Ηλεκτρικό αυτοκίνητο χθες, σήμερα, αύριο: μέρος 3

Ο όρος «μπαταρίες ιόντων λιθίου» κρύβει μια μεγάλη ποικιλία τεχνολογιών.

Ένα πράγμα είναι σίγουρο – εφόσον η ηλεκτροχημεία ιόντων λιθίου παραμένει αμετάβλητη από αυτή την άποψη. Καμία άλλη τεχνολογία αποθήκευσης ηλεκτροχημικής ενέργειας δεν μπορεί να ανταγωνιστεί τα ιόντα λιθίου. Το θέμα, ωστόσο, είναι ότι υπάρχουν διαφορετικά σχέδια που χρησιμοποιούν διαφορετικά υλικά για την κάθοδο, την άνοδο και τον ηλεκτρολύτη, καθένα από τα οποία έχει διαφορετικά πλεονεκτήματα όσον αφορά την ανθεκτικότητα (αριθμός κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης έως μια επιτρεπόμενη υπολειπόμενη χωρητικότητα για ηλεκτρικά οχήματα 80%), ειδική ισχύς kWh/kg, τιμή ευρώ/kg ή αναλογία ισχύος προς ισχύ.

Πίσω στο χρόνο

Η δυνατότητα διεξαγωγής ηλεκτροχημικών διεργασιών στο λεγόμενο. Τα κύτταρα ιόντων λιθίου προέρχονται από το διαχωρισμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων λιθίου από τη διασταύρωση λιθίου στην κάθοδο κατά τη διάρκεια της φόρτισης. Το άτομο λιθίου δωρίζει εύκολα ένα από τα τρία ηλεκτρόνια του, αλλά για τον ίδιο λόγο είναι εξαιρετικά αντιδραστικό και πρέπει να απομονωθεί από τον αέρα και το νερό. Στην πηγή τάσης, τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να κινούνται κατά μήκος του κυκλώματος τους και τα ιόντα κατευθύνονται στην άνοδο άνθρακα-λιθίου και, περνώντας μέσα από τη μεμβράνη, συνδέονται με αυτήν. Κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, εμφανίζεται η αντίστροφη κίνηση - τα ιόντα επιστρέφουν στην κάθοδο και τα ηλεκτρόνια, με τη σειρά τους, περνούν μέσα από το εξωτερικό ηλεκτρικό φορτίο. Ωστόσο, η γρήγορη φόρτιση υψηλού ρεύματος και η πλήρης αποφόρτιση έχουν ως αποτέλεσμα το σχηματισμό νέων ανθεκτικών συνδέσεων, οι οποίες μειώνουν ή και διακόπτουν τη λειτουργία της μπαταρίας. Η ιδέα πίσω από τη χρήση του λιθίου ως δότη σωματιδίων πηγάζει από το γεγονός ότι είναι το ελαφρύτερο μέταλλο και μπορεί εύκολα να απελευθερώσει πρωτόνια και ηλεκτρόνια υπό τις κατάλληλες συνθήκες. Ωστόσο, οι επιστήμονες εγκαταλείπουν γρήγορα τη χρήση καθαρού λιθίου λόγω της υψηλής πτητικότητάς του, της ικανότητάς του να συνδέεται με τον αέρα και για λόγους ασφαλείας.

Η πρώτη μπαταρία ιόντων λιθίου δημιουργήθηκε τη δεκαετία του 1970 από τον Michael Whittingham, ο οποίος χρησιμοποίησε καθαρό θειούχο λίθιο και τιτάνιο ως ηλεκτρόδια. Αυτή η ηλεκτροχημεία δεν χρησιμοποιείται πλέον, αλλά στην πραγματικότητα θέτει τα θεμέλια για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Στη δεκαετία του 1970, ο Samar Basu έδειξε την ικανότητα να απορροφά ιόντα λιθίου από τον γραφίτη, αλλά λόγω της εμπειρίας της εποχής, οι μπαταρίες αυτοκαταστρέφονταν γρήγορα όταν φορτίζονταν και εκφορτίζονταν. Στη δεκαετία του 1980, άρχισε εντατική ανάπτυξη για την εύρεση κατάλληλων ενώσεων λιθίου για την κάθοδο και την άνοδο των μπαταριών, και η πραγματική ανακάλυψη ήρθε το 1991.

Κυψέλες λιθίου NCA, NCM... τι πραγματικά σημαίνει αυτό;

Μετά από πειραματισμούς με διάφορες ενώσεις λιθίου το 1991, οι προσπάθειες των επιστημόνων στέφθηκαν με επιτυχία - η Sony ξεκίνησε τη μαζική παραγωγή μπαταριών ιόντων λιθίου. Επί του παρόντος, οι μπαταρίες αυτού του τύπου έχουν την υψηλότερη ισχύ εξόδου και την υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, και το πιο σημαντικό, σημαντικές δυνατότητες ανάπτυξης. Ανάλογα με τις απαιτήσεις της μπαταρίας, οι εταιρείες στρέφονται σε διάφορες ενώσεις λιθίου ως υλικό καθόδου. Αυτά είναι οξείδιο του κοβαλτίου λιθίου (LCO), ενώσεις με νικέλιο, κοβάλτιο και αλουμίνιο (NCA) ή με νικέλιο, κοβάλτιο και μαγγάνιο (NCM), φωσφορικό λίθιο σίδηρο (LFP), σπινέλιο μαγγανίου λιθίου (LMS), οξείδιο τιτανίου λιθίου (LTO) και άλλοι. Ο ηλεκτρολύτης είναι ένα μείγμα αλάτων λιθίου και οργανικών διαλυτών και είναι ιδιαίτερα σημαντικός για την «κινητικότητα» των ιόντων λιθίου, και ο διαχωριστής, ο οποίος είναι υπεύθυνος για την πρόληψη βραχυκυκλωμάτων με το να είναι διαπερατός στα ιόντα λιθίου, είναι συνήθως πολυαιθυλένιο ή πολυπροπυλένιο.

Ισχύς εξόδου, χωρητικότητα ή και τα δύο

Τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά των μπαταριών είναι η ειδική ενέργεια, η αξιοπιστία και η ασφάλεια. Οι μπαταρίες που παράγονται επί του παρόντος καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα αυτών των ποιοτήτων και, ανάλογα με τα υλικά που χρησιμοποιούνται, έχουν ένα ειδικό εύρος ενέργειας από 100 έως 265 W/kg (και ενεργειακή πυκνότητα 400 έως 700 W/L). Τα καλύτερα από αυτή την άποψη είναι οι μπαταρίες NCA και τα χειρότερα LFP. Ωστόσο, το υλικό είναι η μία όψη του νομίσματος. Προκειμένου να αυξηθεί τόσο η ειδική ενέργεια όσο και η ενεργειακή πυκνότητα, χρησιμοποιούνται διάφορες νανοδομές για την απορρόφηση περισσότερου υλικού και την παροχή υψηλότερης αγωγιμότητας της ροής ιόντων. Ένας μεγάλος αριθμός ιόντων «αποθηκευμένων» σε μια σταθερή σύνδεση και αγωγιμότητα είναι προϋποθέσεις για ταχύτερη φόρτιση και η ανάπτυξη κατευθύνεται προς αυτές τις κατευθύνσεις. Ταυτόχρονα, ο σχεδιασμός της μπαταρίας πρέπει να παρέχει την απαραίτητη αναλογία ισχύος προς χωρητικότητα, ανάλογα με τον τύπο του κινητήρα. Για παράδειγμα, τα plug-in υβριδικά πρέπει να έχουν πολύ υψηλότερο λόγο ισχύος προς χωρητικότητα για προφανείς λόγους. Οι τρέχουσες εξελίξεις επικεντρώνονται στις μπαταρίες NCA (LiNiCoAlO2 με άνοδο καθόδου και γραφίτη) και NMC 811 (LiNiMnCoO2 με άνοδο καθόδου και γραφίτη). Τα πρώτα περιέχουν (εκτός λιθίου) περίπου 80% νικέλιο, 15% κοβάλτιο και 5% αλουμίνιο και έχουν ειδική ενέργεια 200-250 W/kg, πράγμα που σημαίνει ότι έχουν σχετικά περιορισμένη χρήση κρίσιμου κοβαλτίου και διάρκεια ζωής έως και 1500 κύκλοι. Τέτοιες μπαταρίες θα παράγονται από την Tesla στο Gigafactory της στη Νεβάδα. Όταν φτάσει στην προγραμματισμένη πλήρη χωρητικότητα (το 2020 ή το 2021, ανάλογα με την κατάσταση), το εργοστάσιο θα παράγει 35 GWh μπαταριών, αρκετά για να τροφοδοτήσει 500 οχήματα. Αυτό θα μειώσει περαιτέρω το κόστος των μπαταριών.

Οι μπαταρίες NMC 811 έχουν ελαφρώς χαμηλότερη ειδική ενέργεια (140-200 W/kg), αλλά έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, φτάνοντας τους 2000 πλήρεις κύκλους, και είναι 80% νικέλιο, 10% μαγγάνιο και 10% κοβάλτιο. Επί του παρόντος, όλοι οι κατασκευαστές μπαταριών χρησιμοποιούν έναν από αυτούς τους δύο τύπους. Η μόνη εξαίρεση είναι η κινεζική εταιρεία BYD, η οποία κατασκευάζει μπαταρίες LFP. Τα αυτοκίνητα που είναι εξοπλισμένα με αυτά είναι βαρύτερα, αλλά δεν χρειάζονται κοβάλτιο. Οι μπαταρίες NCA προτιμώνται για ηλεκτρικά οχήματα και το NMC για τα plug-in υβριδικά λόγω των αντίστοιχων πλεονεκτημάτων τους όσον αφορά την ενεργειακή πυκνότητα και την πυκνότητα ισχύος. Παραδείγματα είναι το ηλεκτρικό e-Golf με αναλογία ισχύος/χωρητικότητας 2,8 και το plug-in υβριδικό Golf GTE με αναλογία 8,5. Στο όνομα της μείωσης της τιμής, η VW σκοπεύει να χρησιμοποιήσει τις ίδιες κυψέλες για όλους τους τύπους μπαταριών. Και κάτι ακόμη - όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα της μπαταρίας, τόσο μικρότερος είναι ο αριθμός των πλήρους εκφορτίσεων και φορτίσεων, και αυτό αυξάνει τη διάρκεια ζωής της, επομένως - όσο μεγαλύτερη είναι η μπαταρία, τόσο το καλύτερο. Το δεύτερο αφορά τα υβρίδια ως πρόβλημα.

Τάσεις της αγοράς

Επί του παρόντος, η ζήτηση για μπαταρίες για μεταφορικούς σκοπούς υπερβαίνει ήδη τη ζήτηση για ηλεκτρονικά προϊόντα. Εξακολουθεί να προβλέπεται ότι 2020 εκατομμύρια ηλεκτρικά οχήματα ετησίως θα πωλούνται παγκοσμίως έως το 1,5, γεγονός που θα συμβάλει στη μείωση του κόστους των μπαταριών. Το 2010, η τιμή 1 kWh μιας κυψέλης ιόντων λιθίου ήταν περίπου 900 ευρώ και τώρα είναι λιγότερο από 200 ευρώ. Το 25% του κόστους ολόκληρης της μπαταρίας είναι για την κάθοδο, 8% για την άνοδο, τον διαχωριστή και τον ηλεκτρολύτη, το 16% για όλες τις άλλες κυψέλες της μπαταρίας και το 35% για τη συνολική σχεδίαση της μπαταρίας. Με άλλα λόγια, οι κυψέλες ιόντων λιθίου συμβάλλουν κατά 65 τοις εκατό στο κόστος μιας μπαταρίας. Οι εκτιμώμενες τιμές Tesla για το 2020 όταν το Gigafactory 1 τεθεί σε λειτουργία είναι περίπου 300 €/kWh για τις μπαταρίες NCA και η τιμή περιλαμβάνει το τελικό προϊόν με κάποιο μέσο ΦΠΑ και εγγύηση. Ακόμα μια αρκετά υψηλή τιμή, η οποία θα συνεχίσει να μειώνεται με την πάροδο του χρόνου.

Τα κύρια αποθέματα λιθίου βρίσκονται στην Αργεντινή, τη Βολιβία, τη Χιλή, την Κίνα, τις ΗΠΑ, την Αυστραλία, τον Καναδά, τη Ρωσία, το Κονγκό και τη Σερβία, με τη συντριπτική πλειοψηφία να εξορύσσεται σήμερα από ξηρές λίμνες. Με τη συσσώρευση ολοένα και περισσότερων μπαταριών, η αγορά υλικών που ανακυκλώνονται από παλιές μπαταρίες θα αυξάνεται. Πιο σημαντικό όμως είναι το πρόβλημα του κοβαλτίου, το οποίο, αν και υπάρχει σε μεγάλες ποσότητες, εξορύσσεται ως υποπροϊόν από την παραγωγή νικελίου και χαλκού. Η εξόρυξη κοβαλτίου, παρά τη χαμηλή συγκέντρωσή του στο έδαφος, γίνεται στο Κονγκό (το οποίο έχει τα μεγαλύτερα διαθέσιμα αποθέματα), αλλά υπό συνθήκες που θέτουν υπό αμφισβήτηση την ηθική, την ηθική και την προστασία του περιβάλλοντος.

Γεια σας

Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι οι τεχνολογίες που υιοθετούνται ως προοπτική του εγγύς μέλλον δεν είναι στην πραγματικότητα θεμελιωδώς νέες, αλλά είναι παραλλαγές ιόντων λιθίου. Αυτές είναι, για παράδειγμα, μπαταρίες στερεάς κατάστασης, οι οποίες χρησιμοποιούν στερεό ηλεκτρολύτη (ή γέλη σε μπαταρίες πολυμερών λιθίου) αντί για υγρό. Αυτή η λύση παρέχει έναν πιο σταθερό σχεδιασμό των ηλεκτροδίων, που σπάει την ακεραιότητά τους κατά τη φόρτιση με μεγάλο ρεύμα, αντίστοιχα. υψηλή θερμοκρασία και υψηλό φορτίο. Αυτό μπορεί να αυξήσει το ρεύμα φόρτισης, την πυκνότητα και τη χωρητικότητα του ηλεκτροδίου. Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης βρίσκονται ακόμη σε πολύ πρώιμο στάδιο ανάπτυξης και είναι απίθανο να εισέλθουν σε μαζική παραγωγή πριν από τα μέσα της δεκαετίας.

Μία από τις βραβευμένες startups στον Διαγωνισμό Τεχνολογίας Καινοτομίας BMW 2017 στο Άμστερνταμ ήταν μια εταιρεία που τροφοδοτούσε με μπαταρίες, της οποίας η άνοδος πυριτίου επιτρέπει μεγαλύτερη πυκνότητα ενέργειας. Οι μηχανικοί εργάζονται σε διάφορες νανοτεχνολογίες για να κάνουν το υλικό της ανόδου και της καθόδου πιο πυκνό και ισχυρό, και μια λύση είναι η χρήση γραφενίου. Αυτά τα μικροσκοπικά στρώματα γραφίτη με πάχος ενός ατόμου και εξαγωνική ατομική δομή είναι ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα υλικά. Αναπτύχθηκε από τον κατασκευαστή κυψελών μπαταριών Samsung SDI "μπάλες γραφενίου" ενσωματωμένες στη δομή καθόδου και ανόδου, παρέχουν υψηλότερη αντοχή, διαπερατότητα και πυκνότητα υλικού και αντίστοιχη αύξηση της χωρητικότητας κατά περίπου 45% και πέντε φορές μικρότερο χρόνο φόρτισης. Αυτές οι τεχνολογίες μπορούν να έχουν την ισχυρότερη ώθηση από τα μονοθέσια της Formula E, τα οποία ίσως είναι τα πρώτα που εξοπλίζονται με τέτοιες μπαταρίες.

Οι παίκτες σε αυτό το στάδιο

Οι κύριοι παίκτες ως προμηθευτές Tier 123 και Tier 2020, δηλαδή κατασκευαστές κυψελών και μπαταριών, είναι η Ιαπωνία (Panasonic, Sony, GS Yuasa και Hitachi Vehicle Energy), η Κορέα (LG Chem, Samsung, Kokam και SK Innovation), η Κίνα (BYD Company ) . , ATL και Lishen) και των ΗΠΑ (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel και Valence Technology). Οι κύριοι προμηθευτές κινητών τηλεφώνων είναι αυτή τη στιγμή η LG Chem, η Panasonic, η Samsung SDI (Κορέα), η AESC (Ιαπωνία), η BYD (Κίνα) και η CATL (Κίνα), οι οποίες κατέχουν μερίδιο αγοράς XNUMX/XNUMX. Σε αυτή τη φάση στην Ευρώπη, τους αντιτίθεται μόνο η BMZ Group από τη Γερμανία και η Northvolth από τη Σουηδία. Με το λανσάρισμα του Gigafactory της Tesla το XNUMX, αυτό το ποσοστό θα αλλάξει - η αμερικανική εταιρεία θα αντιπροσωπεύει το XNUMX% της παγκόσμιας παραγωγής κυψελών ιόντων λιθίου. Εταιρείες όπως η Daimler και η BMW έχουν ήδη υπογράψει συμβόλαια με ορισμένες από αυτές τις εταιρείες, όπως η CATL, η οποία κατασκευάζει ένα εργοστάσιο στην Ευρώπη.