Električni avto včeraj, danes, jutri: 3. del

Izraz "litij-ionske baterije" skriva najrazličnejše tehnologije.

Ena stvar je gotova – dokler je litij-ionska elektrokemija v tem pogledu nespremenjena. Nobena druga elektrokemična tehnologija za shranjevanje energije se ne more kosati z litij-ionsko. Bistvo pa je, da obstajajo različne izvedbe, ki uporabljajo različne materiale za katodo, anodo in elektrolit, od katerih ima vsak različne prednosti v smislu trajnosti (število ciklov polnjenja in praznjenja do dovoljene preostale kapacitete za električna vozila 80%), specifična moč kWh/kg, cena eur/kg ali razmerje med močjo in močjo.

Nazaj v preteklost

Možnost izvajanja elektrokemijskih procesov v t.i. Litij-ionske celice izhajajo iz ločevanja litijevih protonov in elektronov iz litijevega spoja na katodi med polnjenjem. Atom litija zlahka odda enega od svojih treh elektronov, vendar je iz istega razloga zelo reaktiven in ga je treba izolirati od zraka in vode. V viru napetosti se elektroni začnejo premikati vzdolž svojega tokokroga, ioni pa se usmerijo na ogljikovo-litijevo anodo in se skozi membrano povežejo z njo. Med praznjenjem pride do obratnega gibanja - ioni se vrnejo na katodo, elektroni pa preidejo skozi zunanjo električno obremenitev. Hitro visokotokovno polnjenje in popolna izpraznitev pa povzroči nastanek novih trajnih povezav, kar zmanjša ali celo ustavi delovanje baterije. Zamisel o uporabi litija kot donorja delcev izhaja iz dejstva, da je najlažja kovina in lahko zlahka sprosti protone in elektrone pod pravimi pogoji. Vendar pa znanstveniki hitro opuščajo uporabo čistega litija zaradi njegove visoke hlapnosti, sposobnosti vezave z zrakom in varnostnih razlogov.

Prvo litij-ionsko baterijo je v sedemdesetih letih ustvaril Michael Whittingham, ki je kot elektrode uporabljal čisti litijev in titanov sulfid. Ta elektrokemija se ne uporablja več, ampak dejansko postavlja temelje za litij-ionske baterije. V sedemdesetih letih je Samar Basu dokazal sposobnost absorpcije litijevih ionov iz grafita, toda zaradi takratnih izkušenj so se baterije ob polnjenju in praznjenju hitro samouničavale. V osemdesetih letih prejšnjega stoletja so začeli intenzivno razvijati litijeve spojine za katodo in anodo baterij, pravi preboj pa je prišel leta 1970.

NCA, NCM litijeve celice ... kaj to v resnici pomeni?

Po eksperimentiranju z različnimi litijevimi spojinami leta 1991 so bila prizadevanja znanstvenikov okronana z uspehom - Sony je začel množično proizvodnjo litij-ionskih baterij. Trenutno imajo tovrstne baterije največjo izhodno moč in energijsko gostoto, predvsem pa pomemben potencial za razvoj. Glede na zahteve glede baterij se podjetja obračajo na različne litijeve spojine kot katodni material. To so litijev kobaltov oksid (LCO), spojine z nikljem, kobaltom in aluminijem (NCA) ali z nikljem, kobaltom in manganom (NCM), litijev železov fosfat (LFP), litijev manganov spinel (LMS), litijev titanov oksid (LTO) in drugi. Elektrolit je mešanica litijevih soli in organskih topil in je še posebej pomemben za »mobilnost« litijevih ionov, separator, ki s prepustnostjo za litijeve ione skrbi za preprečevanje kratkih stikov, pa je običajno polietilen ali polipropilen.

Izhodna moč, zmogljivost ali oboje

Najpomembnejše značilnosti baterij so gostota energije, zanesljivost in varnost. Trenutno proizvedene baterije pokrivajo širok spekter teh lastnosti in imajo glede na uporabljene materiale specifičen energijski razpon od 100 do 265 W / kg (in gostoto energije od 400 do 700 W / L). Najboljše v tem pogledu so baterije NCA in najslabše LFP-je. Vendar je material ena plat medalje. Za povečanje tako specifične energije kot energijske gostote se uporabljajo različne nanostrukture, da absorbirajo več materiala in zagotovijo večjo prevodnost ionskega toka. Veliko število ionov, "shranjenih" v stabilni spojini, in prevodnost so predpogoj za hitrejše polnjenje in razvoj je usmerjen v te smeri. Hkrati mora zasnova akumulatorja zagotavljati zahtevano razmerje med močjo in zmogljivostjo, odvisno od vrste pogona. Na primer, priključni hibridi morajo iz očitnih razlogov imeti veliko večje razmerje med močjo in zmogljivostjo. Današnji razvoj je osredotočen na baterije, kot sta NCA (LiNiCoAlO2 s katodo in grafitno anodo) in NMC 811 (LiNiMnCoO2 s katodo in grafitno anodo). Prvi vsebujejo (zunaj litija) približno 80% niklja, 15% kobalta in 5% aluminija in imajo specifično energijo 200-250 W / kg, kar pomeni, da imajo razmeroma omejeno uporabo kritičnega kobalta in življenjsko dobo do 1500 ciklov. Take baterije bo proizvajala Tesla v svoji Gigafactory v Nevadi. Ko bo dosegla načrtovano polno zmogljivost (leta 2020 ali 2021, odvisno od razmer), bo elektrarna proizvedla 35 GWh baterij, kar bo zadostovalo za pogon 500 vozil. To bo dodatno znižalo stroške baterij.

Baterije NMC 811 imajo nekoliko nižjo specifično energijo (140-200 W/kg), vendar imajo daljšo življenjsko dobo, ki doseže 2000 polnih ciklov, in so 80 % niklja, 10 % mangana in 10 % kobalta. Trenutno vsi proizvajalci baterij uporabljajo eno od teh dveh vrst. Edina izjema je kitajsko podjetje BYD, ki izdeluje LFP baterije. Avtomobili, opremljeni z njimi, so težji, vendar ne potrebujejo kobalta. Baterije NCA so prednostne za električna vozila in NMC za priključne hibride zaradi svojih prednosti v smislu gostote energije in gostote moči. Primera sta električni e-Golf z razmerjem med močjo in zmogljivostjo 2,8 in priključnohibridni Golf GTE z razmerjem 8,5. V imenu nižanja cene namerava VW uporabiti enake celice za vse vrste baterij. In še nekaj - večja kot je baterija, manj je polnih praznjenj in polnjenj, kar podaljša njeno življenjsko dobo, zato - večja kot je baterija, bolje je. Drugi se nanaša na hibride kot problem.

Tržni trendi

Trenutno povpraševanje po baterijah za transportne namene že presega povpraševanje po elektronskih izdelkih. Še vedno se predvideva, da bo do leta 2020 po vsem svetu prodanih 1,5 milijona električnih vozil na leto, kar bo pomagalo znižati stroške baterij. Leta 2010 je bila cena 1 kWh litij-ionske celice približno 900 evrov, zdaj pa je manj kot 200 evrov. 25 % stroškov celotne baterije je za katodo, 8 % za anodo, separator in elektrolit, 16 % za vse ostale baterijske celice in 35 % za celotno zasnovo baterije. Z drugimi besedami, litij-ionske celice prispevajo 65 odstotkov k ceni baterije. Ocenjene cene Tesle za leto 2020, ko bo Gigafactory 1 začel delovati, so okoli 300 €/kWh za baterije NCA in cena vključuje končni izdelek z nekaj povprečnega DDV in garancijo. Še vedno dokaj visoka cena, ki bo sčasoma še padala.

Glavne zaloge litija najdemo v Argentini, Boliviji, Čilu, Kitajski, ZDA, Avstraliji, Kanadi, Rusiji, Kongu in Srbiji, pri čemer se velika večina trenutno pridobiva iz presahlih jezer. Z nabiranjem vedno več baterij se bo povečeval trg materialov, recikliranih iz starih baterij. Pomembnejši pa je problem kobalta, ki se, čeprav je prisoten v velikih količinah, pridobiva kot stranski proizvod pri proizvodnji niklja in bakra. Kobalt se kljub nizki koncentraciji v tleh koplje v Kongu (ki ima največje razpoložljive rezerve), vendar pod pogoji, ki izpodbijajo etiko, moralo in varstvo okolja.

Napredna tehnologija

Upoštevati je treba, da tehnologije, sprejete kot perspektiva v bližnji prihodnosti, pravzaprav niso bistveno nove, temveč so litij-ionske možnosti. To so na primer polprevodniške baterije, ki namesto tekočine uporabljajo trden elektrolit (ali gel v litij-polimernih baterijah). Ta rešitev zagotavlja stabilnejšo zasnovo elektrod, kar pri polnjenju z visokim tokom krši njihovo celovitost. visoka temperatura in velika obremenitev. To lahko poveča polnilni tok, gostoto elektrode in kapacitivnost. Polprevodniške baterije so še vedno v zelo zgodnji fazi razvoja in malo verjetno bodo dosegle množično proizvodnjo do sredine desetletja.

Eden od nagrajenih zagonskih podjetij na tekmovanju BMW Innovation Technology Competition leta 2017 v Amsterdamu je bilo podjetje na baterije, katerega silicijeva anoda izboljša gostoto energije. Inženirji delajo na različnih nanotehnologijah, da bi anodnemu in katodnemu materialu zagotovili večjo gostoto in trdnost, ena od rešitev pa je uporaba grafena. Te mikroskopske plasti grafita z debelino enega atoma in heksagonalno atomsko strukturo so eden najbolj obetavnih materialov. "Grafenove kroglice", ki jih je razvil proizvajalec baterijskih celic Samsung SDI, integrirane v katodno in anodno strukturo, zagotavljajo večjo trdnost, prepustnost in gostoto materiala ter ustrezno povečanje zmogljivosti za približno 45% in petkrat hitrejši čas polnjenja. Te tehnologije lahko sprejme najmočnejši impulz iz avtomobilov formule E, ki so morda prvi opremljeni s takšnimi baterijami.

Igralci v tej fazi

Glavni akterji kot dobavitelji stopnje 123 in stopnje 2020, tj. proizvajalci celic in baterij, so Japonska (Panasonic, Sony, GS Yuasa in Hitachi Vehicle Energy), Koreja (LG Chem, Samsung, Kokam in SK Innovation), Kitajska (BYD Company ) . , ATL in Lishen) in ZDA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel in Valence Technology). Glavni dobavitelji mobilnih telefonov so trenutno LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Koreja), AESC (Japonska), BYD (Kitajska) in CATL (Kitajska), ki imajo dvotretjinski tržni delež. Na tej stopnji v Evropi jim nasproti stojita le nemški BMZ Group in švedski Northvolth. Z zagonom Tesline Gigafactory leta XNUMX se bo ta delež spremenil – ameriško podjetje bo predstavljalo XNUMX % svetovne proizvodnje litij-ionskih celic. Podjetja, kot sta Daimler in BMW, so že podpisala pogodbe z nekaterimi od teh podjetij, kot je CATL, ki gradi tovarno v Evropi.