Kecha, bugun, ertaga elektromobil: 3-qism

"Lityum-ionli batareyalar" atamasi turli xil texnologiyalarni yashiradi.

Bir narsa aniq - lityum-ion elektrokimyosi bu borada o'zgarishsiz qolar ekan. Boshqa hech qanday elektrokimyoviy energiya saqlash texnologiyasi litiy-ion bilan raqobatlasha olmaydi. Gap shundaki, katod, anod va elektrolitlar uchun turli xil materiallardan foydalanadigan turli dizaynlar mavjud bo'lib, ularning har biri chidamlilik nuqtai nazaridan har xil afzalliklarga ega (elektr transport vositalari uchun ruxsat etilgan qoldiq sig'imgacha bo'lgan zaryadlash va tushirish davrlari soni). 80% dan, solishtirma quvvat kVt/kg, narx evro/kg yoki quvvatga nisbati.

Orqaga qaytish

Atamada elektrokimyoviy jarayonlarni o'tkazish imkoniyati. Lityum-ion xujayralari zaryadlash paytida lityum protonlari va elektronlarning katoddagi lityum birikmasidan ajralib chiqishidan kelib chiqadi. Litiy atomi o'zining uchta elektronidan birini osongina beradi, lekin xuddi shu sababga ko'ra u juda reaktiv va havo va suvdan ajratilishi kerak. Kuchlanish manbasida elektronlar o'z davri bo'ylab harakatlana boshlaydi va ionlar uglerod-litiy anodiga yo'naltiriladi va membranadan o'tib, unga ulanadi. Chiqarish vaqtida teskari harakat sodir bo'ladi - ionlar katodga qaytadi va elektronlar, o'z navbatida, tashqi elektr yukidan o'tadi. Shu bilan birga, yuqori oqimdagi tez zaryadlash va to'liq zaryadsizlanish natijasida yangi bardoshli ulanishlar paydo bo'ladi, bu batareyaning funksiyasini kamaytiradi yoki hatto to'xtatadi. Litiyni zarrachalar donori sifatida ishlatish g'oyasi uning eng engil metall ekanligi va kerakli sharoitlarda proton va elektronlarni osongina chiqarishi mumkinligidan kelib chiqadi. Biroq, olimlar sof lityumning yuqori volatilligi, havo bilan bog'lanish qobiliyati va xavfsizlik nuqtai nazaridan foydalanishdan tezda voz kechmoqdalar.

Birinchi lityum-ionli batareyani 1970-yillarda Maykl Uittingem yaratgan, u elektrod sifatida sof lityum va titanium sulfiddan foydalangan. Ushbu elektrokimyo endi ishlatilmaydi, lekin aslida lityum-ionli batareyalar uchun asos yaratadi. 1970-yillarda Samar Basu grafitdan lityum ionlarini yutish qobiliyatini namoyish etdi, ammo o'sha paytdagi tajriba tufayli batareyalar zaryad olayotganda va zaryadsizlanganda tezda o'z-o'zini yo'q qiladi. 1980-yillarda intensiv rivojlanish katod va akkumulyator batareyalari uchun mos lityum birikmalarini topa boshladi va haqiqiy yutuq 1991 yilda yuz berdi.

NCA, NCM lityum hujayralari ... bu aslida nimani anglatadi?

1991 yilda turli xil lityum birikmalari bilan tajriba o'tkazgandan so'ng, olimlarning sa'y-harakatlari muvaffaqiyat bilan yakunlandi - Sony litiy-ionli batareyalarni ommaviy ishlab chiqarishni boshladi. Hozirgi vaqtda ushbu turdagi akkumulyatorlar eng yuqori chiqish quvvati va energiya zichligiga ega, eng muhimi, rivojlanish uchun muhim salohiyatga ega. Batareya talablariga qarab, kompaniyalar katod materiali sifatida turli xil lityum birikmalariga murojaat qilmoqdalar. Bular litiy kobalt oksidi (LCO), nikel, kobalt va alyuminiy (NCA) yoki nikel, kobalt va marganets (NCM), litiy temir fosfat (LFP), litiy marganets shpinel (LMS), litiy titanium oksidi (LTO) bilan birikmalardir. va boshqalar. Elektrolit lityum tuzlari va organik erituvchilar aralashmasi bo'lib, lityum ionlarining "harakatchanligi" uchun ayniqsa muhimdir va lityum ionlari uchun o'tkazuvchan bo'lish orqali qisqa tutashuvlarning oldini olish uchun mas'ul bo'lgan ajratuvchi odatda polietilen yoki polipropilendir.

Chiqish quvvati, quvvati yoki har ikkalasi

Batareyalarning eng muhim xususiyatlari energiya zichligi, ishonchliligi va xavfsizligi. Hozirgi vaqtda ishlab chiqarilgan batareyalar ushbu fazilatlarning keng doirasini qamrab oladi va ishlatilgan materiallarga qarab ma'lum bir energiya diapazoni 100 dan 265 Vt / kg gacha (va energiya zichligi 400 dan 700 Vt / L gacha). Bu borada eng yaxshisi NCA batareyalari va eng yomon LFPlardir. Biroq, material tanganing bir tomonidir. Ham o'ziga xos energiya, ham energiya zichligini oshirish uchun ko'proq nosimmetrik moddalarni olish va ion oqimining yuqori o'tkazuvchanligini ta'minlash uchun turli xil nanostrukturalardan foydalaniladi. Barqaror birikmada "saqlanadigan" ko'p miqdordagi ionlar va o'tkazuvchanlik tezroq zaryadlashning zarur sharti bo'lib, rivojlanish shu yo'nalishlarga yo'naltirilgan. Shu bilan birga, batareyaning dizayni haydovchining turiga qarab kerakli quvvat va quvvat koeffitsientini ta'minlashi kerak. Masalan, plaginli duragaylar aniq sabablarga ko'ra quvvat va quvvat nisbati ancha yuqori bo'lishi kerak. Bugungi rivojlanish NCA (katod va grafit anodli LiNiCoAlO2) va NMC 811 (katod va grafit anodli LiNiMnCoO2) kabi batareyalarga qaratilgan. Birinchisi tarkibida (litiydan tashqarida) 80% ga yaqin nikel, 15% kobalt va 5% alyuminiy bor va o'ziga xos energiyasi 200-250 Vt / kg ni tashkil qiladi, bu ularning kobaltidan nisbatan cheklangan foydalanish va 1500 tsiklgacha bo'lgan xizmat muddatini anglatadi. Bunday batareyalar Tesla tomonidan Nevadadagi Gigafactory-da ishlab chiqariladi. Rejalashtirilgan to'liq quvvati ishga tushirilganda (vaziyatga qarab 2020 yilda yoki 2021 yilda) zavod 35 ming avtomobilni quvvat bilan ta'minlash uchun etarli bo'lgan 500 GVt / soat batareyalar ishlab chiqaradi. Bu batareyalar narxini yanada pasaytiradi.

NMC 811 batareyalari bir oz pastroq o'ziga xos energiyaga ega (140-200 Vt / kg), lekin uzoq umrga ega, 2000 ta to'liq tsiklga etadi va 80% nikel, 10% marganets va 10% kobaltdan iborat. Hozirgi vaqtda barcha akkumulyator ishlab chiqaruvchilari ushbu ikki turdan birini ishlatadilar. Faqatgina istisno - LFP batareyalarini ishlab chiqaruvchi Xitoyning BYD kompaniyasi. Ular bilan jihozlangan mashinalar og'irroq, ammo ular kobaltga muhtoj emas. NCA akkumulyatorlari elektr transport vositalari uchun, NMC akkumulyatorlari esa energiya zichligi va quvvat zichligi nuqtai nazaridan ustunliklari tufayli plagin gibridlari uchun afzallik beriladi. Masalan, quvvat/sig‘im nisbati 2,8 bo‘lgan elektr e-Golf va 8,5 nisbatga ega plagin gibrid Golf GTE. Narxni pasaytirish nomi bilan VW barcha turdagi akkumulyatorlar uchun bir xil hujayralardan foydalanish niyatida. Va yana bir narsa - batareyaning hajmi qanchalik katta bo'lsa, to'liq zaryadsizlanishlar va zaryadlar soni shunchalik kam bo'ladi va bu uning xizmat muddatini oshiradi, shuning uchun - batareya qanchalik katta bo'lsa, shuncha yaxshi bo'ladi. Ikkinchisi muammo sifatida duragaylarga tegishli.

Bozor tendentsiyalari

Hozirgi vaqtda transport uchun akkumulyatorlarga bo'lgan talab elektron mahsulotlarga bo'lgan talabdan allaqachon oshib ketgan. Hali ham prognozlarga ko'ra, 2020 yilga kelib dunyo bo'ylab yiliga 1,5 million elektromobil sotiladi, bu esa batareyalar narxini pasaytirishga yordam beradi. 2010 yilda litiy-ionli hujayraning 1 kVt/soat narxi taxminan 900 yevroni tashkil etgan bo‘lsa, hozir u 200 yevrodan ham kam. Butun akkumulyator narxining 25% katod uchun, 8% anod, separator va elektrolitlar uchun, 16% boshqa barcha batareya xujayralari va 35% umumiy batareya dizayni uchun. Boshqacha qilib aytganda, litiy-ionli hujayralar batareya narxining 65 foizini tashkil qiladi. Gigafactory 2020 ishga tushganda 1 yil uchun Teslaning taxminiy narxlari NCA batareyalari uchun taxminan 300 evro/kVt/soatni tashkil qiladi va narxga o'rtacha QQS va kafolatli tayyor mahsulot kiradi. Hali ham ancha yuqori narx, vaqt o'tishi bilan pasayishda davom etadi.

Lityumning asosiy zaxiralari Argentina, Boliviya, Chili, Xitoy, AQSh, Avstraliya, Kanada, Rossiya, Kongo va Serbiyada joylashgan bo'lib, hozirgi paytda ularning aksariyati qurigan ko'llardan qazib olinmoqda. Batareyalar tobora ko'proq to'planib borishi bilan eski batareyalardan qayta ishlangan materiallar bozori ko'payadi. Ammo, bundan ham muhimi, kobalt muammosi, u ko'p miqdorda bo'lishiga qaramay, nikel va mis ishlab chiqarishda yon mahsulot sifatida qazib olinadi. Kobalt tuproqdagi oz miqdordagi kontsentratsiyasiga qaramay, Kongoda (mavjud bo'lgan eng katta zaxiraga ega) qazib olinadi, ammo axloq, axloq va atrof-muhitni muhofaza qilishni qiyinlashtiradigan sharoitlarda.

Ilg'or texnologiyalar

Shuni yodda tutish kerakki, yaqin kelajak uchun istiqbol sifatida qabul qilingan texnologiyalar aslida printsipial jihatdan yangi emas, balki lityum-ionli variantlardir. Bular, masalan, qattiq holatdagi batareyalar, ular o'rniga suyuqlik o'rniga qattiq elektrolit ishlatiladi (yoki lityum polimer batareyalaridagi jel). Ushbu eritma elektrodlarning yanada barqaror dizayni bilan ta'minlaydi, bu esa o'z navbatida yuqori oqim bilan zaryadlanganda ularning yaxlitligini buzadi. yuqori harorat va yuqori yuk. Bu zaryad oqimini, elektrod zichligini va sig'imini oshirishi mumkin. Qattiq batareyalar hali ham rivojlanishning dastlabki bosqichida va o'n yil o'rtalariga qadar ommaviy ishlab chiqarishga ta'sir etishi ehtimoldan yiroq emas.

2017 yilda Amsterdamda o'tkazilgan BMW innovatsion texnologiyalar tanlovida mukofotga sazovor bo'lgan startaplardan biri akkumulyator bilan ishlaydigan kompaniya bo'lib, uning kremniy anodi energiya zichligini yaxshilaydi. Muhandislar ham anod, ham katod materialining zichligi va kuchliligini oshirish uchun turli nanotexnologiyalar ustida ishlamoqdalar va bitta yechim - bu grafendan foydalanish. Bu bitta atom qalinligi va olti burchakli atom tuzilishiga ega bo'lgan grafitning mikroskopik qatlamlari eng istiqbolli materiallardan biridir. Katod va anod tuzilishiga o'rnatilgan Samsung SDI akkumulyator hujayralari ishlab chiqargan "grafenli to'plar" materialning yuqori kuchliligi, o'tkazuvchanligi va zichligini va shunga mos ravishda sig'imning qariyb 45% va zaryadlanish vaqtini besh barobar tezligini ta'minlaydi. texnologiyalar bunday batareyalar bilan birinchi bo'lib jihozlangan bo'lishi mumkin bo'lgan Formula E avtomobillaridan eng kuchli impulsni olishi mumkin.

Ushbu bosqichda o'yinchilar

Tier 123 va Tier 2020 yetkazib beruvchilari, ya'ni hujayra va akkumulyator ishlab chiqaruvchilari sifatida asosiy ishtirokchilar Yaponiya (Panasonic, Sony, GS Yuasa va Hitachi Vehicle Energy), Koreya (LG Chem, Samsung, Kokam va SK Innovation), Xitoy (BYD kompaniyasi) hisoblanadi. . , ATL va Lishen) va AQSh (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel va Valence Technology). Hozirda uyali telefonlarning asosiy yetkazib beruvchilari LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Koreya), AESC (Yaponiya), BYD (Xitoy) va CATL (Xitoy) bo‘lib, bozor ulushi uchdan ikki qismini tashkil etadi. Evropada bu bosqichda ularga faqat Germaniyadan BMZ Group va Shvetsiyadan Northvolth qarshi. XNUMX-yilda Tesla’ning Gigafactory ishga tushirilishi bilan bu nisbat o‘zgaradi – litiy-ionli hujayralar ishlab chiqarishning XNUMX foizi Amerika kompaniyasi hissasiga to‘g‘ri keladi. Daimler va BMW kabi kompaniyalar allaqachon Evropada zavod qurayotgan CATL kabi ushbu kompaniyalarning ba'zilari bilan shartnomalar imzolagan.