Elektriskā automašīna vakar, šodien, rīt: 3. daļa
saturs
Termins "litija jonu akumulatori" slēpj ļoti dažādas tehnoloģijas.
Viena lieta ir droša - kamēr litija jonu elektroķīmija šajā ziņā nemainās. Neviena cita elektroķīmiskā enerģijas uzglabāšanas tehnoloģija nevar konkurēt ar litija jonu. Tomēr būtība ir tāda, ka ir dažādas konstrukcijas, kurās tiek izmantoti dažādi materiāli katodam, anodam un elektrolītam, un katram no tiem ir atšķirīgas priekšrocības attiecībā uz izturību (uzlādes un izlādes ciklu skaits līdz pieļaujamajai atlikušajai jaudai elektriskajiem transportlīdzekļiem 80%), īpatnējā jauda kWh/kg, cena eiro/kg vai jaudas un jaudas attiecība.
Atpakaļ laikā
Iespēja veikt elektroķīmiskos procesus t.s. Litija jonu šūnas rodas no litija protonu un elektronu atdalīšanas no litija savienojuma pie katoda uzlādes laikā. Litija atoms viegli ziedo vienu no saviem trim elektroniem, taču tā paša iemesla dēļ tas ir ļoti reaktīvs un ir jāizolē no gaisa un ūdens. Sprieguma avotā elektroni sāk kustēties pa savu ķēdi, un joni tiek novirzīti uz oglekļa-litija anodu un, ejot cauri membrānai, tiek savienoti ar to. Izlādes laikā notiek apgrieztā kustība - joni atgriežas katodā, un elektroni, savukārt, iziet cauri ārējai elektriskajai slodzei. Taču ātras lielas strāvas uzlādes un pilnīgas izlādes rezultātā veidojas jauni izturīgi savienojumi, kas samazina vai pat aptur akumulatora darbību. Ideja par litija izmantošanu kā daļiņu donoru izriet no tā, ka tas ir vieglākais metāls un var viegli atbrīvot protonus un elektronus pareizos apstākļos. Tomēr zinātnieki strauji atsakās no tīra litija izmantošanas tā lielās nepastāvības, spējas savienoties ar gaisu un drošības apsvērumu dēļ.
Pirmo litija jonu akumulatoru 1970. gados izveidoja Maikls Vitingems, kurš kā elektrodus izmantoja tīru litiju un titāna sulfīdu. Šī elektroķīmija vairs netiek izmantota, bet faktiski tiek likti pamati litija jonu akumulatoriem. Pagājušā gadsimta 1970. gados Samars Basu parādīja spēju absorbēt litija jonus no grafīta, taču, pateicoties tā laika pieredzei, akumulatori, uzlādējot un izlādējoties, ātri pašiznīcinās. Astoņdesmitajos gados intensīvi izstrādājot sāka atrast piemērotus litija savienojumus bateriju katodam un anodam, un reālais sasniegums notika 1980. gadā.
NCA, NCM litija šūnas ... ko tas īsti nozīmē?
Pēc eksperimentēšanas ar dažādiem litija savienojumiem 1991. gadā zinātnieku centieni vainagojās panākumiem – Sony uzsāka litija jonu akumulatoru masveida ražošanu. Pašlaik šāda veida akumulatoriem ir vislielākā izejas jauda un enerģijas blīvums, un, pats galvenais, ievērojams attīstības potenciāls. Atkarībā no akumulatora prasībām uzņēmumi izmanto dažādus litija savienojumus kā katoda materiālu. Tie ir litija kobalta oksīds (LCO), savienojumi ar niķeli, kobaltu un alumīniju (NCA) vai ar niķeli, kobaltu un mangānu (NCM), litija dzelzs fosfāts (LFP), litija mangāna spinelis (LMS), litija titāna oksīds (LTO) un citi. Elektrolīts ir litija sāļu un organisko šķīdinātāju maisījums, un tas ir īpaši svarīgs litija jonu "mobilitātei", un separators, kas ir atbildīgs par īssavienojumu novēršanu, jo ir caurlaidīgs litija joniem, parasti ir polietilēns vai polipropilēns.
Izejas jauda, jauda vai abi
Vissvarīgākās bateriju īpašības ir enerģijas blīvums, uzticamība un drošība. Patlaban saražotās baterijas aptver plašu šo īpašību klāstu, un to īpašais enerģijas diapazons atkarībā no izmantotajiem materiāliem ir no 100 līdz 265 W / kg (un enerģijas blīvums ir no 400 līdz 700 W / L). Vislabākie šajā ziņā ir NCA akumulatori un vissliktākie LFP. Tomēr materiāls ir viena monētas puse. Lai palielinātu gan specifisko enerģiju, gan enerģijas blīvumu, tiek izmantotas dažādas nanostruktūras, lai absorbētu vairāk materiālu un nodrošinātu lielāku jonu plūsmas vadītspēju. Liels skaits jonu, kas "uzglabāti" stabilā savienojumā, un vadītspēja ir priekšnoteikumi ātrākai uzlādei, un attīstība tiek virzīta šajos virzienos. Tajā pašā laikā akumulatora konstrukcijai jānodrošina nepieciešamā jaudas un jaudas attiecība atkarībā no piedziņas veida. Piemēram, spraudņu hibrīdiem acīmredzamu iemeslu dēļ jābūt daudz lielākai jaudas un jaudas attiecībai. Mūsdienu attīstība ir vērsta uz tādām baterijām kā NCA (LiNiCoAlO2 ar katodu un grafīta anodu) un NMC 811 (LiNiMnCoO2 ar katodu un grafīta anodu). Pirmie satur (ārpus litija) apmēram 80% niķeļa, 15% kobalta un 5% alumīnija, un to īpatnējā enerģija ir 200–250 W / kg, kas nozīmē, ka tiem ir salīdzinoši ierobežots kritiskā kobalta lietojums un kalpošanas laiks līdz 1500 cikliem. Šādas baterijas Tesla ražos savā Gigafactory Nevadā. Kad tā sasniegs plānoto pilnu jaudu (2020. vai 2021. gadā, atkarībā no situācijas), rūpnīca saražos 35 GWh akumulatorus, kas ir pietiekami, lai darbinātu 500 000 transportlīdzekļu. Tas vēl vairāk samazinās akumulatoru izmaksas.
NMC 811 akumulatoriem ir nedaudz zemāka īpatnējā enerģija (140-200 W/kg), taču tiem ir ilgāks kalpošanas laiks, sasniedzot 2000 pilnus ciklus, un 80% niķeļa, 10% mangāna un 10% kobalta. Pašlaik visi akumulatoru ražotāji izmanto vienu no šiem diviem veidiem. Vienīgais izņēmums ir Ķīnas uzņēmums BYD, kas ražo LFP akumulatorus. Ar tiem aprīkotas automašīnas ir smagākas, taču tām nav nepieciešams kobalts. NCA akumulatoriem priekšroka tiek dota elektriskajiem transportlīdzekļiem un NMC akumulatoriem pievienojamiem hibrīdiem to attiecīgo priekšrocību dēļ enerģijas blīvuma un jaudas blīvuma ziņā. Piemēri ir elektriskais e-Golf ar jaudas/ietilpības attiecību 2,8 un spraudņa hibrīds Golf GTE ar attiecību 8,5. Cenas pazemināšanas vārdā VW grasās izmantot vienādas šūnas visu veidu akumulatoriem. Un vēl viena lieta - jo lielāka ir akumulatora ietilpība, jo mazāks ir pilnu izlādi un uzlādi, un tas palielina tā kalpošanas laiku, tāpēc - jo lielāks akumulators, jo labāk. Otrais attiecas uz hibrīdiem kā problēmu.
Tirgus tendences
Patlaban pieprasījums pēc akumulatoriem transporta vajadzībām jau pārsniedz pieprasījumu pēc elektroniskajiem izstrādājumiem. Joprojām tiek prognozēts, ka līdz 2020. gadam visā pasaulē tiks pārdoti 1,5 miljoni elektrisko transportlīdzekļu gadā, kas palīdzēs samazināt akumulatoru izmaksas. 2010. gadā litija jonu elementa 1 kWh cena bija aptuveni 900 eiro, tagad tā ir nepilni 200 eiro. 25% no visa akumulatora izmaksām ir katodam, 8% anodam, separatoram un elektrolītam, 16% visiem pārējiem akumulatora elementiem un 35% kopējam akumulatora dizainam. Citiem vārdiem sakot, litija jonu elementi veido 65 procentus no akumulatora izmaksām. Paredzamās Tesla cenas 2020. gadam, kad Gigafactory 1 sāks darboties, ir aptuveni 300 €/kWh NCA akumulatoriem, un cenā ir iekļauts gatavais produkts ar nelielu vidējo PVN un garantiju. Joprojām diezgan augsta cena, kas laika gaitā turpinās samazināties.
Galvenās litija rezerves atrodas Argentīnā, Bolīvijā, Čīlē, Ķīnā, ASV, Austrālijā, Kanādā, Krievijā, Kongo un Serbijā, un lielāko daļu šobrīd iegūst no sausiem ezeriem. Kad akumulatori uzkrājas arvien vairāk, palielināsies no vecajām baterijām pārstrādāto materiālu tirgus. Svarīgāka tomēr ir kobalta problēma, kas, lai arī ir lielos daudzumos, tiek iegūta kā blakusprodukts niķeļa un vara ražošanā. Neskatoties uz zemo koncentrāciju augsnē, kobalts tiek iegūts Kongo (kurā ir vislielākās pieejamās rezerves), taču apstākļos, kas izaicina ētiku, morāli un vides aizsardzību.
Uzlabotas tehnoloģijas
Jāpatur prātā, ka tehnoloģijas, kas pieņemtas kā perspektīva tuvākajai nākotnei, patiesībā nav būtībā jaunas, bet ir litija jonu iespējas. Tās ir, piemēram, cietvielu baterijas, kurās šķidruma vietā izmanto cietu elektrolītu (vai želeju litija polimēru baterijās). Šis risinājums nodrošina stabilāku elektrodu dizainu, kas pārkāpj to integritāti, attiecīgi uzlādējot ar lielu strāvu. augsta temperatūra un liela slodze. Tas var palielināt uzlādes strāvu, elektrodu blīvumu un kapacitāti. Cietvielu baterijas joprojām ir ļoti agrīnā attīstības stadijā, un maz ticams, ka tās masveida ražošanā nonāks līdz desmitgades vidum.
Viens no godalgotajiem jaunuzņēmumiem 2017. gada BMW inovāciju tehnoloģiju konkursā Amsterdamā bija ar baterijām darbināms uzņēmums, kura silīcija anods uzlabo enerģijas blīvumu. Inženieri strādā pie dažādām nanotehnoloģijām, lai nodrošinātu lielāku blīvumu un izturību gan anoda, gan katoda materiālam, un viens risinājums ir izmantot grafēnu. Šie mikroskopiskie grafīta slāņi ar vienu atoma biezumu un sešstūra atomu struktūru ir viens no daudzsološākajiem materiāliem. Akumulatora elementu ražotāja Samsung SDI izstrādātās "grafēna bumbiņas", kas integrētas katoda un anoda struktūrā, nodrošina materiāla lielāku izturību, caurlaidību un blīvumu un attiecīgi jaudas palielinājumu par aptuveni 45% un piecas reizes ātrāku uzlādes laiku. Šīs tehnoloģijas var saņemt spēcīgāko impulsu no Formula E automašīnām, kuras var būt pirmās, kas aprīkotas ar šādām baterijām.
Spēlētāji šajā posmā
Galvenie spēlētāji kā 123. un 2020. līmeņa piegādātāji, t.i., šūnu un akumulatoru ražotāji, ir Japāna (Panasonic, Sony, GS Yuasa un Hitachi Vehicle Energy), Koreja (LG Chem, Samsung, Kokam un SK Innovation), Ķīna (BYD Company). . , ATL un Lishen) un ASV (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel un Valence Technology). Galvenie mobilo tālruņu piegādātāji šobrīd ir LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Koreja), AESC (Japāna), BYD (Ķīna) un CATL (Ķīna), kuru tirgus daļa ir divas trešdaļas. Šajā posmā Eiropā viņiem iebilst tikai BMZ Group no Vācijas un Northvolth no Zviedrijas. Līdz ar Teslas Gigafactory palaišanu XNUMX. gadā šī proporcija mainīsies – amerikāņu kompānija saražos XNUMX% no pasaules litija jonu elementu ražošanas apjoma. Tādi uzņēmumi kā Daimler un BMW jau ir parakstījuši līgumus ar dažiem no šiem uzņēmumiem, piemēram, CATL, kas būvē rūpnīcu Eiropā.
