Электр машинасы кечээ, бүгүн, эртең: 3-бөлүк

"Литий-ион батареялары" термини ар кандай технологияларды жашырат.

Бир нерсе анык - литий-иондук электрохимия бул жагынан өзгөрүүсүз бойдон калууда. Энергияны сактоонун башка эч бир электрохимиялык технологиясы литий-ион менен атаандаша албайт. Кеп, бирок, катод, анод жана электролит үчүн ар кандай материалдарды колдонгон ар кандай конструкциялар бар, алардын ар бири бышыктыгы боюнча ар кандай артыкчылыктарга ээ (электр унаалары үчүн жол берилген калдык кубаттуулукка чейинки заряддын жана разряддын циклинин саны). 80%, салыштырма кубаттуулук кВт/кг, баасы евро/кг же кубаттуулукка карата катышы.

убакыттын өтүшү менен кайра

деп аталган электрохимиялык процесстерди жүргүзүү мүмкүнчүлүгү. Литий-иондук клеткалар заряддоо учурунда литий протондорунун жана электрондордун катоддогу литий түйүнүнөн бөлүнүшүнөн келип чыгат. Литий атому үч электрондун бирин оңой эле берет, бирок ошол эле себептен ал абдан реактивдүү жана абадан жана суудан обочолонушу керек. Чыңалуу булагында электрондор өз чынжырында кыймылдай баштайт, ал эми иондор көмүртек-литий анодуна багытталат жана мембрана аркылуу өтүп, ага кошулат. Разряд учурунда тескери кыймыл пайда болот - иондор катодго кайтып келет, ал эми электрондор өз кезегинде тышкы электрдик жүктөн өтөт. Бирок, тез кубаттоо жана толук разряд жаңы туруктуу байланыштарды пайда кылат, бул батареянын иштешин азайтат же ал тургай токтотот. Литийди бөлүкчөлөрдүн донору катары колдонуу идеясы анын эң жеңил металл экендигинен жана туура шарттарда протондор менен электрондорду оңой чыгара ала турганынан келип чыгат. Бирок окумуштуулар таза литийдин жогорку туруксуздугуна, аба менен байланышууга жөндөмдүүлүгүнөн жана коопсуздук себептеринен улам аны колдонуудан тез эле баш тартып жатышат.

Биринчи литий-ион батареясын 1970-жылдары Майкл Уиттингем жараткан, ал таза литий жана титан сульфидин электрод катары колдонгон. Бул электрохимия колдонулбай калган, бирок чындыгында литий-ион батареяларынын пайдубалын түптөйт. 1970-жылдары Самар Басу графиттен литий иондорун сиңирүү жөндөмүн көрсөткөн, бирок ошол кездеги тажрыйбанын аркасында батареялар заряддалганда жана заряддан бошогондо тез бузулуп кетет. 1980-жылдары интенсивдүү өнүгүү катодго жана батареялардын анодуна ылайыктуу литий кошулмаларын таба баштады жана чыныгы жетишкендик 1991-жылы болду.

NCA, NCM литий клеткалары ... бул чындыгында эмнени билдирет?

1991-жылы ар кандай литий кошулмалары менен эксперимент жүргүзгөндөн кийин, илимпоздордун аракети ийгиликтүү аяктады - Sony литий-иондук батареяларды массалык түрдө чыгара баштады. Учурда бул типтеги аккумуляторлор эң жогорку кубаттуулукка жана энергиянын тыгыздыгына ээ жана эң негизгиси өнүгүү үчүн олуттуу потенциалга ээ. Батареянын талаптарына жараша компаниялар катоддук материал катары ар кандай литий кошулмаларына кайрылышат. Бул литий кобальт оксиди (LCO), никель, кобальт жана алюминий (NCA) менен кошулмалар же никель, кобальт жана марганец (NCM), литий темир фосфаты (LFP), литий марганец шпинели (LMS), литий титан оксиди (LTO) жана башкалар. Электролит литий туздарынын жана органикалык эриткичтердин аралашмасы болуп саналат жана литий иондорунун "мобилдүүлүгү" үчүн өзгөчө маанилүү, ал эми литий иондорун өткөрүүчү болуу менен кыска туташуулардын алдын алуу үчүн жооптуу болгон сепаратор көбүнчө полиэтилен же полипропилен болот.

Чыгуу кубаттуулугу, кубаттуулугу же экөө тең

Батареялардын эң маанилүү мүнөздөмөлөрү - энергия тыгыздыгы, ишенимдүүлүк жана коопсуздук. Учурда өндүрүлүп жаткан батареялар ушул сапаттардын кеңири спектрин камтыйт жана колдонулган материалдарга жараша белгилүү бир энергия диапазону 100дөн 265 Вт / кгга чейин (жана энергия тыгыздыгы 400-700 Вт / л). Бул жагынан алганда, NCA батарейкалары жана эң начар LFPs. Бирок, материал монетанын бир тарабы. Өзгөчө энергияны жана энергия тыгыздыгын жогорулатуу үчүн, ар кандай нанструктуралар көбүрөөк материал сиңирүү жана ион агымынын жогорку өткөрүмдүүлүгүн камсыз кылуу үчүн колдонулат. Туруктуу курамда "сакталган" көп сандагы иондор жана өткөрүмдүүлүк тезирээк кубаттоонун өбөлгөсү болуп саналат жана өнүгүү ушул багыттарга багытталат. Ошол эле учурда, батарейканын дизайны талап кылынган кубаттуулукту кубаттуулуктун катышын диск түрүнө жараша камсыз кылышы керек. Мисалы, плагин-гибриддер белгилүү себептерден улам кубаттуулукка жана кубаттуулукка салыштырмалуу кыйла жогору болушу керек. Бүгүнкү өнүгүүлөр NCA (Катод жана графит анод менен LiNiCoAlO2) жана NMC 811 (Катод жана графит анод менен LiNiMnCoO2) сыяктуу батарейкаларга багытталган. Биринчисинде (литийден тышкары) болжол менен 80% никель, 15% кобальт жана 5% алюминий бар жана менчик энергиясы 200-250 Вт / кг, демек, аларда кобальттын салыштырмалуу чектелген колдонулушу жана 1500 циклге чейин иштөө мөөнөтү бар. Мындай батарейкаларды Тесла Невададагы Gigafactory компаниясында чыгарат. Ал пландаштырылган толук кубаттуулукка жеткенде (2020-жылы же 2021-жылы), завод 35 автоунааны кубаттаган 500 ГВт саат батареяларды чыгарат. Бул батареялардын баасын дагы төмөндөтөт.

NMC 811 батарейкаларынын өзгөчө энергиясы бир аз төмөн (140-200 Вт/кг), бирок 2000 толук циклге жетип, узак мөөнөткө ээ жана 80% никель, 10% марганец жана 10% кобальт. Учурда батарейканын бардык өндүрүүчүлөрү бул эки түрдүн бирин колдонушат. LFP аккумуляторлорун чыгарган кытайлык BYD компаниясы гана өзгөчө. Алар менен жабдылган машиналар оор, бирок аларга кобальт керек эмес. NCA батарейкалары электрдик унаалар үчүн, ал эми NMC батарейкалары плагин гибриддери үчүн, алардын энергиянын тыгыздыгы жана кубаттуулугу боюнча артыкчылыктарынан улам тандалат. Мисал катары 2,8 кубаттуулук/кубаттуулук катышы менен электрдик e-Golf жана 8,5 катышы менен плагин гибриддик Golf GTE кирет. Бааны төмөндөтүү атынан VW бардык типтеги батареялар үчүн бирдей клеткаларды колдонууга ниеттенүүдө. Жана дагы бир нерсе - аккумулятордун кубаттуулугу канчалык чоң болсо, ошончолук толук разряддын жана заряддын саны аз болот, бул анын кызмат мөөнөтүн жогорулатат, демек - батарея канчалык чоң болсо, ошончолук жакшы. Экинчиси көйгөй катары гибриддерге тиешелүү.

Базар тенденциясы

Азыркы учурда, транспорттук максаттар үчүн батарейкаларга суроо-талап мурунтан эле электрондук продуктыларга суроо-талаптан ашып кетти. 2020-жылга чейин дүйнө жүзү боюнча жылына 1,5 миллион электр унаасы сатылат деп болжолдонууда, бул батареялардын баасын төмөндөтүүгө жардам берет. 2010-жылы 1 кВт/саат литий-иондук клетканын баасы 900 еврого жакын болсо, азыр 200 еврого жетпейт. Батареянын бардык наркынын 25% катодго, 8% анодго, сепараторго жана электролитке, 16% батарейканын бардык башка клеткаларына жана 35% жалпы батареянын дизайнына туура келет. Башкача айтканда, литий-иондук клеткалар батарейканын наркынын 65 пайызын түзөт. Gigafactory 2020 кызматка киргенде 1-жылга Teslaнын болжолдуу баасы NCA батареялары үчүн болжол менен 300 €/кВт саатты түзөт жана баасы орточо КНС жана кепилдик менен даяр продуктуну камтыйт. Убакыттын өтүшү менен дагы эле төмөндөө турган кыйла жогору баа.

Литийдин негизги запасы Аргентина, Боливия, Чили, Кытай, АКШ, Австралия, Канада, Россия, Конго жана Сербияда кездешет, учурда көпчүлүк бөлүгү куурап калган көлдөрдөн казылып алынат. Бардык батареялар топтолгон сайын, эски батарейкалардан кайра иштетилген материалдардын рыногу жогорулайт. Бирок андан да маанилүүсү, кобальт көйгөйү көп санда болсо да, никель менен жезди өндүрүүдө кошумча продукт катары казылып алынат. Кобальт топурактын концентрациясынын төмөндүгүнө карабастан, Конгодо (эң ири запасы бар) казылып алынат, бирок этикага, адеп-ахлакка жана айлана-чөйрөнү коргоого каршы шарттарда.

Hi-tech

Жакынкы келечектин келечеги катары кабыл алынган технологиялар чындыгында принципиалдуу жаңы эмес, бирок литий-иондун варианттары экендигин эске алуу керек. Бул, мисалы, катуу электр батареялары, алар суюктуктун ордуна катуу электролитти колдонушат (же литий полимердик батарейкалардагы гель). Бул чечим электроддордун кыйла туруктуу дизайнын камсыз кылат, бул алардын тиешелүүлүгүнө жараша жогорку ток менен заряддалганда алардын бүтүндүгүн бузат. жогорку температура жана жогорку жүк. Бул кубаттоо тогун, электрод тыгыздыгын жана сыйымдуулугун жогорулатышы мүмкүн. Катуу аккумуляторлор дагы эле өнүгүүнүн алгачкы баскычында турат жана он жылдыктын ортосуна чейин массалык өндүрүшкө жетпейт.

2017-жылы Амстердамда өткөн BMW Innovation Technology конкурсунда сыйлыкка ээ болгон стартаптардын бири батарея менен иштеген компания болгон, анын кремний аноду энергия тыгыздыгын жакшыртат. Инженерлер анодго жана катодго көбүрөөк тыгыздык жана күч берүү үчүн ар кандай нанотехнологиялардын үстүндө иштеп жатышат, жана бир чечим - графенди колдонуу. Графиттин бир микроскопиялык катмары бир атом калыңдыгы жана алты бурчтуу атомдук структурасы менен эң келечектүү материалдардын бири болуп саналат. Катод менен аноддун түзүлүшүнө интеграцияланган Samsung SDI батарея клеткаларын өндүрүүчү тарабынан иштелип чыккан "графен шарлар" материалдын жогорку күчүн, өткөрүмдүүлүгүн жана тыгыздыгын камсыздайт жана кубаттуулуктун 45% га жакын жогорулашын камсыздайт жана заряддоо убактысын беш эсе тезирээк камсыздайт. Бул технологиялар мындай батареялар менен биринчи жабдылган болушу мүмкүн болгон Formula E унааларынан эң күчтүү импульсту ала алат.

Бул этаптагы оюнчулар

Tier 123 жана Tier 2020 камсыздоочулары катары негизги оюнчулар, б.а. уюлдук жана аккумулятор өндүрүүчүлөр Япония (Panasonic, Sony, GS Yuasa жана Hitachi Vehicle Energy), Корея (LG Chem, Samsung, Kokam жана SK Innovation), Кытай (BYD Company ) . , ATL жана Lishen) жана АКШ (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel жана Valence Technology). Учурда уюлдук телефондордун негизги жеткирүүчүлөрү LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Корея), AESC (Япония), BYD (Кытай) жана CATL (Кытай) болуп саналат, алар рыноктун үчтөн эки бөлүгүн түзөт. Европада бул этапта аларга Германиядан BMZ Group жана Швециядан Нортволт гана каршы. XNUMX-жылы Tesla компаниясынын Gigafactory ишке кириши менен бул пропорция өзгөрөт – америкалык компания литий-иондук клеткалардын дүйнөдөгү өндүрүшүнүн XNUMX%ын түзөт. Daimler жана BMW сыяктуу компаниялар буга чейин Европада завод куруп жаткан CATL сыяктуу бул компаниялардын айрымдары менен келишим түзгөн.