Električni automobil jučer, danas, sutra: 3. dio

Izraz "litijum-jonske baterije" krije širok spektar tehnologija.

Jedno je sigurno – sve dok litijum-jonska elektrohemija ostaje nepromenjena u tom pogledu. Nijedna druga elektrohemijska tehnologija skladištenja energije ne može se takmičiti sa litijum-jonskom. Poenta je, međutim, da postoje različiti dizajni koji koriste različite materijale za katodu, anodu i elektrolit, od kojih svaki ima različite prednosti u pogledu trajnosti (broj ciklusa punjenja i pražnjenja do dozvoljenog preostalog kapaciteta za električna vozila od 80%), specifična snaga kWh/kg, cijena euro/kg ili odnos snage i snage.

Povratak u prošlost

Mogućnost izvođenja elektrohemijskih procesa u tzv. Litijum-jonske ćelije nastaju odvajanjem litijumskih protona i elektrona iz litijumskog spoja na katodi tokom punjenja. Atom litija lako donira jedan od svoja tri elektrona, ali iz istog razloga je vrlo reaktivan i mora biti izoliran od zraka i vode. U izvoru napona, elektroni se počinju kretati duž svog kruga, a ioni se usmjeravaju na ugljično-litijsku anodu i, prolazeći kroz membranu, spajaju se na nju. Tijekom pražnjenja dolazi do obrnutog kretanja - ioni se vraćaju na katodu, a elektroni, zauzvrat, prolaze kroz vanjsko električno opterećenje. Međutim, brzo punjenje visokom strujom i potpuno pražnjenje rezultira stvaranjem novih trajnih spojeva, što smanjuje ili čak zaustavlja funkciju baterije. Ideja koja stoji iza korištenja litijuma kao donora čestica proizlazi iz činjenice da je to najlakši metal i da može lako osloboditi protone i elektrone pod pravim uvjetima. Međutim, naučnici brzo napuštaju upotrebu čistog litijuma zbog njegove velike isparljivosti, njegove sposobnosti da se veže sa vazduhom i iz sigurnosnih razloga.

Prvu litijum-jonsku bateriju stvorio je 1970-ih Michael Whittingham, koji je kao elektrode koristio čisti litijum i titan sulfid. Ova elektrokemija se više ne koristi, ali zapravo postavlja temelje litijum-jonskim baterijama. Sedamdesetih godina prošlog stoljeća Samar Basu pokazao je sposobnost apsorpcije litijumovih jona iz grafita, ali zahvaljujući tadašnjem iskustvu, baterije su se brzo samouništavale kada se pune i prazne. Osamdesetih godina prošlog stoljeća intenzivan razvoj počeo je pronalaziti prikladne spojeve litija za katodu i anodu baterija, a pravi proboj dogodio se 1970. godine.

NCA, NCM litijumske ćelije ... što to zapravo znači?

Nakon eksperimentiranja s raznim litijumskim jedinjenjima 1991. godine, napori naučnika su okrunjeni uspjehom - Sony je započeo masovnu proizvodnju litijum-jonskih baterija. Trenutno baterije ovog tipa imaju najveću izlaznu snagu i gustoću energije, i što je najvažnije, značajan potencijal za razvoj. U zavisnosti od potreba baterija, kompanije se okreću različitim jedinjenjima litijuma kao katodnom materijalu. To su litijum kobalt oksid (LCO), jedinjenja sa niklom, kobaltom i aluminijumom (NCA) ili sa niklom, kobaltom i manganom (NCM), litijum gvožđe fosfat (LFP), litijum mangan spinel (LMS), litijum titan oksid (LTO) i drugi. Elektrolit je mješavina litijevih soli i organskih rastvarača i posebno je važan za "pokretljivost" litijum jona, a separator, koji je odgovoran za sprečavanje kratkih spojeva jer je propustljiv za litijeve jone, obično je polietilen ili polipropilen.

Izlazna snaga, kapacitet ili oboje

Najvažnije karakteristike baterija su gustina energije, pouzdanost i sigurnost. Trenutno proizvedene baterije pokrivaju širok spektar ovih kvaliteta i, ovisno o korištenim materijalima, imaju specifični raspon energije od 100 do 265 W / kg (i gustinu energije od 400 do 700 W / L). Najbolje u ovom pogledu su NCA baterije i najgori LFP-ovi. Međutim, materijal je jedna strana medalje. Da bi se povećala i specifična energija i gustina energije, koriste se razne nanostrukture za upijanje više materijala i obezbeđivanje veće provodljivosti jonskog toka. Veliki broj jona, "uskladištenih" u stabilnom spoju, i provodljivost preduvjeti su za brže punjenje, a razvoj je usmjeren u tim smjerovima. Istovremeno, dizajn baterije mora osigurati potreban omjer snage i kapaciteta, ovisno o vrsti pogona. Na primjer, plug-in hibridi iz očiglednih razloga moraju imati mnogo veći omjer snage i kapaciteta. Današnji razvoj fokusiran je na baterije poput NCA (LiNiCoAlO2 s katodom i grafitnom anodom) i NMC 811 (LiNiMnCoO2 s katodom i grafitnom anodom). Prvi sadrže (izvan litija) oko 80% nikla, 15% kobalta i 5% aluminija i imaju specifičnu energiju od 200-250 W / kg, što znači da imaju relativno ograničenu upotrebu kritičnog kobalta i vijek trajanja do 1500 ciklusa. Takve će baterije Tesla proizvoditi u svojoj Gigafactory u Nevadi. Kada dostigne planirani puni kapacitet (2020. ili 2021., ovisno o situaciji), tvornica će proizvoditi 35 GWh baterija, dovoljno za pogon 500 vozila. To će dodatno smanjiti troškove baterija.

NMC 811 baterije imaju nešto nižu specifičnu energiju (140-200W/kg), ali imaju duži vijek trajanja, dostižući 2000 punih ciklusa, i sastoje se od 80% nikla, 10% mangana i 10% kobalta. Trenutno svi proizvođači baterija koriste jedan od ova dva tipa. Jedini izuzetak je kineska kompanija BYD, koja proizvodi LFP baterije. Automobili opremljeni njima su teži, ali im nije potreban kobalt. NCA baterije su poželjnije za električna vozila, a NMC za plug-in hibride zbog svojih prednosti u smislu gustine energije i gustine snage. Primjeri su električni e-Golf sa omjerom snaga/kapacitet od 2,8 i plug-in hibridni Golf GTE sa omjerom od 8,5. U ime sniženja cijene, VW namjerava koristiti iste ćelije za sve vrste baterija. I još nešto - što je veći kapacitet baterije, to je manji broj punih pražnjenja i punjenja, a to produžava njen vijek trajanja, dakle - što je baterija veća, to bolje. Drugi se tiče hibrida kao problema.

Tržišni trendovi

Trenutno, potražnja za baterijama za transportne svrhe već premašuje potražnju za elektronskim proizvodima. I dalje se predviđa da će 2020 miliona električnih vozila godišnje biti prodato globalno do 1,5. godine, što će pomoći u smanjenju cijene baterija. U 2010. godini cijena 1 kWh litijum-jonske ćelije bila je oko 900 eura, a sada je manja od 200 eura. 25% cijene cijele baterije je za katodu, 8% za anodu, separator i elektrolit, 16% za sve ostale ćelije baterije i 35% za cjelokupni dizajn baterije. Drugim riječima, litijum-jonske ćelije doprinose 65 posto troškova baterije. Procijenjene cijene Tesle za 2020. kada Gigafactory 1 uđe u promet su oko 300€/kWh za NCA baterije i cijena uključuje gotov proizvod sa nekim prosječnim PDV-om i garancijom. I dalje prilično visoka cijena, koja će s vremenom nastaviti opadati.

Glavne rezerve litija nalaze se u Argentini, Boliviji, Čileu, Kini, SAD-u, Australiji, Kanadi, Rusiji, Kongu i Srbiji, pri čemu se velika većina trenutno kopa iz isušenih jezera. Kako se akumulira sve više i više, tržište za reciklirane materijale od starih baterija će se povećavati. Međutim, važniji je problem kobalta koji se, iako prisutan u velikim količinama, kopa kao nusproizvod u proizvodnji nikla i bakra. Kobalt se vadi, uprkos niskoj koncentraciji u tlu, u Kongu (koji ima najveće raspoložive rezerve), ali u uvjetima koji osporavaju etiku, moral i zaštitu okoliša.

Hi-tech

Treba imati na umu da tehnologije prihvaćene kao perspektiva u bliskoj budućnosti zapravo nisu u osnovi nove, već jesu litijum-jonske opcije. To su, na primjer, solid-state baterije koje koriste čvrsti elektrolit umjesto tečnosti (ili gel u litijum-polimernim baterijama). Ovo rješenje pruža stabilniji dizajn elektroda, što narušava njihov integritet kada se pune velikom strujom. visoka temperatura i veliko opterećenje. To može povećati struju punjenja, gustinu elektrode i kapacitet. Čvrste baterije su još uvijek u vrlo ranoj fazi razvoja i teško da će pogoditi masovnu proizvodnju do sredine decenije.

Jedan od nagrađivanih start-upova na BMW-ovom takmičenju u inovacijskoj tehnologiji 2017. u Amsterdamu bila je kompanija na baterije čija silikonska anoda poboljšava gustoću energije. Inženjeri rade na različitim nanotehnologijama kako bi osigurali veću gustoću i čvrstoću materijala i anode i katode, a jedno rješenje je upotreba grafena. Ovi mikroskopski slojevi grafita debljine jednog atoma i heksagonalne atomske strukture jedan su od materijala koji najviše obećavaju. "Grafenske kuglice" koje je razvio proizvođač baterijskih ćelija Samsung SDI, integrirane u katodnu i anodnu strukturu, pružaju veću čvrstoću, propusnost i gustoću materijala i odgovarajuće povećanje kapaciteta od oko 45% i pet puta brže vrijeme punjenja. Ove tehnologije mogu primiti najjači impuls iz automobila Formule E, koji bi mogli biti prvi opremljeni takvim baterijama.

Igrači u ovoj fazi

Glavni igrači kao Tier 123 i Tier 2020 dobavljači, tj. proizvođači ćelija i baterija, su Japan (Panasonic, Sony, GS Yuasa i Hitachi Vehicle Energy), Koreja (LG Chem, Samsung, Kokam i SK Innovation), Kina (BYD Company) . , ATL i Lishen) i SAD (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel i Valence Technology). Glavni dobavljači mobilnih telefona su trenutno LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Koreja), AESC (Japan), BYD (Kina) i CATL (Kina), koji imaju tržišni udio od dvije trećine. U ovoj fazi u Evropi, suprotstavljaju im se samo BMZ Group iz Njemačke i Northvolth iz Švedske. Pokretanjem Tesline Gigafabrike XNUMX. godine, ovaj omjer će se promijeniti - američka kompanija će činiti XNUMX% svjetske proizvodnje litijum-jonskih ćelija. Kompanije poput Daimlera i BMW-a već su potpisale ugovore sa nekim od ovih kompanija, kao što je CATL, koji gradi fabriku u Evropi.