Makinë elektrike dje, sot, nesër: pjesa 3

Termi "bateri litium-jon" fsheh një larmi teknologjish.

Një gjë është e sigurt - për sa kohë që elektrokimia e litium-jonit mbetet e pandryshuar në këtë drejtim. Asnjë teknologji tjetër e ruajtjes së energjisë elektrokimike nuk mund të konkurrojë me litium-jonin. Çështja, megjithatë, është se ka dizajne të ndryshme që përdorin materiale të ndryshme për katodën, anodën dhe elektrolitin, secila prej të cilave ka avantazhe të ndryshme për sa i përket qëndrueshmërisë (numri i cikleve të ngarkimit dhe shkarkimit deri në një kapacitet të lejueshëm të mbetur për automjetet elektrike prej 80%), fuqia specifike kWh/kg, çmimi euro/kg ose raporti fuqi ndaj fuqisë.

Prapa në kohë

Mundësia e kryerjes së proceseve elektrokimike në të ashtuquajturat. Qelizat litium-jonike vijnë nga ndarja e protoneve të litiumit dhe elektroneve nga kryqëzimi i litiumit në katodë gjatë karikimit. Atomi i litiumit dhuron lehtësisht një nga tre elektronet e tij, por për të njëjtën arsye është shumë reaktiv dhe duhet të izolohet nga ajri dhe uji. Në burimin e tensionit, elektronet fillojnë të lëvizin përgjatë qarkut të tyre, dhe jonet drejtohen në anodën karbon-litium dhe, duke kaluar nëpër membranë, lidhen me të. Gjatë shkarkimit, ndodh lëvizja e kundërt - jonet kthehen në katodë, dhe elektronet, nga ana tjetër, kalojnë përmes ngarkesës elektrike të jashtme. Megjithatë, karikimi i shpejtë me rrymë të lartë dhe shkarkimi i plotë rezulton në formimin e lidhjeve të reja të qëndrueshme, gjë që redukton apo edhe ndalon funksionin e baterisë. Ideja pas përdorimit të litiumit si dhurues i grimcave buron nga fakti se ai është metali më i lehtë dhe mund të çlirojë lehtësisht protone dhe elektrone në kushtet e duhura. Megjithatë, shkencëtarët po braktisin me shpejtësi përdorimin e litiumit të pastër për shkak të paqëndrueshmërisë së tij të lartë, aftësisë së tij për t'u lidhur me ajrin dhe për arsye sigurie.

Bateria e parë e jonit litium u krijua në vitet 1970 nga Michael Whitingham, i cili përdori litium të pastër dhe sulfid titaniumi si elektroda. Kjo elektrokimi nuk përdoret më, por në fakt vë bazat për bateritë e jonit litium. Në vitet 1970, Samar Basu demonstroi aftësinë për të thithur jone litiumi nga grafit, por për shkak të përvojës së kohës, bateritë shpejt shkatërroheshin kur karikoheshin dhe shkarkoheshin. Në vitet 1980, zhvillimi intensiv filloi të gjente përbërje të përshtatshme të litiumit për katodën dhe anodën e baterive, dhe përparimi i vërtetë erdhi në 1991.

Qelizat e litiumit NCA, NCM ... çfarë do të thotë kjo në të vërtetë?

Pas eksperimentimit me komponime të ndryshme litium në 1991, përpjekjet e shkencëtarëve u kurorëzuan me sukses - Sony filloi prodhimin masiv të baterive litium-jon. Aktualisht, bateritë e këtij lloji kanë fuqinë e prodhimit dhe densitetin më të lartë të energjisë, dhe më e rëndësishmja, një potencial të konsiderueshëm për zhvillim. Në varësi të kërkesave të baterive, kompanitë po i drejtohen komponimeve të ndryshme të litiumit si material katodë. Këto janë oksid litium kobalt (LCO), komponime me nikel, kobalt dhe alumin (NCA) ose me nikel, kobalt dhe mangan (NCM), litium hekur fosfat (LFP), litium mangan spinel (LMS), oksid litium titan (LTO) dhe të tjerët. Elektroliti është një përzierje e kripërave të litiumit dhe tretësve organikë dhe është veçanërisht i rëndësishëm për "lëvizshmërinë" e joneve të litiumit, dhe ndarësi, i cili është përgjegjës për parandalimin e qarqeve të shkurtra duke qenë i përshkueshëm nga jonet e litiumit, zakonisht është polietileni ose polipropileni.

Fuqia e daljes, kapaciteti ose të dyja

Karakteristikat më të rëndësishme të baterive janë dendësia e energjisë, besueshmëria dhe siguria. Bateritë e prodhuara aktualisht mbulojnë një gamë të gjerë të këtyre cilësive dhe, varësisht nga materialet e përdorura, kanë një diapazon specifik të energjisë prej 100 deri 265 W / kg (dhe një dendësi energjie prej 400 deri 700 W / L). Më të mirët në këtë drejtim janë bateritë NCA dhe LFP-të më të këqija. Sidoqoftë, materiali është njëra anë e medaljes. Për të rritur si energjinë specifike ashtu edhe dendësinë e energjisë, nanostruktura të ndryshme përdoren për të thithur më shumë material dhe për të siguruar përçueshmëri më të lartë të rrymës së joneve. Një numër i madh i joneve, të "ruajtura" në një përbërje të qëndrueshme, dhe përçueshmëria janë parakushte për karikim më të shpejtë, dhe zhvillimi drejtohet në këto drejtime. Në të njëjtën kohë, dizajni i baterisë duhet të sigurojë raportin e kërkuar të fuqisë me kapacitetin në varësi të llojit të makinës. Për shembull, hibridet plug-in duhet të kenë një raport shumë më të lartë të fuqisë me kapacitetin për arsye të dukshme. Zhvillimet e sotme janë përqendruar në bateri të tilla si NCA (LiNiCoAlO2 me katodë dhe anodë grafiti) dhe NMC 811 (LiNiMnCoO2 me katodë dhe anodë grafiti). Të parët përmbajnë (jashtë litiumit) rreth 80% nikel, 15% kobalt dhe 5% alumin dhe kanë një energji specifike 200-250 W / kg, që do të thotë se ata kanë një përdorim relativisht të kufizuar të kobaltit kritik dhe një jetë shërbimi deri në 1500 cikle. Bateri të tilla do të prodhohen nga Tesla në Gigafactory të saj në Nevada. Kur të arrijë kapacitetin e tij të plotë të planifikuar (në 2020 ose 2021, në varësi të situatës), impianti do të prodhojë 35 GWh bateri, të mjaftueshme për të furnizuar me 500 automjete. Kjo do të ulë më tej koston e baterive.

Bateritë NMC 811 kanë një energji specifike pak më të ulët (140-200 W/kg), por kanë një jetë më të gjatë, duke arritur në 2000 cikle të plota dhe janë 80% nikel, 10% mangan dhe 10% kobalt. Aktualisht, të gjithë prodhuesit e baterive përdorin një nga këto dy lloje. Përjashtimi i vetëm është kompania kineze BYD, e cila prodhon bateri LFP. Makinat e pajisura me to janë më të rënda, por nuk kanë nevojë për kobalt. Bateritë NCA preferohen për automjetet elektrike dhe NMC për hibridet plug-in për shkak të avantazheve të tyre përkatëse për sa i përket densitetit të energjisë dhe densitetit të fuqisë. Shembuj janë e-Golf elektrik me një raport fuqi/kapacitet 2,8 dhe plug-in hibrid Golf GTE me një raport 8,5. Në emër të uljes së çmimit, VW synon të përdorë të njëjtat qeliza për të gjitha llojet e baterive. Dhe një gjë tjetër - sa më i madh të jetë kapaciteti i baterisë, aq më i vogël është numri i shkarkimeve dhe ngarkimeve të plota, dhe kjo rrit jetën e tij të shërbimit, prandaj - sa më i madh të jetë bateria, aq më mirë. E dyta ka të bëjë me hibridet si problem.

Trendet e tregut

Aktualisht, kërkesa për bateri për qëllime transporti tashmë tejkalon kërkesën për produkte elektronike. Ende parashikohet që 2020 milionë automjete elektrike në vit do të shiten globalisht deri në vitin 1,5, gjë që do të ndihmojë në uljen e kostos së baterive. Në vitin 2010, çmimi i 1 kWh të një qelize litium-jon ishte rreth 900 euro, ndërsa tani është më pak se 200 euro. 25% e kostos së të gjithë baterisë është për katodën, 8% për anodën, ndarësin dhe elektrolitin, 16% për të gjitha qelizat e tjera të baterisë dhe 35% për dizajnin e përgjithshëm të baterisë. Me fjalë të tjera, qelizat litium-jon kontribuojnë 65 për qind në koston e një baterie. Çmimet e vlerësuara të Tesla-s për vitin 2020 kur Gigafactory 1 hyn në shërbim janë rreth 300 €/kWh për bateritë NCA dhe çmimi përfshin produktin e përfunduar me një TVSH mesatare dhe garanci. Ende një çmim mjaft i lartë, i cili do të vazhdojë të bjerë me kalimin e kohës.

Rezervat kryesore të litiumit gjenden në Argjentinë, Bolivi, Kili, Kinë, SHBA, Australi, Kanada, Rusi, Kongo dhe Serbi, me shumicën dërrmuese aktualisht duke u minuar nga liqenet e thata. Ndërsa akumulohen gjithnjë e më shumë bateri, tregu për materialet e ricikluara nga bateritë e vjetra do të rritet. Sidoqoftë, më i rëndësishëm është problemi i kobaltit, i cili, megjithëse është i pranishëm në sasi të mëdha, minohet si nënprodukt në prodhimin e nikelit dhe bakrit. Kobalti minohet, megjithë përqendrimin e tij të ulët në tokë, në Kongo (i cili ka rezervat më të mëdha në dispozicion), por në kushte që sfidojnë etikën, moralin dhe mbrojtjen e mjedisit.

Teknologji e përparuar

Duhet të kihet parasysh se teknologjitë e pranuara si një perspektivë për të ardhmen e afërt nuk janë në thelb të reja, por janë opsione të jonit litium. Këto janë, për shembull, bateri në gjendje të ngurtë, të cilat përdorin një elektrolit të ngurtë në vend të një lëngu (ose xhel në bateritë e polimerit të litiumit). Kjo zgjidhje siguron një dizajn më të qëndrueshëm të elektrodave, i cili shkel integritetin e tyre, përkatësisht, kur ngarkohet me rrymë të lartë. temperaturë të lartë dhe ngarkesë të lartë. Kjo mund të rrisë rrymën e ngarkimit, dendësinë e elektrodës dhe kapacitetin e tij. Bateritë e ngurta janë ende në një fazë shumë të hershme të zhvillimit dhe nuk ka gjasa të godasin prodhimin masiv deri në mes të dekadës.

Një nga kompanitë e reja fituese të çmimeve në Konkursin e Teknologjisë së Inovacionit BMW 2017 në Amsterdam ishte një kompani me bateri, anoda silikoni e së cilës përmirëson densitetin e energjisë. Inxhinierët po punojnë në nanoteknologji të ndryshme për të siguruar densitet dhe forcë më të madhe si për materialin anodë ashtu edhe për katodën, dhe një zgjidhje është përdorimi i grafenit. Këto shtresa mikroskopike të grafitit me një trashësi të vetme atomike dhe një strukturë atomike gjashtëkëndore janë një nga materialet më premtuese. "Topat e grafenit" të zhvilluar nga prodhuesi i qelizave të baterive Samsung SDI, të integruara në strukturën e katodës dhe anodës, sigurojnë forcë, përshkueshmëri dhe densitet më të lartë të materialit dhe një rritje përkatëse të kapacitetit prej rreth 45% dhe pesë herë më të shpejtë të ngarkimit. Këto teknologji mund të marrë impulsin më të fortë nga makinat e Formula E, të cilat mund të jenë të parat që pajisen me bateri të tilla.

Lojtarët në këtë fazë

Lojtarët kryesorë si furnizues të nivelit 123 dhe të nivelit 2020, d.m.th. prodhues të qelizave dhe baterive, janë Japonia (Panasonic, Sony, GS Yuasa dhe Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam dhe SK Innovation), Kina (BYD Company) . , ATL dhe Lishen) dhe SHBA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel dhe Valence Technology). Furnizuesit kryesorë të telefonave celularë janë aktualisht LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Japoni), BYD (Kinë) dhe CATL (Kinë), të cilët kanë një pjesë të tregut prej dy të tretave. Në këtë fazë në Evropë, ata kundërshtohen vetëm nga BMZ Group nga Gjermania dhe Northvolth nga Suedia. Me nisjen e Gigafactory Tesla në vitin XNUMX, ky raport do të ndryshojë - kompania amerikane do të përbëjë XNUMX% të prodhimit botëror të qelizave litium-jon. Kompani të tilla si Daimler dhe BMW tashmë kanë nënshkruar kontrata me disa nga këto kompani, si CATL, e cila po ndërton një fabrikë në Evropë.