Electric car kahapon, ngayon, bukas: bahagi 3

Ang term na "lithium-ion baterya" ay nagtatago ng iba't ibang mga teknolohiya.

Isang bagay ang sigurado - hangga't ang lithium-ion electrochemistry ay nananatiling hindi nagbabago sa bagay na ito. Walang ibang teknolohiya sa pag-imbak ng enerhiya ng electrochemical ang maaaring makipagkumpitensya sa lithium-ion. Ang punto, gayunpaman, ay mayroong iba't ibang mga disenyo na gumagamit ng iba't ibang mga materyales para sa cathode, anode at electrolyte, na ang bawat isa ay may iba't ibang mga pakinabang sa mga tuntunin ng tibay (ang bilang ng mga pagsingil at paglabas na mga siklo hanggang sa isang pinahihintulutang natitirang kapasidad para sa mga de-koryenteng sasakyan. ng 80%), partikular na power kWh/kg, presyo euro/kg o power to power ratio.

Pabalik sa panahon

Ang posibilidad ng pagsasagawa ng mga proseso ng electrochemical sa tinatawag na. Ang mga cell ng lithium-ion ay nagmula sa paghihiwalay ng mga lithium proton at mga electron mula sa lithium junction sa cathode habang nagcha-charge. Ang lithium atom ay madaling nag-donate ng isa sa tatlong electron nito, ngunit sa parehong dahilan ito ay lubos na reaktibo at dapat na ihiwalay sa hangin at tubig. Sa pinagmumulan ng boltahe, ang mga electron ay nagsisimulang lumipat sa kanilang circuit, at ang mga ions ay nakadirekta sa carbon-lithium anode at, na dumadaan sa lamad, ay konektado dito. Sa panahon ng paglabas, ang reverse movement ay nangyayari - ang mga ions ay bumalik sa katod, at ang mga electron, naman, ay dumaan sa panlabas na electrical load. Gayunpaman, ang mabilis na high-current charging at full discharge ay nagreresulta sa pagbuo ng mga bagong matibay na koneksyon, na nagpapababa o humihinto sa paggana ng baterya. Ang ideya sa likod ng paggamit ng lithium bilang isang particle donor ay nagmumula sa katotohanan na ito ang pinakamagaan na metal at madaling makapaglabas ng mga proton at electron sa ilalim ng tamang mga kondisyon. Gayunpaman, mabilis na inabandona ng mga siyentipiko ang paggamit ng purong lithium dahil sa mataas na pagkasumpungin nito, ang kakayahang makipag-bonding sa hangin, at para sa mga kadahilanang pangkaligtasan.

Ang unang baterya ng lithium-ion ay nilikha noong dekada 1970 ni Michael Whittingham, na gumamit ng purong lithium at titanium sulfide bilang mga electrode. Ang electrochemistry na ito ay hindi na ginagamit, ngunit talagang inilalagay ang mga pundasyon para sa mga baterya ng lithium-ion. Noong dekada 1970, ipinakita ng Samar Basu ang kakayahang sumipsip ng mga lithium ions mula sa grapayt, ngunit dahil sa karanasan sa oras, mabilis na nawasak ang mga baterya nang singilin at pinalabas. Noong 1980s, ang masinsinang pag-unlad ay nagsimulang maghanap ng mga angkop na lithium compound para sa cathode at anode ng mga baterya, at ang tunay na tagumpay ay dumating noong 1991.

Mga cell ng lithium ng NCA, NCM ... ano talaga ang ibig sabihin nito?

Pagkatapos mag-eksperimento sa iba't ibang mga lithium compound noong 1991, ang mga pagsisikap ng mga siyentipiko ay nakoronahan ng tagumpay - sinimulan ng Sony ang mass production ng mga lithium-ion na baterya. Sa kasalukuyan, ang mga baterya ng ganitong uri ay may pinakamataas na lakas ng output at density ng enerhiya, at higit sa lahat, isang makabuluhang potensyal para sa pag-unlad. Depende sa mga kinakailangan sa baterya, ang mga kumpanya ay bumaling sa iba't ibang mga compound ng lithium bilang materyal na cathode. Ito ay ang lithium cobalt oxide (LCO), mga compound na may nickel, cobalt and aluminum (NCA) o may nickel, cobalt and manganese (NCM), lithium iron phosphate (LFP), lithium manganese spinel (LMS), lithium titanium oxide (LTO) at iba pa. Ang electrolyte ay pinaghalong lithium salts at organic solvents at lalong mahalaga para sa "mobility" ng lithium ions, at ang separator, na responsable sa pagpigil sa mga short circuit sa pamamagitan ng pagiging permeable sa lithium ions, ay karaniwang polyethylene o polypropylene.

Output na kapangyarihan, kakayahan, o pareho

Ang pinakamahalagang katangian ng mga baterya ay ang density ng enerhiya, pagiging maaasahan at kaligtasan. Ang mga baterya na kasalukuyang ginawa ay sumasaklaw sa isang malawak na hanay ng mga katangiang ito at, depende sa ginamit na materyales, magkaroon ng isang tukoy na saklaw ng enerhiya na 100 hanggang 265 W / kg (at isang density ng enerhiya na 400 hanggang 700 W / L). Ang pinakamahusay sa pagsasaalang-alang na ito ay ang mga baterya ng NCA at ang pinakamasamang LFP. Gayunpaman, ang materyal ay isang bahagi ng barya. Upang madagdagan ang parehong tukoy na lakas at lakas ng enerhiya, iba't ibang mga nanostruktura ang ginagamit upang sumipsip ng maraming materyal at magbigay ng mas mataas na kondaktibiti ng ion stream. Ang isang malaking bilang ng mga ions, "nakaimbak" sa isang matatag na tambalan, at ang kondaktibiti ay mga kinakailangan para sa mas mabilis na pagsingil, at ang pag-unlad ay nakadirekta sa mga direksyong ito. Sa parehong oras, ang disenyo ng baterya ay dapat magbigay ng kinakailangang ratio ng lakas hanggang sa kapasidad depende sa uri ng drive. Halimbawa, ang mga plug-in hybrids ay kailangang magkaroon ng mas mataas na ratio ng power-to-kapasidad para sa mga halatang kadahilanan. Ang mga pagpapaunlad ngayon ay nakatuon sa mga baterya tulad ng NCA (LiNiCoAlO2 na may cathode at graphite anode) at NMC 811 (LiNiMnCoO2 na may cathode at graphite anode). Ang dating naglalaman (sa labas ng lithium) tungkol sa 80% nickel, 15% cobalt at 5% aluminyo at may isang tukoy na enerhiya na 200-250 W / kg, na nangangahulugang mayroon silang isang medyo limitadong paggamit ng kritikal na kobalt at isang buhay sa serbisyo hanggang sa 1500 na mga cycle. Ang mga nasabing baterya ay gagawin ng Tesla sa Gigafactory nito sa Nevada. Kapag naabot nito ang nakaplanong buong kakayahan (sa 2020 o 2021, depende sa sitwasyon), ang planta ay gagawa ng 35 GWh ng mga baterya, sapat na upang mapalakas ang 500 mga sasakyan. Bawasan pa nito ang gastos ng mga baterya.

Ang mga baterya ng NMC 811 ay may bahagyang mas mababang partikular na enerhiya (140-200W/kg) ngunit may mas mahabang buhay, umaabot sa 2000 buong cycle, at 80% nickel, 10% manganese at 10% cobalt. Sa kasalukuyan, ang lahat ng mga tagagawa ng baterya ay gumagamit ng isa sa dalawang uri na ito. Ang tanging pagbubukod ay ang kumpanyang Tsino na BYD, na gumagawa ng mga baterya ng LFP. Ang mga kotse na nilagyan ng mga ito ay mas mabigat, ngunit hindi nila kailangan ng kobalt. Ang mga baterya ng NCA ay ginustong para sa mga de-koryenteng sasakyan at NMC para sa mga plug-in na hybrid dahil sa kani-kanilang mga pakinabang sa mga tuntunin ng density ng enerhiya at density ng kuryente. Ang mga halimbawa ay ang electric e-Golf na may power/capacity ratio na 2,8 at ang plug-in hybrid na Golf GTE na may ratio na 8,5. Sa pangalan ng pagpapababa ng presyo, nilalayon ng VW na gamitin ang parehong mga cell para sa lahat ng uri ng mga baterya. At isa pang bagay - mas malaki ang kapasidad ng baterya, mas kaunti ang bilang ng mga buong discharge at singil, at pinatataas nito ang buhay ng serbisyo nito, samakatuwid - mas malaki ang baterya, mas mabuti. Ang pangalawa ay nag-aalala sa mga hybrid bilang isang problema.

Mga takbo sa merkado

Sa kasalukuyan, ang pangangailangan para sa mga baterya para sa mga layunin ng transportasyon ay lumampas na sa pangangailangan para sa mga produktong elektroniko. Inaasahan pa rin na 2020 milyong mga de-koryenteng sasakyan bawat taon ang ibebenta sa buong mundo sa 1,5, na makakatulong sa pagpapababa sa halaga ng mga baterya. Noong 2010, ang presyo ng 1 kWh ng isang lithium-ion cell ay humigit-kumulang 900 euro, at ngayon ito ay mas mababa sa 200 euro. 25% ng halaga ng buong baterya ay para sa cathode, 8% para sa anode, separator at electrolyte, 16% para sa lahat ng iba pang cell ng baterya at 35% para sa pangkalahatang disenyo ng baterya. Sa madaling salita, ang mga cell ng lithium-ion ay nag-aambag ng 65 porsiyento sa halaga ng isang baterya. Ang mga tinantyang presyo ng Tesla para sa 2020 kapag ang Gigafactory 1 ay pumasok sa serbisyo ay humigit-kumulang 300€/kWh para sa mga baterya ng NCA at kasama sa presyo ang tapos na produkto na may ilang average na VAT at warranty. Medyo mataas pa rin ang presyo, na patuloy na bababa sa paglipas ng panahon.

Ang pangunahing mga reserbang lithium ay matatagpuan sa Argentina, Bolivia, Chile, China, USA, Australia, Canada, Russia, Congo at Serbia, na ang karamihan sa kasalukuyan ay minahan mula sa mga tuyong lawa. Tulad ng maraming at mas maraming mga baterya naipon, ang merkado para sa mga materyales na nai-recycle mula sa mga lumang baterya ay tataas. Mas mahalaga, gayunpaman, ang problema ng kobalt, na, kahit na naroroon sa maraming dami, ay minina bilang isang by-produkto sa paggawa ng nickel at tanso. Ang Cobalt ay nagmimina, sa kabila ng mababang konsentrasyon nito sa lupa, sa Congo (na may pinakamalaking magagamit na mga reserbang), ngunit sa ilalim ng mga kundisyon na hinahamon ang etika, moralidad at proteksyon sa kapaligiran.

Advanced na teknolohiya

Dapat tandaan na ang mga teknolohiyang tinatanggap bilang isang pag-asam para sa malapit na hinaharap ay talagang hindi sa panimula bago, ngunit mga pagpipilian sa lithium-ion. Ito ay, halimbawa, mga solidong estado na baterya, na gumagamit ng isang solidong electrolyte sa halip na isang likido (o gel sa mga baterya ng lithium polymer). Ang solusyon na ito ay nagbibigay ng isang mas matatag na disenyo ng mga electrodes, na lumalabag sa kanilang integridad kapag sisingilin ng mataas na kasalukuyang, ayon sa pagkakabanggit. mataas na temperatura at mataas na pagkarga. Maaari nitong dagdagan ang kasalukuyang singilin, ang density ng electrode at capacitance. Ang mga solidong baterya ng estado ay nasa maagang yugto pa rin ng pag-unlad at malamang na hindi maabot ang paggawa ng masa hanggang kalagitnaan ng dekada.

Ang isa sa mga nagwaging award-up na startup sa 2017 BMW Innovation Technology Competition sa Amsterdam ay isang kumpanya na pinapatakbo ng baterya na ang silicon anode ay nagdaragdag ng density ng enerhiya. Ang mga inhinyero ay nagtatrabaho sa iba't ibang mga nanotechnology upang makapagbigay ng higit na density at lakas sa materyal ng parehong anode at cathode, at ang isang solusyon ay ang paggamit ng graphene. Ang mga mikroskopikong layer ng grapayt na may isang solong kapal ng atom at isang hexagonal atomic na istraktura ay isa sa mga pinaka-maaasahan na materyales. Ang "graphene ball" na binuo ng tagagawa ng baterya ng baterya na Samsung SDI, na isinama sa istraktura ng cathode at anode, ay nagbibigay ng mas mataas na lakas, pagkamatagusin at kakapalan ng materyal at kaukulang pagtaas sa kapasidad na halos 45% at limang beses na mas mabilis na singilin ang oras. ay maaaring makatanggap ng pinakamatibay na salpok mula sa mga kotse ng Formula E, na maaaring ang una ay nasangkapan sa mga naturang baterya.

Mga manlalaro sa yugtong ito

Ang mga pangunahing manlalaro bilang Tier 123 at Tier 2020 na mga supplier, ibig sabihin, mga tagagawa ng cell at baterya, ay ang Japan (Panasonic, Sony, GS Yuasa at Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam at SK Innovation), China (BYD Company) . , ATL at Lishen) at ang USA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel at Valence Technology). Ang mga pangunahing supplier ng mga cell phone ay kasalukuyang LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Japan), BYD (China) at CATL (China), na may market share na dalawang-katlo. Sa yugtong ito sa Europa, sinasalungat lamang sila ng BMZ Group mula sa Germany at Northvolth mula sa Sweden. Sa paglulunsad ng Tesla's Gigafactory noong XNUMX, magbabago ang proporsyon na ito - ang kumpanyang Amerikano ay magkakaroon ng XNUMX% ng produksyon ng mga cell ng lithium-ion sa mundo. Ang mga kumpanya tulad ng Daimler at BMW ay pumirma na ng mga kontrata sa ilan sa mga kumpanyang ito, tulad ng CATL, na nagtatayo ng planta sa Europe.