Elektrické auto včera, dnes, zajtra: 3. časť

Pojem „lítium-iónové batérie“ v sebe skrýva široké spektrum technológií.

Jedna vec je istá – pokiaľ lítium-iónová elektrochémia zostane v tomto ohľade nezmenená. Žiadna iná elektrochemická technológia skladovania energie nemôže konkurovať lítium-iónovým. Ide však o to, že existujú rôzne konštrukcie, ktoré používajú rôzne materiály na katódu, anódu a elektrolyt, pričom každý z nich má iné výhody z hľadiska životnosti (počet cyklov nabíjania a vybíjania až do prípustnej zvyškovej kapacity pre elektrické vozidlá 80 %), merný výkon kWh/kg, cena euro/kg alebo pomer výkonu k výkonu.

Späť v čase

Možnosť uskutočňovania elektrochemických procesov v tzv. Lítium-iónové články pochádzajú zo separácie lítiových protónov a elektrónov z lítiového spojenia na katóde počas nabíjania. Atóm lítia ľahko daruje jeden zo svojich troch elektrónov, ale z rovnakého dôvodu je vysoko reaktívny a musí byť izolovaný od vzduchu a vody. V zdroji napätia sa elektróny začnú pohybovať po svojom obvode a ióny sú nasmerované na uhlíkovo-lítiovú anódu a pri prechode cez membránu sú s ňou spojené. Počas výboja dochádza k spätnému pohybu - ióny sa vracajú ku katóde a elektróny zase prechádzajú vonkajšou elektrickou záťažou. Rýchle vysokoprúdové nabíjanie a úplné vybitie však vedie k vytvoreniu nových odolných spojení, čo znižuje alebo dokonca zastavuje funkciu batérie. Myšlienka použitia lítia ako darcu častíc vychádza zo skutočnosti, že ide o najľahší kov a za správnych podmienok môže ľahko uvoľňovať protóny a elektróny. Vedci však rýchlo upúšťajú od používania čistého lítia pre jeho vysokú prchavosť, schopnosť spájať sa so vzduchom a z bezpečnostných dôvodov.

Prvú lítium-iónovú batériu vytvoril v 1970. rokoch Michael Whittingham, ktorý ako elektródy používal čistý lítium a sulfid titánu. Táto elektrochémia sa už nepoužíva, ale v skutočnosti vytvára základy pre lítium-iónové batérie. V 1970. rokoch Samar Basu demonštroval schopnosť absorbovať lítne ióny z grafitu, ale vďaka vtedajším skúsenostiam sa batérie rýchlo nabíjali a vybíjali. V 1980. rokoch sa začal intenzívny vývoj hľadať vhodné zlúčeniny lítia pre katódu a anódu batérií a skutočný prielom nastal v roku 1991.

Lítiové články NCA, NCM ... čo to v skutočnosti znamená?

Po experimentovaní s rôznymi lítiovými zlúčeninami v roku 1991 bolo úsilie vedcov korunované úspechom – Sony začala hromadne vyrábať lítium-iónové batérie. V súčasnosti majú batérie tohto typu najvyšší výstupný výkon a energetickú hustotu, a čo je najdôležitejšie, významný potenciál rozvoja. V závislosti od požiadaviek na batérie sa spoločnosti obracajú na rôzne zlúčeniny lítia ako katódový materiál. Ide o oxid lítno-kobaltový (LCO), zlúčeniny s niklom, kobaltom a hliníkom (NCA) alebo s niklom, kobaltom a mangánom (NCM), fosforečnan lítno-železitý (LFP), lítium-mangánový spinel (LMS), oxid lítno-titánový (LTO) a ďalšie. Elektrolyt je zmesou lítiových solí a organických rozpúšťadiel a je obzvlášť dôležitý pre „mobilitu“ lítiových iónov a separátor, ktorý je zodpovedný za zabránenie skratu tým, že je priepustný pre lítne ióny, je zvyčajne polyetylén alebo polypropylén.

Výstupný výkon, kapacita alebo oboje

Najdôležitejšie vlastnosti batérií sú hustota energie, spoľahlivosť a bezpečnosť. Batérie, ktoré sa v súčasnosti vyrábajú, pokrývajú širokú škálu týchto kvalít a v závislosti od použitých materiálov majú špecifický energetický rozsah 100 až 265 W / kg (a hustotu energie 400 až 700 W / L). Najlepšie v tomto ohľade sú NCA batérie a najhoršie LFP. Materiál je však jednou stranou mince. Na zvýšenie špecifickej energie aj energetickej hustoty sa používajú rôzne nanostruktúry na absorbovanie väčšieho množstva materiálu a na zabezpečenie vyššej vodivosti prúdu iónov. Veľké množstvo iónov „uložených“ v stabilnej zlúčenine a vodivosť sú predpokladom rýchleho nabitia a vývoj je zameraný týmito smermi. Konštrukcia batérie musí zároveň poskytovať požadovaný pomer výkonu a kapacity v závislosti od typu disku. Napríklad plug-in hybridy musia mať zo zrejmých dôvodov omnoho vyšší pomer výkonu a kapacity. Dnešný vývoj sa zameriava na batérie ako NCA (LiNiCoAlO2 s katódou a grafitovou anódou) a NMC 811 (LiNiMnCoO2 s katódou a grafitovou anódou). Prvé obsahujú (mimo lítia) asi 80% niklu, 15% kobaltu a 5% hliníka a majú špecifickú energiu 200 - 250 W / kg, čo znamená, že majú relatívne obmedzené použitie kritického kobaltu a životnosť až 1500 cyklov. Takéto batérie bude spoločnosť Tesla vyrábať v jej Gigafactory v Nevade. Po dosiahnutí plánovanej plnej kapacity (v rokoch 2020 alebo 2021, podľa situácie) bude závod vyrábať 35 GWh batérií, čo stačí na pohon 500 000 vozidiel. To ďalej zníži náklady na batérie.

Batérie NMC 811 majú o niečo nižšiu špecifickú energiu (140-200W/kg), no majú dlhšiu životnosť, dosahujúcu 2000 úplných cyklov a sú zložené z 80 % niklu, 10 % mangánu a 10 % kobaltu. V súčasnosti všetci výrobcovia batérií používajú jeden z týchto dvoch typov. Jedinou výnimkou je čínska spoločnosť BYD, ktorá vyrába batérie LFP. Autá nimi vybavené sú ťažšie, no nepotrebujú kobalt. Batérie NCA sú preferované pre elektrické vozidlá a NMC pre plug-in hybridy kvôli ich príslušným výhodám z hľadiska hustoty energie a hustoty výkonu. Príkladom je elektrický e-Golf s pomerom výkon/kapacita 2,8 a plug-in hybridný Golf GTE s pomerom 8,5. V mene znižovania ceny mieni VW používať rovnaké články pre všetky typy batérií. A ešte jedna vec - čím väčšia kapacita batérie, tým menší počet úplných vybití a nabití a tým sa zvyšuje jej životnosť, teda - čím väčšia batéria, tým lepšie. Druhý sa týka hybridov ako problému.

Trendy na trhu

V súčasnosti už dopyt po batériách na prepravné účely prevyšuje dopyt po elektronických produktoch. Stále sa predpokladá, že do roku 2020 sa celosvetovo predá 1,5 milióna elektrických vozidiel ročne, čo pomôže znížiť náklady na batérie. V roku 2010 bola cena 1 kWh lítium-iónového článku asi 900 eur a teraz je to necelých 200 eur. 25 % nákladov na celú batériu pripadá na katódu, 8 % na anódu, separátor a elektrolyt, 16 % na všetky ostatné články batérie a 35 % na celkový dizajn batérie. Inými slovami, lítium-iónové články prispievajú 65 percentami k nákladom na batériu. Odhadované ceny Tesly na rok 2020, keď Gigafactory 1 vstúpi do prevádzky, sa pohybujú okolo 300 €/kWh pre batérie NCA a cena zahŕňa hotový produkt s určitou priemernou DPH a zárukou. Stále dosť vysoká cena, ktorá bude časom klesať.

Hlavné zásoby lítia sa nachádzajú v Argentíne, Bolívii, Čile, Číne, USA, Austrálii, Kanade, Rusku, Kongu a Srbsku, pričom veľká väčšina sa v súčasnosti ťaží zo sušených jazier. S pribúdajúcimi akumulátormi sa zvýši trh s materiálmi recyklovanými zo starých batérií. Dôležitejší je však problém kobaltu, ktorý sa síce nachádza vo veľkom množstve, ale ťaží sa ako vedľajší produkt pri výrobe niklu a medi. Kobalt sa ťaží aj napriek nízkej koncentrácii v pôde v Kongu (ktoré má najväčšie dostupné zásoby), ale za podmienok, ktoré spochybňujú etiku, morálku a ochranu životného prostredia.

Hi-tech

Je potrebné mať na pamäti, že technológie prijímané ako perspektíva do blízkej budúcnosti nie sú v zásade nové, ale sú lítium-iónovými alternatívami. Jedná sa napríklad o polovodičové batérie, ktoré namiesto kvapaliny používajú tuhý elektrolyt (alebo gél v lítium-polymérových batériách). Toto riešenie poskytuje stabilnejšiu konštrukciu elektród, ktorá pri nabití vysokým prúdom narúša ich integritu. vysoká teplota a vysoké zaťaženie. To môže zvýšiť nabíjací prúd, hustotu elektród a kapacitu. Batérie v pevnom stave sú stále vo veľmi ranom štádiu vývoja a je nepravdepodobné, že by sa dostali do hromadnej výroby až v polovici desaťročia.

Jedným z ocenených start-upov na súťaži BMW Innovation Technology Competition 2017 v Amsterdame bola spoločnosť poháňaná batériami, ktorej kremíková anóda zlepšuje hustotu energie. Inžinieri pracujú na rôznych nanotechnológiách, aby poskytli väčšiu hustotu a pevnosť anódovému aj katódovému materiálu a jedným z riešení je použiť grafén. Tieto mikroskopické vrstvy grafitu s hrúbkou jedného atómu a šesťuholníkovou atómovou štruktúrou sú jedným z najsľubnejších materiálov. „Grafénové gule“ vyvinuté výrobcom batériových článkov Samsung SDI, integrované do katódovej a anódovej štruktúry, poskytujú vyššiu pevnosť, priepustnosť a hustotu materiálu a tomu zodpovedajúce zvýšenie kapacity asi o 45% a päťkrát rýchlejší čas nabíjania. Tieto technológie môže dostať najsilnejší impulz z automobilov Formuly E, ktoré môžu byť prvé, ktoré budú vybavené takýmito batériami.

Hráči v tejto fáze

Hlavnými hráčmi ako dodávatelia Tier 123 a Tier 2020, t. j. výrobcovia článkov a batérií, sú Japonsko (Panasonic, Sony, GS Yuasa a Hitachi Vehicle Energy), Kórea (LG Chem, Samsung, Kokam a SK Innovation), Čína (BYD Company) . , ATL a Lishen) a USA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel a Valence Technology). Hlavnými dodávateľmi mobilných telefónov sú v súčasnosti LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Kórea), AESC (Japonsko), BYD (Čína) a CATL (Čína), ktoré majú dvojtretinový podiel na trhu. V tejto fáze v Európe sú proti nim len BMZ Group z Nemecka a Northvolth zo Švédska. So spustením Gigafactory od Tesly v roku XNUMX sa tento pomer zmení – americká spoločnosť bude tvoriť XNUMX % svetovej produkcie lítium-iónových článkov. Spoločnosti ako Daimler a BMW už podpísali zmluvy s niektorými z týchto spoločností, ako napríklad CATL, ktorá stavia továreň v Európe.