Samochód elektryczny wczoraj, dziś, jutro: część 3

Termin „akumulatory litowo-jonowe” kryje w sobie wiele różnych technologii.

Jedno jest pewne – dopóki elektrochemia litowo-jonowa pozostanie w tym zakresie niezmieniona. Żadna inna technologia elektrochemicznego magazynowania energii nie może konkurować z litowo-jonowym. Chodzi jednak o to, że istnieją różne konstrukcje wykorzystujące różne materiały na katodę, anodę i elektrolit, z których każdy ma inne zalety pod względem trwałości (liczba cykli ładowania i rozładowania do dopuszczalnej pojemności szczątkowej dla pojazdów elektrycznych 80%), specyficzna moc kWh/kg, cena euro/kg lub stosunek mocy do mocy.

Cofnij się w czasie

Możliwość prowadzenia procesów elektrochemicznych w tzw. Ogniwa litowo-jonowe powstają w wyniku oddzielenia protonów i elektronów litu od złącza litu na katodzie podczas ładowania. Atom litu z łatwością przekazuje jeden ze swoich trzech elektronów, ale z tego samego powodu jest wysoce reaktywny i musi być odizolowany od powietrza i wody. W źródle napięcia elektrony zaczynają poruszać się wzdłuż swojego obwodu, a jony są kierowane do anody węglowo-litowej i przechodząc przez membranę, są z nią połączone. Podczas wyładowania następuje ruch odwrotny - jony wracają do katody, a elektrony z kolei przechodzą przez zewnętrzne obciążenie elektryczne. Jednak szybkie ładowanie dużym prądem i pełne rozładowanie powoduje powstawanie nowych trwałych połączeń, co ogranicza lub wręcz zatrzymuje działanie akumulatora. Idea wykorzystania litu jako donora cząstek wynika z faktu, że jest on najlżejszym metalem iw odpowiednich warunkach może z łatwością uwalniać protony i elektrony. Jednak naukowcy szybko rezygnują ze stosowania czystego litu ze względu na jego dużą lotność, zdolność wiązania z powietrzem oraz ze względów bezpieczeństwa.

Pierwszy akumulator litowo-jonowy został stworzony w 1970 roku przez Michaela Whittinghama, który użył czystego siarczku litu i tytanu jako elektrod. Ta elektrochemia nie jest już używana, ale w rzeczywistości stanowi podstawę dla akumulatorów litowo-jonowych. W latach 1970. Samar Basu wykazał zdolność do pochłaniania jonów litu z grafitu, ale dzięki doświadczeniu z tego okresu akumulatory szybko ulegają samozniszczeniu podczas ładowania i rozładowywania. Intensywny rozwój rozpoczął się w latach 1980. XX wieku, aby znaleźć odpowiednie związki litu dla katody i anody akumulatorów, a prawdziwy przełom nastąpił w 1991 r.

Ogniwa litowe NCA, NCM ... co to tak naprawdę znaczy?

Po eksperymentach z różnymi związkami litu w 1991 roku wysiłki naukowców zostały uwieńczone sukcesem – Sony rozpoczęło masową produkcję akumulatorów litowo-jonowych. Obecnie akumulatory tego typu charakteryzują się największą mocą wyjściową i gęstością energii, a co najważniejsze znaczącym potencjałem rozwoju. W zależności od wymagań baterii, firmy zwracają się do różnych związków litu jako materiału katodowego. Są to tlenek litowo-kobaltowy (LCO), związki z niklem, kobaltem i glinem (NCA) lub z niklem, kobaltem i manganem (NCM), fosforan litowo-żelazowy (LFP), spinel litowo-manganowy (LMS), tlenek litowo-tytanowy (LTO) i inni. Elektrolit jest mieszaniną soli litu i rozpuszczalników organicznych i jest szczególnie ważny dla „ruchliwości” jonów litu, a separatorem, który dzięki przepuszczalności dla jonów litu odpowiada za zapobieganie zwarciom, jest zwykle polietylen lub polipropylen.

Moc wyjściowa, pojemność lub jedno i drugie

Najważniejsze cechy baterii to energia właściwa, niezawodność i bezpieczeństwo. Obecnie produkowane baterie pokrywają szeroki zakres tych jakości i, w zależności od użytych materiałów, mają określony zakres energii od 100 do 265 W / kg (i gęstość energii od 400 do 700 W / l). Najlepsze pod tym względem są akumulatory NCA i najgorsze LFP. Jednak materiał jest jedną stroną medalu. Aby zwiększyć zarówno energię właściwą, jak i gęstość energii, stosuje się różne nanostruktury do pochłaniania większej ilości materiału i zapewnienia wyższej przewodności strumienia jonów. Duża liczba jonów „przechowywanych” w stabilnym związku, a przewodnictwo są warunkiem wstępnym szybszego ładowania, a rozwój ukierunkowany jest w tych kierunkach. Jednocześnie konstrukcja akumulatora powinna zapewniać niezbędny stosunek mocy do pojemności, w zależności od rodzaju napędu. Na przykład hybrydy typu plug-in muszą mieć znacznie wyższy stosunek mocy do pojemności z oczywistych powodów. Dzisiejsze osiągnięcia koncentrują się na akumulatorach typu NCA (LiNiCoAlO2 z katodą i anodą grafitową) oraz NMC 811 (LiNiMnCoO2 z katodą i anodą grafitową). Te pierwsze zawierają (poza litem) około 80% niklu, 15% kobaltu i 5% aluminium i mają energię właściwą 200–250 W / kg, co oznacza, że ​​mają stosunkowo ograniczone zużycie krytycznego kobaltu i żywotność do 1500 cykli. Takie akumulatory będą produkowane przez Teslę w jej Gigafactory w Nevadzie. Kiedy osiągnie planowaną pełną pojemność (w 2020 lub 2021 r., W zależności od sytuacji), fabryka wyprodukuje 35 GWh akumulatorów, co wystarczy na wyposażenie 500 000 samochodów. To jeszcze bardziej obniży koszty baterii.

Baterie NMC 811 mają nieco niższą energię właściwą (140-200 W/kg), ale mają dłuższą żywotność, sięgającą 2000 pełnych cykli i zawierają 80% niklu, 10% manganu i 10% kobaltu. Obecnie wszyscy producenci akumulatorów stosują jeden z tych dwóch typów. Jedynym wyjątkiem jest chińska firma BYD, która produkuje akumulatory LFP. Samochody w nie wyposażone są cięższe, ale nie potrzebują kobaltu. Akumulatory NCA są preferowane w pojazdach elektrycznych, a akumulatory NMC w hybrydach typu plug-in ze względu na ich zalety pod względem gęstości energii i gęstości mocy. Przykładami są elektryczny e-Golf ze stosunkiem mocy do pojemności 2,8 i hybrydowy Golf GTE typu plug-in ze stosunkiem 8,5. W imię obniżenia ceny VW zamierza stosować te same ogniwa do wszystkich typów akumulatorów. I jeszcze jedno - im większa pojemność akumulatora, tym mniejsza liczba pełnych rozładowań i ładowań, a to zwiększa jego żywotność, dlatego - im większy akumulator, tym lepiej. Drugi dotyczy hybryd jako problemu.

Trendy marketowe

Obecnie zapotrzebowanie na baterie do celów transportowych już przekracza zapotrzebowanie na produkty elektroniczne. Nadal przewiduje się, że do 2020 roku na całym świecie będzie sprzedawanych 1,5 miliona pojazdów elektrycznych rocznie, co pomoże obniżyć koszty akumulatorów. W 2010 roku cena 1 kWh ogniwa litowo-jonowego wynosiła około 900 euro, a teraz jest to mniej niż 200 euro. 25% kosztów całej baterii przypada na katodę, 8% na anodę, separator i elektrolit, 16% na wszystkie inne ogniwa baterii i 35% na ogólny projekt baterii. Innymi słowy, ogniwa litowo-jonowe stanowią 65 procent kosztów baterii. Szacunkowe ceny Tesli na rok 2020, kiedy Gigafactory 1 wejdzie do użytku, wynoszą około 300 €/kWh dla akumulatorów NCA, a cena obejmuje gotowy produkt z pewnym średnim podatkiem VAT i gwarancją. Nadal dość wysoka cena, która z czasem będzie nadal spadać.

Główne rezerwy litu znajdują się w Argentynie, Boliwii, Chile, Chinach, USA, Australii, Kanadzie, Rosji, Kongu i Serbii, przy czym zdecydowana większość jest obecnie wydobywana z suchych jezior. Wraz z nagromadzeniem się coraz większej liczby baterii, rynek materiałów pochodzących z recyklingu starych baterii wzrośnie. Ważniejszy jest jednak problem kobaltu, który - choć występuje w dużych ilościach - jest wydobywany jako produkt uboczny przy produkcji niklu i miedzi. Pomimo niskiego stężenia w glebie kobalt jest wydobywany w Kongu (który ma największe dostępne zasoby), ale w warunkach, które podważają etykę, moralność i ochronę środowiska.

Hi-tech

Należy pamiętać, że technologie przyjęte jako perspektywa najbliższej przyszłości nie są zasadniczo nowe, ale są opcjami litowo-jonowymi. Takimi na przykład są baterie półprzewodnikowe, w których zamiast cieczy stosuje się elektrolit stały (lub żel w bateriach litowo-polimerowych). To rozwiązanie zapewnia bardziej stabilną konstrukcję elektrod, co narusza ich integralność odpowiednio podczas ładowania wysokim prądem. wysoka temperatura i wysokie obciążenie. Może to zwiększyć prąd ładowania, gęstość elektrody i pojemność. Baterie półprzewodnikowe są wciąż na bardzo wczesnym etapie rozwoju i jest mało prawdopodobne, że pojawią się w masowej produkcji do połowy dekady.

Jednym z nagrodzonych start-upów na konkursie BMW Innovation Technology Competition 2017 w Amsterdamie była firma zasilana bateryjnie, której anoda krzemowa poprawia gęstość energii. Inżynierowie pracują nad różnymi nanotechnologiami, aby zapewnić większą gęstość i wytrzymałość zarówno materiału anodowego, jak i katodowego, a jednym z rozwiązań jest zastosowanie grafenu. Te mikroskopijne warstwy grafitu o grubości pojedynczego atomu i heksagonalnej strukturze atomowej są jednymi z najbardziej obiecujących materiałów. „Kule grafenowe” opracowane przez producenta ogniw akumulatorowych Samsung SDI, zintegrowane ze strukturą katody i anody, zapewniają większą wytrzymałość, przepuszczalność i gęstość materiału oraz odpowiedni wzrost pojemności o około 45% i pięciokrotnie szybszy czas ładowania.Te technologie może otrzymać najsilniejszy impuls od samochodów Formuły E, które być może jako pierwsze będą wyposażone w takie akumulatory.

Gracze na tym etapie

Głównymi graczami jako dostawcy Tier 123 i Tier 2020, tj. producenci ogniw i akumulatorów, są Japonia (Panasonic, Sony, GS Yuasa i Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam i SK Innovation), Chiny (firma BYD) . , ATL i Lishen) oraz USA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel i Valence Technology). Głównymi dostawcami telefonów komórkowych są obecnie LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Japonia), BYD (Chiny) i CATL (Chiny), których udział w rynku wynosi dwie trzecie. Na tym etapie w Europie przeciwstawiają się im jedynie BMZ Group z Niemiec i Northvolth ze Szwecji. Wraz z uruchomieniem Gigafactory Tesli w XNUMX roku ta proporcja ulegnie zmianie – amerykańska firma będzie odpowiadać za XNUMX% światowej produkcji ogniw litowo-jonowych. Firmy takie jak Daimler czy BMW podpisały już umowy z niektórymi z nich, jak np. CATL, który buduje fabrykę w Europie.