Електрически автомобил вчера, днес, утре: част 3

Терминът "литиево-йонни батерии" крие голямо разнообразие от технологии.

Едно е сигурно – стига литиево-йонната електрохимия да остане непроменена в това отношение. Никоя друга електрохимична технология за съхранение на енергия не може да се конкурира с литиево-йонната. Въпросът обаче е, че има различни дизайни, които използват различни материали за катод, анод и електролит, всеки от които има различни предимства по отношение на издръжливостта (броя цикли на зареждане и разреждане до допустим остатъчен капацитет за електрически превозни средства от 80%), специфична мощност kWh/kg, цена евро/kg или съотношение мощност към мощност.

Назад във времето

Възможността за провеждане на електрохимични процеси в т.нар. Литиево-йонните клетки идват от отделянето на литиевите протони и електрони от литиевия преход на катода по време на зареждане. Литиевият атом лесно отдава един от трите си електрона, но поради същата причина е силно реактивен и трябва да бъде изолиран от въздуха и водата. В източника на напрежение електроните започват да се движат по своята верига, а йоните се насочват към въглеродно-литиевия анод и, преминавайки през мембраната, се свързват с него. По време на разряда възниква обратното движение - йоните се връщат към катода, а електроните от своя страна преминават през външния електрически товар. Въпреки това бързото зареждане с висок ток и пълното разреждане води до образуването на нови трайни връзки, което намалява или дори спира функцията на батерията. Идеята зад използването на литий като донор на частици произтича от факта, че той е най-лекият метал и може лесно да освобождава протони и електрони при правилните условия. Учените обаче бързо се отказват от използването на чист литий поради високата му летливост, способността му да се свързва с въздуха и от съображения за безопасност.

Първата литиево-йонна батерия е създадена през 1970-те години на миналия век от Майкъл Уитингам, който използва чист литиев и титанов сулфид като електроди. Тази електрохимия вече не се използва, но всъщност поставя основите на литиево-йонните батерии. През 1970-те години на миналия век Самар Басу демонстрира способността да абсорбира литиеви йони от графит, но благодарение на опита от онова време, батериите бързо се самоунищожават при зареждане и разреждане. През 1980 -те години интензивното развитие започва да намира подходящи литиеви съединения за катода и анода на батериите, а истинският пробив идва през 1991 г.

NCA, NCM литиеви клетки ... какво всъщност означава това?

След експерименти с различни литиеви съединения през 1991 г., усилията на учените бяха увенчани с успех - Sony започна масово производство на литиево-йонни батерии. В момента батериите от този тип имат най-висока изходна мощност и енергийна плътност и най-важното - значителен потенциал за развитие. В зависимост от изискванията към батерията, компаниите се обръщат към различни литиеви съединения като катоден материал. Това са литиево-кобалтов оксид (LCO), съединения с никел, кобалт и алуминий (NCA) или с никел, кобалт и манган (NCM), литиево-железен фосфат (LFP), литиево-манганов шпинел (LMS), литиево-титанов оксид (LTO) и други. Електролитът е смес от литиеви соли и органични разтворители и е особено важен за "мобилността" на литиевите йони, а сепараторът, който отговаря за предотвратяването на късо съединение, като е пропусклив за литиеви йони, обикновено е полиетилен или полипропилен.

Изходна мощност, капацитет или и двете

Най -важните характеристики на батериите са енергийна плътност, надеждност и безопасност. Понастоящем произведените батерии покриват широк спектър от тези качества и в зависимост от използваните материали имат специфичен енергиен диапазон от 100 до 265 W / kg (и енергийна плътност от 400 до 700 W / L). Най -добрите в това отношение са батериите NCA и най -лошите LFP. Материалът обаче е едната страна на монетата. За да се увеличи както специфичната енергия, така и енергийната плътност, се използват различни наноструктури, за да се абсорбира повече материал и да се осигури по -висока проводимост на йонния поток. Голям брой йони, "съхранявани" в стабилно съединение, и проводимостта са предпоставки за по -бързо зареждане и развитието е насочено в тези посоки. В същото време дизайнът на батерията трябва да осигурява необходимото съотношение мощност към капацитет в зависимост от типа на задвижването. Например, plug-in хибридите трябва да имат много по-високо съотношение мощност към капацитет по очевидни причини. Днешните разработки са фокусирани върху батерии като NCA (LiNiCoAlO2 с катоден и графитен анод) и NMC 811 (LiNiMnCoO2 с катод и графитен анод). Първите съдържат (извън лития) около 80% никел, 15% кобалт и 5% алуминий и имат специфична енергия от 200-250 W / kg, което означава, че имат относително ограничено използване на критичен кобалт и експлоатационен живот от до 1500 цикъла. Такива батерии ще бъдат произведени от Tesla в Gigafactory в Невада. Когато достигне планирания си пълен капацитет (през 2020 или 2021 г., в зависимост от ситуацията), централата ще произвежда 35 GWh батерии, достатъчни за захранване на 500 000 превозни средства. Това допълнително ще намали цената на батериите.

Батериите NMC 811 имат малко по-ниска специфична енергия (140-200W/kg), но имат по-дълъг живот, достигащ 2000 пълни цикъла, и са 80% никел, 10% манган и 10% кобалт. В момента всички производители на батерии използват един от тези два типа. Единственото изключение е китайската компания BYD, която произвежда LFP батерии. Автомобилите, оборудвани с тях, са по-тежки, но не се нуждаят от кобалт. NCA батериите са предпочитани за електрически превозни средства и NMC за plug-in хибриди поради съответните им предимства по отношение на енергийна плътност и плътност на мощността. Примери за това са електрическият e-Golf със съотношение мощност/капацитет 2,8 и plug-in хибридът Golf GTE със съотношение 8,5. В името на понижаването на цената VW възнамерява да използва едни и същи клетки за всички видове батерии. И още нещо - колкото по-голям е капацитетът на батерията, толкова по-малък е броят на пълните разреждания и зареждания, а това увеличава експлоатационния й живот, следователно - колкото по-голяма е батерията, толкова по-добре. Вторият се отнася до хибридите като проблем.

Пазарни тенденции

В момента търсенето на батерии за транспортни цели вече надхвърля търсенето на електронни продукти. Все още се предвижда, че 2020 милиона електрически превозни средства годишно ще бъдат продавани в световен мащаб до 1,5 г., което ще помогне за намаляване на цената на батериите. През 2010 г. цената на 1 kWh литиево-йонна клетка беше около 900 евро, а сега е под 200 евро. 25% от цената на цялата батерия е за катода, 8% за анода, сепаратора и електролита, 16% за всички останали батерийни клетки и 35% за цялостния дизайн на батерията. С други думи, литиево-йонните клетки допринасят с 65 процента за цената на една батерия. Прогнозните цени на Tesla за 2020 г., когато Gigafactory 1 влезе в експлоатация, са около 300 €/kWh за батерии на NCA и цената включва крайния продукт с някакъв среден ДДС и гаранция. Все още доста висока цена, която ще продължи да намалява с времето.

Основните запаси от литий се намират в Аржентина, Боливия, Чили, Китай, САЩ, Австралия, Канада, Русия, Конго и Сърбия, като по-голямата част в момента се добива от пресъхнали езера. С натрупването на все повече и повече батерии, пазарът на материали, рециклирани от стари батерии, ще се увеличи. По-важен обаче е проблемът с кобалта, който, въпреки че присъства в големи количества, се добива като страничен продукт при производството на никел и мед. Кобалтът се добива, въпреки ниската си почвена концентрация, в Конго (който има най -големите налични запаси), но при условия, които предизвикват етиката, морала и опазването на околната среда.

Разширена технология

Трябва да се има предвид, че технологиите, взети като перспектива в близко бъдеще, всъщност не са принципно нови, но са литиево-йонни опции. Това са например твърди батерии, които използват твърд електролит вместо течност (или гел в литиево-полимерни батерии). Това решение осигурява по -стабилен дизайн на електродите, което нарушава тяхната цялост при зареждане съответно с висок ток. висока температура и голямо натоварване. Това може да увеличи тока на зареждане, плътността на електрода и капацитета. Твърдите батерии са все още в много ранен етап на развитие и е малко вероятно да ударят масовото производство до средата на десетилетието.

Един от награждаваните стартиращи фирми на BMW Innovation Technology Competition в Амстердам през 2017 г. беше компания, работеща с батерии, чийто силиконов анод увеличава енергийната плътност. Инженерите работят по различни нанотехнологии, за да осигурят по -голяма плътност и здравина на материала както на анода, така и на катода, а едното решение е да се използва графен. Тези микроскопични слоеве графит с единична дебелина на атома и шестоъгълна атомна структура са един от най -обещаващите материали. "Графеновите топки", разработени от производителя на акумулаторни клетки Samsung SDI, интегрирани в структурата на катода и анода, осигуряват по -висока якост, пропускливост и плътност на материала и съответно увеличаване на капацитета от около 45% и пет пъти по -бързо време на зареждане. технологиите могат да получат най -силния импулс от автомобилите от Формула Е, които може да са първите, оборудвани с такива батерии.

Играчите на този етап

Основните играчи като доставчици от ниво 123 и ниво 2020, т.е. производители на клетки и батерии, са Япония (Panasonic, Sony, GS Yuasa и Hitachi Vehicle Energy), Корея (LG Chem, Samsung, Kokam и SK Innovation), Китай (BYD Company) . , ATL и Lishen) и САЩ (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel и Valence Technology). Основните доставчици на мобилни телефони в момента са LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Корея), AESC (Япония), BYD (Китай) и CATL (Китай), които имат пазарен дял от две трети. На този етап в Европа им се противопоставят единствено BMZ Group от Германия и Northvolth от Швеция. С пускането на Gigafactory на Tesla през XNUMX г. това съотношение ще се промени - американската компания ще представлява XNUMX% от световното производство на литиево-йонни клетки. Компании като Daimler и BMW вече са подписали договори с някои от тези компании, като CATL, която строи завод в Европа.