Elbil i går, i dag, i morgen: del 3

Begrepet "litiumionbatterier" skjuler et bredt spekter av teknologier.

En ting er sikkert - så lenge litium-ion elektrokjemi forblir uendret i denne forbindelse. Ingen annen elektrokjemisk energilagringsteknologi kan konkurrere med litium-ion. Poenget er imidlertid at det er forskjellige design som bruker forskjellige materialer for katoden, anoden og elektrolytten, som hver har forskjellige fordeler når det gjelder holdbarhet (antall lade- og utladingssykluser opp til en tillatt restkapasitet for elektriske kjøretøyer på 80 %), spesifikk effekt kWh/kg, pris euro/kg eller effekt/effekt-forhold.

Tilbake i tid

Muligheten for å gjennomføre elektrokjemiske prosesser i den såkalte. Litiumionceller kommer fra separasjon av litiumprotoner og elektroner fra litiumforbindelsen ved katoden under lading. Litiumatomet donerer enkelt ett av sine tre elektroner, men av samme grunn er det svært reaktivt og må isoleres fra luft og vann. I spenningskilden begynner elektronene å bevege seg langs kretsen deres, og ionene blir rettet mot karbon-litiumanoden og, som passerer gjennom membranen, koblet til den. Under utladningen skjer den omvendte bevegelsen - ionene går tilbake til katoden, og elektronene passerer på sin side gjennom den eksterne elektriske belastningen. Imidlertid resulterer rask høystrømslading og full utlading i dannelsen av nye holdbare forbindelser, som reduserer eller til og med stopper batteriets funksjon. Ideen bak å bruke litium som partikkeldonor stammer fra det faktum at det er det letteste metallet og enkelt kan frigjøre protoner og elektroner under de rette forholdene. Imidlertid forlater forskere raskt bruken av rent litium på grunn av dets høye flyktighet, dets evne til å binde seg til luft og av sikkerhetsmessige årsaker.

Det første litiumionbatteriet ble opprettet på 1970-tallet av Michael Whittingham, som brukte rent litium og titansulfid som elektroder. Denne elektrokjemien brukes ikke lenger, men legger faktisk grunnlaget for litiumionbatterier. På 1970-tallet demonstrerte Samar Basu evnen til å absorbere litiumioner fra grafitt, men takket være erfaringene fra den tiden ødela batteriene raskt selv når de ble ladet og utladet. På 1980-tallet begynte intensiv utvikling å finne egnede litiumforbindelser for katoden og anoden til batterier, og det virkelige gjennombruddet kom i 1991.

NCA, NCM litiumceller ... hva betyr dette egentlig?

Etter å ha eksperimentert med forskjellige litiumforbindelser i 1991, ble forskernes innsats kronet med suksess - Sony begynte masseproduksjon av litium-ion-batterier. For tiden har batterier av denne typen den høyeste utgangseffekten og energitettheten, og viktigst av alt, et betydelig utviklingspotensial. Avhengig av batterikrav, tyr selskaper til forskjellige litiumforbindelser som katodemateriale. Disse er litiumkoboltoksid (LCO), forbindelser med nikkel, kobolt og aluminium (NCA) eller med nikkel, kobolt og mangan (NCM), litiumjernfosfat (LFP), litiummanganspinell (LMS), litiumtitanoksid (LTO) og andre. Elektrolytten er en blanding av litiumsalter og organiske løsningsmidler og er spesielt viktig for "mobiliteten" til litiumioner, og separatoren, som er ansvarlig for å forhindre kortslutninger ved å være permeabel for litiumioner, er vanligvis polyetylen eller polypropylen.

Utgangseffekt, kapasitet eller begge deler

De viktigste egenskapene til batterier er energitetthet, pålitelighet og sikkerhet. For tiden produserte batterier dekker et bredt spekter av disse kvalitetene, og avhengig av materialene som brukes, har de et spesifikt energiområde på 100 til 265 W / kg (og en energitetthet på 400 til 700 W / L). Det beste i denne forbindelse er NCA-batteriene og de verste LFPene. Imidlertid er materialet den ene siden av mynten. For å øke både spesifikk energi og energitetthet, brukes forskjellige nanostrukturer for å absorbere mer materiale og gi høyere ledningsevne for ionestrømmen. Et stort antall ioner, "lagret" i en stabil forbindelse, og ledningsevne er forutsetninger for raskere lading, og utvikling er rettet i disse retningene. Samtidig må batteridesignet gi det nødvendige forholdet mellom kapasitet og kapasitet, avhengig av type stasjon. For eksempel må plug-in-hybrider ha et mye høyere forhold mellom effekt og kapasitet av åpenbare grunner. Dagens utvikling er fokusert på batterier som NCA (LiNiCoAlO2 med katode og grafittanode) og NMC 811 (LiNiMnCoO2 med katode og grafittanode). Førstnevnte inneholder (utenfor litium) ca. 80% nikkel, 15% kobolt og 5% aluminium og har en spesifikk energi på 200-250 W / kg, noe som betyr at de har en relativt begrenset bruk av kritisk kobolt og en levetid på opptil 1500 sykluser. Slike batterier vil bli produsert av Tesla i Gigafactory i Nevada. Når den når sin planlagte full kapasitet (i 2020 eller 2021, avhengig av situasjonen), vil anlegget produsere 35 GWh batterier, nok til å drive 500 biler. Dette vil redusere kostnadene for batteriene ytterligere.

NMC 811-batterier har en litt lavere spesifikk energi (140-200W/kg), men har lengre levetid, når 2000 fulle sykluser, og er 80 % nikkel, 10 % mangan og 10 % kobolt. For tiden bruker alle batteriprodusenter en av disse to typene. Det eneste unntaket er det kinesiske selskapet BYD, som lager LFP-batterier. Biler utstyrt med dem er tyngre, men de trenger ikke kobolt. NCA-batterier foretrekkes for elektriske kjøretøy og NMC for plug-in-hybrider på grunn av deres respektive fordeler når det gjelder energitetthet og effekttetthet. Eksempler er den elektriske e-Golf med et effekt/kapasitetsforhold på 2,8 og plug-in hybrid Golf GTE med et forhold på 8,5. For å senke prisen har VW tenkt å bruke de samme cellene til alle typer batterier. Og en ting til - jo større kapasiteten til batteriet er, jo mindre antall fulle utladninger og ladninger, og dette øker derfor levetiden - jo større batteriet er, jo bedre. Det andre gjelder hybrider som et problem.

Markedstrender

For tiden overstiger etterspørselen etter batterier til transportformål allerede etterspørselen etter elektroniske produkter. Det er fortsatt anslått at 2020 millioner elektriske kjøretøy per år vil bli solgt globalt innen 1,5, noe som vil bidra til å redusere kostnadene for batterier. I 2010 var prisen på 1 kWh av en litiumioncelle rundt 900 euro, og nå er den under 200 euro. 25 % av kostnadene for hele batteriet er for katoden, 8 % for anode, separator og elektrolytt, 16 % for alle andre battericeller og 35 % for den generelle batteridesignen. Litium-ion-celler bidrar med andre ord med 65 prosent av kostnadene for et batteri. Estimerte Tesla-priser for 2020 når Gigafactory 1 går i bruk er rundt 300€/kWh for NCA-batterier og prisen inkluderer det ferdige produktet med noe gjennomsnittlig mva og garanti. Fortsatt en ganske høy pris, som vil fortsette å synke over tid.

De viktigste reservene av litium finnes i Argentina, Bolivia, Chile, Kina, USA, Australia, Canada, Russland, Kongo og Serbia, hvor de aller fleste for tiden utvinnes fra tørkede innsjøer. Etter hvert som flere og flere batterier akkumuleres, vil markedet for materialer resirkulert fra gamle batterier øke. Mer viktig er imidlertid problemet med kobolt, som, selv om det er til stede i store mengder, blir utvunnet som et biprodukt i produksjonen av nikkel og kobber. Kobolt utvinnes, til tross for sin lave konsentrasjon i jorda, i Kongo (som har de største tilgjengelige reservene), men under forhold som utfordrer etikk, moral og miljøvern.

Hi-tech

Det bør tas i betraktning at teknologiene som er akseptert som et prospekt for den nærmeste fremtiden, faktisk ikke er fundamentalt nye, men er litiumionalternativer. Dette er for eksempel solid state-batterier, som bruker en solid elektrolytt i stedet for en væske (eller gel i litiumpolymerbatterier). Denne løsningen gir en mer stabil utforming av elektrodene, som krenker integriteten deres henholdsvis med høy strøm. høy temperatur og høy belastning. Dette kan øke ladestrømmen, elektrodetettheten og kapasitansen. Solid state-batterier er fremdeles på et veldig tidlig stadium av utviklingen og vil sannsynligvis ikke treffe masseproduksjon før i midten av tiåret.

En av de prisbelønte oppstartene under BMW Innovation Technology Competition 2017 i Amsterdam var et batteridrevet selskap hvis silisiumanode forbedrer energitettheten. Ingeniører jobber med forskjellige nanoteknologier for å gi større tetthet og styrke til materialet til både anoden og katoden, og en løsning er å bruke grafen. Disse mikroskopiske lagene med grafitt med en enkelt atomtykkelse og en sekskantet atomstruktur er et av de mest lovende materialene. "Grafenballene" utviklet av battericelleprodusenten Samsung SDI, integrert i katoden og anodestrukturen, gir høyere styrke, permeabilitet og tetthet av materialet og en tilsvarende kapasitetsøkning på omtrent 45% og fem ganger raskere ladetid. Disse teknologi kan motta den sterkeste impulsen fra Formel E -biler, som kan være de første som er utstyrt med slike batterier.

Spillere på dette stadiet

Hovedaktørene som Tier 123 og Tier 2020 leverandører, det vil si celle- og batteriprodusenter, er Japan (Panasonic, Sony, GS Yuasa og Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam og SK Innovation), Kina (BYD Company ) . , ATL og Lishen) og USA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel og Valence Technology). Hovedleverandørene av mobiltelefoner er for tiden LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Japan), BYD (Kina) og CATL (Kina), som har en markedsandel på to tredjedeler. På dette stadiet i Europa er de kun motarbeidet av BMZ Group fra Tyskland og Northvolth fra Sverige. Med lanseringen av Teslas Gigafactory i XNUMX vil denne andelen endre seg – det amerikanske selskapet vil stå for XNUMX % av verdens produksjon av litiumionceller. Selskaper som Daimler og BMW har allerede signert kontrakter med noen av disse selskapene, som CATL, som bygger en fabrikk i Europa.