamas, kuris elektrodais naudojo gryną ličio ir titano sulfidą. Ši elektrochemija nebenaudojama, tačiau iš tikrųjų yra pamatai ličio jonų baterijoms. Aštuntajame dešimtmetyje Samaras Basu pademonstravo gebėjimą absorbuoti ličio jonus iš grafito, tačiau to meto patirties dėka baterijos greitai savaime sunaikinamos įkraunant ir iškraunant. Devintajame dešimtmetyje intensyviai plėtojant pradėta ieškoti tinkamų ličio junginių baterijų katodui ir anodui, o tikrasis proveržis įvyko 1970 m.

NCA, NCM ličio elementai ... ką tai iš tikrųjų reiškia?

1991 metais eksperimentavus su įvairiais ličio junginiais, mokslininkų pastangas vainikavo sėkmė – Sony pradėjo masinę ličio jonų baterijų gamybą. Šiuo metu tokio tipo baterijos turi didžiausią išėjimo galią ir energijos tankį, o svarbiausia – didelį plėtros potencialą. Atsižvelgdamos į baterijų reikalavimus, įmonės kaip katodo medžiagą naudoja įvairius ličio junginius. Tai yra ličio kobalto oksidas (LCO), junginiai su nikeliu, kobaltu ir aliuminiu (NCA) arba su nikeliu, kobaltu ir manganu (NCM), ličio geležies fosfatas (LFP), ličio mangano špinelis (LMS), ličio titano oksidas (LTO) ir kiti. Elektrolitas yra ličio druskų ir organinių tirpiklių mišinys ir ypač svarbus ličio jonų „judrumui“, o separatorius, atsakingas už trumpųjų jungimų prevenciją, nes yra pralaidus ličio jonams, dažniausiai yra polietilenas arba polipropilenas.

Išėjimo galia, talpa arba abu

Svarbiausios baterijų charakteristikos yra energijos tankis, patikimumas ir saugumas. Šiuo metu gaminamos baterijos apima platų šių savybių spektrą ir, atsižvelgiant į naudojamas medžiagas, savitas energijos diapazonas yra nuo 100 iki 265 W / kg (o energijos tankis - nuo 400 iki 700 W / L). Geriausios šiuo atžvilgiu yra NCA baterijos ir blogiausios LFP. Tačiau medžiaga yra viena monetos pusė. Norint padidinti tiek savitąją energiją, tiek energijos tankį, naudojamos įvairios nanostruktūros, kad sugertų daugiau medžiagos ir užtikrintų didesnį jonų srauto laidumą. Didelis jonų skaičius, „laikomas“ stabiliame junginyje, ir laidumas yra būtinos greitesnio įkrovimo sąlygos, o plėtra yra nukreipta šiomis kryptimis. Tuo pačiu metu akumuliatoriaus konstrukcija turi užtikrinti reikiamą energijos ir talpos santykį, atsižvelgiant į pavaros tipą. Pavyzdžiui, papildomi hibridai dėl akivaizdžių priežasčių turi turėti daug didesnį galios ir pajėgumo santykį. Šiandienos pokyčiai yra sutelkti į tokias baterijas kaip NCA (LiNiCoAlO2 su katodu ir grafito anodu) ir NMC 811 (LiNiMnCoO2 su katodu ir grafito anodu). Pirmosiose yra (be ličio) apie 80% nikelio, 15% kobalto ir 5% aliuminio, o jų specifinė energija yra 200–250 W / kg, o tai reiškia, kad kritinio kobalto naudojimas yra palyginti ribotas ir jų tarnavimo laikas yra iki 1500 ciklų. Tokias baterijas „Tesla“ gamins savo „Gigafactory“ gamykloje Nevadoje. Pasiekusi planuojamą pilną galią (2020 m. Arba 2021 m., Atsižvelgiant į aplinkybes), gamykla pagamins 35 GWh baterijų, kurių pakaks 500 000 transporto priemonių. Tai dar labiau sumažins baterijų kainą.

NMC 811 baterijų savitoji energija yra šiek tiek mažesnė (140–200 W/kg), tačiau jų tarnavimo laikas yra ilgesnis, pasiekia 2000 pilnų ciklų, 80 % nikelio, 10 % mangano ir 10 % kobalto. Šiuo metu visi baterijų gamintojai naudoja vieną iš šių dviejų tipų. Vienintelė išimtis yra Kinijos įmonė BYD, gaminanti LFP baterijas. Jais įrengti automobiliai yra sunkesni, tačiau jiems nereikia kobalto. NCA akumuliatoriai pirmenybę teikia elektrinėms transporto priemonėms, o NMC – įkraunamiems hibridams dėl atitinkamų energijos tankio ir galios tankio pranašumų. Pavyzdžiui, elektrinis „e-Golf“, kurio galios ir talpos santykis yra 2,8, ir hibridinis „Golf GTE“, kurio santykis yra 8,5. Siekdama sumažinti kainą, VW ketina naudoti vienodus elementus visų tipų akumuliatoriams. Ir dar vienas dalykas – kuo didesnė akumuliatoriaus talpa, tuo mažiau pilnų iškrovimų ir įkrovimų, ir tai padidina jo tarnavimo laiką, todėl – kuo didesnė baterija, tuo geriau. Antrasis susijęs su hibridais kaip problema.

Rinkos tendencijos

Šiuo metu transportavimo reikmėms skirtų baterijų paklausa jau viršija elektroninių gaminių paklausą. Vis dar prognozuojama, kad iki 2020 m. pasaulyje per metus bus parduota 1,5 mln. elektromobilių, o tai padės sumažinti akumuliatorių kainą. 2010 metais ličio jonų elemento 1 kWh kaina siekė apie 900 eurų, o dabar nesiekia 200 eurų. 25% visos baterijos kainos yra katodui, 8% anodui, separatoriui ir elektrolitui, 16% visiems kitiems akumuliatoriaus elementams ir 35% bendrai akumuliatoriaus konstrukcijai. Kitaip tariant, ličio jonų elementai sudaro 65 procentus akumuliatoriaus kainos. Numatomos Tesla kainos 2020 m., kai pradės eksploatuoti Gigafactory 1, yra apie 300 €/kWh už NCA baterijas, o į kainą įeina gatavas produktas su tam tikru vidutiniu PVM ir garantija. Vis dar gana aukšta kaina, kuri laikui bėgant ir toliau mažės.

Pagrindinės ličio atsargos yra Argentinoje, Bolivijoje, Čilėje, Kinijoje, JAV, Australijoje, Kanadoje, Rusijoje, Konge ir Serbijoje, o didžioji dauguma šiuo metu kasama iš išdžiūvusių ežerų. Kaupiantis vis daugiau baterijų, išaugs iš senų baterijų perdirbtų medžiagų rinka. Tačiau svarbesnė yra kobalto problema, kurios, nors ir yra dideliais kiekiais, kasama kaip šalutinis produktas gaminant nikelį ir varį. Nepaisant mažos koncentracijos dirvožemyje, kobaltas išgaunamas Konge (kuriame yra didžiausių turimų atsargų), tačiau tokiomis sąlygomis, kurios kvestionuoja etiką, moralę ir aplinkos apsaugą.

Aukštųjų technologijų

Reikėtų nepamiršti, kad artimiausios ateities perspektyvos pritaikytos technologijos iš tikrųjų nėra iš esmės naujos, tačiau yra ličio jonų galimybės. Tai, pavyzdžiui, kietojo kūno baterijos, kuriose vietoj skysčio (arba gelio ličio polimerinėse baterijose) naudojamas kietas elektrolitas. Šis sprendimas suteikia stabilesnę elektrodų konstrukciją, o tai pažeidžia jų vientisumą, kai yra įkrauta atitinkamai didelė srovė. aukšta temperatūra ir didelė apkrova. Tai gali padidinti įkrovimo srovę, elektrodo tankį ir talpą. Kietojo kūno baterijos vis dar yra labai ankstyvoje kūrimo stadijoje ir vargu ar pasieks masinę gamybą iki dešimtmečio vidurio.

Vienas iš apdovanojimų pelniusių startuolių 2017 m. BMW naujovių technologijų konkurse Amsterdame buvo baterijomis maitinama įmonė, kurios silicio anodas padidina energijos tankį. Inžinieriai dirba su įvairiomis nanotechnologijomis, kad padidintų anodo ir katodo medžiagos tankį ir stiprumą, o vienas iš sprendimų yra naudoti grafeną. Šie mikroskopiniai vieno atomo storio ir šešiakampės atominės struktūros grafito sluoksniai yra viena iš perspektyviausių medžiagų. Baterijų elementų gamintojo „Samsung SDI“ sukurti „grafeno rutuliai“, integruoti į katodo ir anodo struktūrą, užtikrina didesnį medžiagos stiprumą, pralaidumą ir tankį bei atitinkamai padidina talpą apie 45% ir penkis kartus greičiau įkrauna. technologijos gali gauti stipriausią impulsą iš „Formulės E“ automobilių, kurie gali būti pirmieji, aprūpinti tokiomis baterijomis.

Žaidėjai šiame etape

Pagrindiniai 123 ir 2020 lygio tiekėjai, t. y. elementų ir baterijų gamintojai, yra Japonija (Panasonic, Sony, GS Yuasa ir Hitachi Vehicle Energy), Korėja (LG Chem, Samsung, Kokam ir SK Innovation), Kinija (BYD Company). . , ATL ir Lishen) ir JAV („Tesla“, „Johnson Controls“, „A30 Systems“, „EnerDel“ ir „Valence Technology“). Pagrindiniai mobiliųjų telefonų tiekėjai šiuo metu yra LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korėja), AESC (Japonija), BYD (Kinija) ir CATL (Kinija), kurie užima du trečdalius rinkos. Šiame etape Europoje jiems priešinasi tik Vokietijos „BMZ Group“ ir Švedijos „Northvolth“. XNUMX metais pradėjus veikti Teslos Gigafactory, ši proporcija pasikeis – amerikiečių kompanija pagamins XNUMX% pasaulio ličio jonų elementų produkcijos. Tokios įmonės kaip „Daimler“ ir BMW jau pasirašė sutartis su kai kuriomis iš šių įmonių, pavyzdžiui, CATL, kuri stato gamyklą Europoje.