Električni automobil jučer, danas, sutra: 3. dio

Izraz "litij-ionske baterije" krije širok spektar tehnologija.

Jedno je sigurno – sve dok litij-ionska elektrokemija u tom pogledu ostane nepromijenjena. Nijedna druga elektrokemijska tehnologija za pohranu energije ne može se natjecati s litij-ionskom. Poanta 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 dopuštenog preostalog kapaciteta za električna vozila od 80%), specifična snaga kWh/kg, cijena euro/kg ili omjer snage i snage.

Natrag u vremenu

Mogućnost provođenja elektrokemijskih procesa u tzv. Litij-ionske ćelije nastaju odvajanjem litijevih protona i elektrona iz litijeva spoja na katodi tijekom punjenja. Atom litija lako preda jedan od svoja tri elektrona, ali iz istog je razloga vrlo reaktivan i mora se izolirati 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 veza, što smanjuje ili čak zaustavlja funkciju baterije. Ideja koja stoji iza korištenja litija kao donora čestica proizlazi iz činjenice da je on najlakši metal i može lako otpuštati protone i elektrone pod pravim uvjetima. Međutim, znanstvenici ubrzano napuštaju upotrebu čistog litija zbog njegove visoke hlapljivosti, sposobnosti vezivanja sa zrakom i iz sigurnosnih razloga.

Prvu litij-ionsku bateriju stvorio je 1970-ih Michael Whittingham, koji je kao elektrode koristio čisti litij i titan-sulfid. Ova se elektrokemija više ne koristi, ali zapravo postavlja temelje litij-ionskim baterijama. Sedamdesetih godina prošlog stoljeća Samar Basu pokazao je sposobnost apsorpcije litijevih iona iz grafita, ali zahvaljujući tadašnjem iskustvu, baterije su se brzo samouništavale kad su se punile i praznile. Osamdesetih godina prošlog stoljeća intenzivni razvoj počeo je pronalaziti prikladne litijeve spojeve za katodu i anodu baterija, a pravi proboj dogodio se 1970. godine.

NCA, NCM litijeve stanice ... što to zapravo znači?

Nakon eksperimentiranja s raznim spojevima litija 1991. godine, napori znanstvenika bili su okrunjeni uspjehom - Sony je započeo masovnu proizvodnju litij-ionskih baterija. Trenutno baterije ove vrste imaju najveću izlaznu snagu i gustoću energije, i što je najvažnije, značajan potencijal za razvoj. Ovisno o zahtjevima baterije, tvrtke se okreću različitim litijevim spojevima kao katodnom materijalu. To su litij kobalt oksid (LCO), spojevi s niklom, kobaltom i aluminijem (NCA) ili s niklom, kobaltom i manganom (NCM), litij željezo fosfat (LFP), litij mangan spinel (LMS), litij titan oksid (LTO) i drugi. Elektrolit je mješavina soli litija i organskih otapala te je posebno važan za "pokretljivost" iona litija, a separator koji je propusnost za ione litija zadužen za sprječavanje kratkih spojeva najčešće je polietilen ili polipropilen.

Izlazna snaga, kapacitet ili oboje

Najvažnije karakteristike baterija su gustoća energije, pouzdanost i sigurnost. Trenutno proizvedene baterije pokrivaju širok raspon ovih kvaliteta i, ovisno o korištenim materijalima, imaju specifični raspon energije od 100 do 265 W / kg (i gustoću energije od 400 do 700 W / L). Najbolje u tom pogledu su NCA baterije i najgori LFP-ovi. Međutim, materijal je jedna strana medalje. Da bi se povećala i specifična energija i gustoća energije, koriste se razne nanostrukture za upijanje više materijala i osiguravanje veće vodljivosti ionskog toka. Veliki broj iona, "pohranjenih" u stabilnom spoju, i vodljivost preduvjeti su za brže punjenje, a razvoj je usmjeren u tim smjerovima. Istodobno, dizajn baterije mora osigurati potreban omjer snage i kapaciteta, ovisno o vrsti pogona. Na primjer, plug-in hibridi iz očitih razloga moraju imati puno 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 radni vijek do 1500 ciklusa. Takve će baterije Tesla proizvoditi u svojoj Gigafactory u Nevadi. Kada dosegne planirani puni kapacitet (2020. ili 2021., ovisno o situaciji), tvornica će proizvoditi 35 GWh baterija, dovoljno za pogon 500 000 vozila. To će dodatno smanjiti troškove baterija.

Baterije NMC 811 imaju nešto nižu specifičnu energiju (140-200 W/kg), ali imaju duži vijek trajanja, dosežući 2000 punih ciklusa, i sastoje se od 80% nikla, 10% mangana i 10% kobalta. Trenutno svi proizvođači baterija koriste jednu od ova dva tipa. Jedina iznimka je kineska tvrtka BYD koja proizvodi LFP baterije. Automobili opremljeni njima su teži, ali ne trebaju kobalt. NCA baterije preferiraju se za električna vozila, a NMC za plug-in hibride zbog svojih prednosti u pogledu gustoće energije i gustoće snage. Primjeri su električni e-Golf s omjerom snaga/kapacitet 2,8 i plug-in hibridni Golf GTE s omjerom 8,5. U ime snižavanja 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 time se produžuje njen vijek trajanja, dakle - što je baterija veća, to bolje. Drugi se tiče hibrida kao problema.

Tržišni trendovi

Trenutačno potražnja za baterijama za prijevoz već premašuje potražnju za elektroničkim proizvodima. I dalje se predviđa da će se do 2020. globalno prodavati 1,5 milijuna električnih vozila godišnje, što će pomoći u smanjenju troškova baterija. 2010. godine cijena 1 kWh litij-ionske ćelije iznosila je oko 900 eura, a sada je ispod 200 eura. 25% cijene cijele baterije odnosi se na katodu, 8% na anodu, separator i elektrolit, 16% na sve ostale ćelije baterije i 35% na cjelokupni dizajn baterije. Drugim riječima, litij-ionske ćelije doprinose 65 posto trošku baterije. Procijenjene cijene Tesle za 2020. kada Gigafactory 1 uđe u službu su oko 300 €/kWh za NCA baterije i cijena uključuje gotov proizvod s nekim prosječnim PDV-om i jamstvom. Još uvijek prilično visoka cijena, koja će s vremenom nastaviti padati.

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, unatoč niskoj koncentraciji u tlu, u Kongu (koji ima najveće dostupne rezerve), ali u uvjetima koji osporavaju etiku, moral i zaštitu okoliša.

Napredna tehnologija

Treba imati na umu da tehnologije usvojene kao perspektiva za blisku budućnost zapravo nisu u osnovi nove, već jesu litij-ionske mogućnosti. To su, na primjer, čvrste baterije, koje koriste čvrsti elektrolit umjesto tekućine (ili gel u litij polimernim baterijama). Ovo rješenje osigurava stabilniji dizajn elektroda, što narušava njihov integritet kada se napune velikom strujom. visoka temperatura i veliko opterećenje. To može povećati struju punjenja, gustoću elektrode i kapacitet. Čvrste baterije su još uvijek u vrlo ranoj fazi razvoja i vjerojatno neće pogoditi masovnu proizvodnju do sredine desetljeća.

Jedan od nagrađivanih startupa na BMW-ovom natjecanju u inovacijskoj tehnologiji 2017. u Amsterdamu bila je tvrtka na baterije čija silicijska anoda povećava gustoću energije. Inženjeri rade na različitim nanotehnologijama kako bi osigurali veću gustoću i čvrstoću materijala i anode i katode, a jedno je rješenje korištenje grafena. Ti mikroskopski slojevi grafita s jednom debljinom atoma i heksagonalnom atomskom strukturom jedan su od najperspektivnijih materijala. "Kuglice od grafena" koje je razvio proizvođač baterijskih ćelija Samsung SDI, integrirane u strukturu katode i anode, pružaju veću čvrstoću, propusnost i gustoću materijala te odgovarajuće povećanje kapaciteta od oko 45% i pet puta brže vrijeme punjenja. 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 mobitela trenutno su LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Koreja), AESC (Japan), BYD (Kina) i CATL (Kina) koji imaju dvotrećinski tržišni udio. U ovoj fazi u Europi jedino im se suprotstavlja BMZ Group iz Njemačke i Northvolth iz Švedske. Pokretanjem Tesline Gigafactory XNUMX. godine taj će se omjer promijeniti – američka tvrtka će činiti XNUMX% svjetske proizvodnje litij-ionskih ćelija. Tvrtke poput Daimlera i BMW-a već su potpisale ugovore s nekima od tih tvrtki, poput CATL-a koji gradi tvornicu u Europi.