Elektriese motor gister, vandag, more: deel 3

Die term "litiumionbatterye" verberg 'n wye verskeidenheid tegnologieë.

Een ding is seker – solank as wat litium-ioon-elektrochemie in hierdie verband onveranderd bly. Geen ander elektrochemiese energiebergingstegnologie kan met litiumioon meeding nie. Die punt is egter dat daar verskillende ontwerpe is wat verskillende materiale vir die katode, anode en elektroliet gebruik, wat elkeen verskillende voordele in terme van duursaamheid het (die aantal lading- en ontladingsiklusse tot 'n toelaatbare oorblywende kapasiteit vir elektriese voertuie van 80%), spesifieke krag kWh/kg, prys euro/kg of krag tot krag verhouding.

Terug in tyd

Die moontlikheid om elektrochemiese prosesse in die sg. Litiumioonselle kom van die skeiding van litiumprotone en elektrone van die litiumaansluiting by die katode tydens laai. Die litiumatoom skenk maklik een van sy drie elektrone, maar om dieselfde rede is dit hoogs reaktief en moet dit van lug en water geïsoleer word. In die spanningsbron begin die elektrone langs hul stroombaan beweeg, en die ione word na die koolstof-litiumanode gerig en, wat deur die membraan gaan, word daaraan gekoppel. Tydens die ontlading vind die omgekeerde beweging plaas - die ione keer terug na die katode, en die elektrone gaan op hul beurt deur die eksterne elektriese las. Vinnige hoëstroomlaai en volle ontlading lei egter tot die vorming van nuwe duursame verbindings, wat die battery se funksie verminder of selfs stop. Die idee agter die gebruik van litium as 'n deeltjieskenker spruit uit die feit dat dit die ligste metaal is en maklik protone en elektrone onder die regte toestande kan vrystel. Wetenskaplikes is egter vinnig besig om die gebruik van suiwer litium te laat vaar weens die hoë wisselvalligheid daarvan, sy vermoë om met lug te bind en om veiligheidsredes.

Die eerste litiumionbattery is in die 1970's geskep deur Michael Whittingham, wat suiwer litium en titaniumsulfied as elektrode gebruik het. Hierdie elektrochemie word nie meer gebruik nie, maar lê eintlik die fondamente vir litiumionbatterye. In die 1970's het Samar Basu die vermoë getoon om litiumione uit grafiet te absorbeer, maar danksy die ervaring van daardie tyd het batterye vinnig selfvernietigend gelaai en ontlaai. In die 1980's het daar intensiewe ontwikkeling begin om geskikte litiumverbindings vir die katode en anode van batterye te vind, en die werklike deurbraak het in 1991 gekom.

NCA, NCM litiumselle ... wat beteken dit regtig?

Nadat hulle in 1991 met verskeie litiumverbindings geëksperimenteer het, is die pogings van wetenskaplikes met sukses bekroon - Sony het begin met massaproduksie van litiumioonbatterye. Tans het batterye van hierdie tipe die hoogste uitsetkrag en energiedigtheid, en die belangrikste, 'n beduidende potensiaal vir ontwikkeling. Afhangende van batteryvereistes, wend maatskappye hulle tot verskeie litiumverbindings as die katodemateriaal. Dit is litiumkobaltoksied (LCO), verbindings met nikkel, kobalt en aluminium (NCA) of met nikkel, kobalt en mangaan (NCM), litiumysterfosfaat (LFP), litiummangaanspinel (LMS), litiumtitaniumoksied (LTO) en ander. Die elektroliet is 'n mengsel van litiumsoute en organiese oplosmiddels en is veral belangrik vir die "mobiliteit" van litiumione, en die skeier, wat verantwoordelik is om kortsluitings te voorkom deurdat dit deurlaatbaar is vir litiumione, is gewoonlik poliëtileen of polipropileen.

Uitsetkrag, kapasiteit of albei

Die belangrikste kenmerke van batterye is energiedigtheid, betroubaarheid en veiligheid. Batterye wat tans vervaardig word, dek 'n wye verskeidenheid van hierdie eienskappe en het, afhangende van die gebruikte materiale, 'n spesifieke energiebereik van 100 tot 265 W / kg (en 'n energiedigtheid van 400 tot 700 W / L). Die beste in hierdie verband is die NCA-batterye en die slegste LFP's. Die materiaal is egter die een kant van die muntstuk. Om spesifieke energie en energiedigtheid te verhoog, word verskillende nanostrukture gebruik om meer materiaal op te neem en 'n hoër geleidingsvermoë van die ioonstroom te lewer. 'N Groot aantal ione, wat in 'n stabiele verbinding "gestoor" word, en geleidingsvermoë is 'n voorvereiste vir vinniger laai, en die ontwikkeling is in hierdie rigtings gerig. Terselfdertyd moet die battery-ontwerp die vereiste krag-tot-kapasiteitsverhouding lewer, afhangende van die tipe aandrywer. Byvoegingsbasters moet byvoorbeeld om duidelike redes 'n baie hoër krag-tot-kapasiteitsverhouding hê. Die ontwikkelinge van vandag fokus op batterye soos NCA (LiNiCoAlO2 met katode en grafietanode) en NMC 811 (LiNiMnCoO2 met katode en grafietanode). Eersgenoemde bevat (buite litium) ongeveer 80% nikkel, 15% kobalt en 5% aluminium en het 'n spesifieke energie van 200-250 W / kg, wat beteken dat hulle 'n relatiewe beperkte gebruik van kritieke kobalt en 'n lewensduur van tot 1500 siklusse het. Sulke batterye word deur Tesla in die Gigafactory in Nevada vervaardig. Wanneer hy sy beplande volle kapasiteit bereik (in 2020 of 2021, afhangende van die situasie), sal die aanleg 35 GWh batterye produseer, genoeg om 500 000 voertuie aan te dryf. Dit sal die koste van die batterye verder verlaag.

NMC 811-batterye het 'n effens laer spesifieke energie (140-200W/kg), maar het 'n langer lewe, bereik 2000 volle siklusse, en is 80% nikkel, 10% mangaan en 10% kobalt. Tans gebruik alle batteryvervaardigers een van hierdie twee tipes. Die enigste uitsondering is die Chinese maatskappy BYD, wat LFP-batterye vervaardig. Motors wat daarmee toegerus is, is swaarder, maar hulle het nie kobalt nodig nie. NCA-batterye word verkies vir elektriese voertuie en NMC vir inprophibriede vanweë hul onderskeie voordele in terme van energiedigtheid en kragdigtheid. Voorbeelde is die elektriese e-Golf met 'n krag/kapasiteit-verhouding van 2,8 en die inprop-hibried Golf GTE met 'n verhouding van 8,5. In die naam om die prys te verlaag, beoog VW om dieselfde selle vir alle soorte batterye te gebruik. En nog een ding - hoe groter die kapasiteit van die battery, hoe minder is die aantal volle ontladings en laaie, en dit verhoog dus sy lewensduur - hoe groter die battery, hoe beter. Die tweede het betrekking op basters as 'n probleem.

Marktendense

Tans oorskry die vraag na batterye vir vervoerdoeleindes reeds die vraag na elektroniese produkte. Daar word steeds geprojekteer dat 2020 miljoen elektriese voertuie per jaar teen 1,5 wêreldwyd verkoop sal word, wat sal help om die koste van batterye te verlaag. In 2010 was die prys van 1 kWh van 'n litiumioonsel sowat 900 euro, en nou is dit minder as 200 euro. 25% van die koste van die hele battery is vir die katode, 8% vir die anode, skeier en elektroliet, 16% vir alle ander batteryselle en 35% vir die algehele batteryontwerp. Met ander woorde, litium-ioonselle dra 65 persent by tot die koste van 'n battery. Geskatte Tesla-pryse vir 2020 wanneer Gigafactory 1 in diens tree, is ongeveer 300 €/kWh vir NCA-batterye en die prys sluit die finale produk met 'n mate van gemiddelde BTW en waarborg in. Steeds 'n redelik hoë prys, wat mettertyd sal aanhou daal.

Die belangrikste reserwes van litium word in Argentinië, Bolivië, Chili, China, die VSA, Australië, Kanada, Rusland, Kongo en Serwië aangetref, terwyl die oorgrote meerderheid tans uit gedroogde mere ontgin word. Namate meer en meer batterye ophoop, sal die mark vir materiale wat van ou batterye herwin word, toeneem. Belangriker is egter die probleem van kobalt, hoewel dit in groot hoeveelhede voorkom, as 'n neweproduk ontgin word by die produksie van nikkel en koper. Kobalt word ontgin, ondanks die lae konsentrasie in die grond, in Kongo (met die grootste beskikbare reserwes), maar in toestande wat etiek, moraliteit en beskerming van die omgewing betwis.

Hi-tech

Daar moet in gedagte gehou word dat die tegnologieë wat aanvaar word as 'n vooruitsig vir die nabye toekoms eintlik nie fundamenteel nuut is nie, maar wel litium-ioon-opsies is. Dit is byvoorbeeld vastetoestandbatterye wat 'n vaste elektroliet gebruik in plaas van 'n vloeistof (of gel in litiumpolimeerbatterye). Hierdie oplossing bied 'n meer stabiele ontwerp van die elektrodes, wat hul integriteit skend as dit onderskeidelik met 'n hoë stroom gelaai word. hoë temperatuur en hoë lading. Dit kan laaistroom, elektrodedigtheid en kapasitansie verhoog. Vaste toestandbatterye is nog in 'n baie vroeë stadium van ontwikkeling en sal waarskynlik nie die massaproduksie tot in die middel van die dekade bereik nie.

Een van die bekroonde nuwe ondernemings tydens die BMW Innovation Technology Competition in 2017 in Amsterdam was 'n battery-aangedrewe onderneming waarvan die silikonanode die energiedigtheid verhoog. Ingenieurs werk aan verskillende nanotegnologieë om beide die anode- en katodemateriaal 'n groter digtheid en sterkte te bied, en een oplossing is om grafeen te gebruik. Hierdie mikroskopiese lae grafiet met 'n enkele atoomdikte en 'n seskantige atoomstruktuur is een van die belowendste materiale. Die "grafeenballe" wat ontwikkel is deur die batteryselvervaardiger Samsung SDI, geïntegreer in die katode- en anodestruktuur, bied 'n hoër sterkte, deurlaatbaarheid en digtheid van die materiaal en 'n ooreenstemmende toename in kapasiteit van ongeveer 45% en vyf keer vinniger laai tyd. Hierdie tegnologieë kan die sterkste impuls van Formule E -motors ontvang, wat moontlik die eerste is wat met sulke batterye toegerus is.

Spelers in hierdie stadium

Die hoofspelers as vlak 123- en vlak 2020-verskaffers, dit wil sê sel- en batteryvervaardigers, is Japan (Panasonic, Sony, GS Yuasa en Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam en SK Innovation), China (BYD Company) . , ATL en Lishen) en die VSA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel en Valence Technology). Die hoofverskaffers van selfone is tans LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Japan), BYD (China) en CATL (China), wat 'n markaandeel van twee-derdes het. Op hierdie stadium in Europa word hulle net teengestaan ​​deur BMZ Group van Duitsland en Northvolth van Swede. Met die bekendstelling van Tesla se Gigafactory in XNUMX sal hierdie proporsie verander – die Amerikaanse maatskappy sal verantwoordelik wees vir XNUMX% van die wêreld se produksie van litiumioonselle. Maatskappye soos Daimler en BMW het reeds kontrakte met van dié maatskappye gesluit, soos CATL, wat ’n fabriek in Europa bou.