Elektrikli avtomobil dünən, bu gün, sabah: hissə 3

"Lityum-ion batareyaları" ifadəsi çox sayda texnologiyanı gizlədir.

Bir şey əmindir - litium-ion elektrokimyası bu baxımdan dəyişməz qaldıqda. Heç bir başqa elektrokimyəvi enerji saxlama texnologiyası litium-ion ilə rəqabət apara bilməz. Məsələ ondadır ki, katod, anod və elektrolit üçün müxtəlif materiallardan istifadə edən müxtəlif dizaynlar mövcuddur ki, onların hər biri davamlılıq baxımından fərqli üstünlüklərə malikdir (elektrikli nəqliyyat vasitələri üçün icazə verilən qalıq tutuma qədər yük və boşalma dövrlərinin sayı). 80%, xüsusi güc kVt/kq, qiymət avro/kq və ya gücə güc nisbəti.

Geri qayıt

Sözdə elektrokimyəvi proseslərin aparılması imkanı. Litium-ion hüceyrələri şarj zamanı litium protonlarının və elektronların katodda litium qovşağından ayrılması nəticəsində yaranır. Litium atomu üç elektrondan birini asanlıqla verir, lakin eyni səbəbdən o, yüksək reaktivdir və havadan və sudan təcrid olunmalıdır. Gərginlik mənbəyində elektronlar dövrələri boyunca hərəkət etməyə başlayır və ionlar karbon-litium anoduna yönəldilir və membrandan keçərək ona bağlanır. Boşalma zamanı tərs hərəkət baş verir - ionlar katoda qayıdır və elektronlar da öz növbəsində xarici elektrik yükündən keçir. Bununla belə, sürətli yüksək cərəyan doldurma və tam boşalma batareyanın funksiyasını azaldan və hətta dayandıran yeni davamlı birləşmələrin meydana gəlməsi ilə nəticələnir. Litiumun bir hissəcik donoru kimi istifadə edilməsinin ideyası onun ən yüngül metal olması və düzgün şəraitdə proton və elektronları asanlıqla buraxa bilməsindən irəli gəlir. Bununla belə, alimlər yüksək dəyişkənliyə, hava ilə bağlanma qabiliyyətinə və təhlükəsizlik səbəblərinə görə təmiz litiumun istifadəsindən sürətlə imtina edirlər.

İlk lityum-ion batareyası 1970-ci illərdə saf lityum və titan sulfidi elektrod kimi istifadə edən Michael Whittingham tərəfindən yaradılmışdır. Bu elektrokimya artıq istifadə edilmir, amma lityum-ion batareyaların təməlini qoyur. 1970-ci illərdə Samar Basu lityum ionlarını qrafitdən udma qabiliyyətini nümayiş etdirdi, lakin zamanın təcrübəsi sayəsində batareyalar doldurulduqda və boşaldıqda özlərini tez məhv etdi. 1980-ci illərdə intensiv inkişaf katot və batareyaların anodu üçün uyğun lityum birləşmələri tapmağa başladı və əsl kəşf 1991-ci ildə gəldi.

NCA, NCM lityum hüceyrələri ... bu həqiqətən nə deməkdir?

1991-ci ildə müxtəlif litium birləşmələri ilə təcrübə apardıqdan sonra alimlərin səyləri uğurla nəticələndi - Sony litium-ion batareyalarının kütləvi istehsalına başladı. Hazırda bu tip akkumulyatorlar ən yüksək çıxış gücünə və enerji sıxlığına, ən əsası isə əhəmiyyətli inkişaf potensialına malikdir. Batareya tələblərindən asılı olaraq şirkətlər katod materialı kimi müxtəlif litium birləşmələrinə müraciət edirlər. Bunlar litium kobalt oksidi (LCO), nikel, kobalt və alüminium (NCA) və ya nikel, kobalt və manqan (NCM), litium dəmir fosfat (LFP), litium manqan şpinel (LMS), litium titan oksidi (LTO) ilə birləşmələrdir. və qeyriləri. Elektrolit litium duzları və üzvi həlledicilərin qarışığıdır və litium ionlarının "hərəkətliliyi" üçün xüsusilə vacibdir və litium ionlarına keçirici olmaqla qısa qapanmaların qarşısını almaqdan məsul olan ayırıcı adətən polietilen və ya polipropilendir.

Çıxış gücü, gücü və ya hər ikisi

Batareyaların ən vacib xüsusiyyətləri enerji sıxlığı, etibarlılığı və təhlükəsizliyidir. Hal-hazırda istehsal olunan batareyalar bu keyfiyyətlərin geniş spektrini əhatə edir və istifadə olunan materiallardan asılı olaraq xüsusi enerji diapazonu 100 ilə 265 W / kq (və enerji sıxlığı 400 ilə 700 W / L arasındadır). Bu baxımdan ən yaxşı NCA batareyaları və ən pis LFP-lərdir. Bununla birlikdə, material maddənin bir tərəfidir. Həm xüsusi enerjini, həm də enerji sıxlığını artırmaq üçün daha çox material udmaq və ion axınının daha yüksək keçiriciliyini təmin etmək üçün müxtəlif nanostrukturlardan istifadə olunur. Sabit bir qarışıqda "saxlanılan" çox sayda ion və keçiricilik daha sürətli şarj üçün şərtdir və inkişaf bu istiqamətlərə yönəldilir. Eyni zamanda, batareya dizaynı, sürücünün növündən asılı olaraq tələb olunan gücü və tutum nisbətini təmin etməlidir. Məsələn, plug-in hibridlərinin açıq səbəblərdən güc-tutum nisbətinin daha yüksək olması lazımdır. Bugünkü inkişaflar NCA (katot və qrafit anodlu LiNiCoAlO2) və NMC 811 (katot və qrafit anotlu LiNiMnCoO2) kimi batareyalara yönəldilmişdir. Birincisi (litium xaricində) təxminən% 80 nikel,% 15 kobalt və% 5 alüminium ehtiva edir və özünəməxsus bir enerjiyə 200-250 W / kq-dır, bu da kritik kobaltın nisbətən məhdud istifadəsinə və 1500 dövrə qədər xidmət müddətinə sahib olduqları deməkdir. Bu cür batareyalar Tesla tərəfindən Nevadadakı Gigafactory-da istehsal ediləcəkdir. Planlaşdırılan tam gücünə çatdıqda (vəziyyət olduğu kimi 2020-ci ildə və ya 2021-ci ildə), zavod 35 avtomobilin gücünə çatacaq 500 GWh batareya istehsal edəcəkdir. Bu, batareyaların qiymətini daha da azaldır.

NMC 811 batareyaları bir qədər aşağı xüsusi enerjiyə (140-200W/kq) malikdir, lakin daha uzun ömürlüdür, 2000 tam dövrəyə çatır və 80% nikel, 10% manqan və 10% kobaltdan ibarətdir. Hazırda bütün akkumulyator istehsalçıları bu iki növdən birini istifadə edirlər. Yeganə istisna LFP batareyaları istehsal edən Çin şirkəti BYD-dir. Onlarla təchiz edilmiş avtomobillər daha ağırdır, lakin onlara kobalt lazım deyil. Enerji sıxlığı və güc sıxlığı baxımından müvafiq üstünlüklərinə görə NCA batareyaları elektrik nəqliyyat vasitələri üçün, NMC-yə isə plug-in hibridlər üçün üstünlük verilir. Nümunələr güc/tutum nisbəti 2,8 olan elektrik e-Golf və 8,5 nisbətinə malik plug-in hibrid Golf GTE-dir. Qiyməti endirmək adı ilə VW bütün növ akkumulyatorlar üçün eyni hüceyrələrdən istifadə etmək niyyətindədir. Və daha bir şey - batareyanın tutumu nə qədər böyükdürsə, tam boşalma və doldurmaların sayı bir o qədər azdır və bu, onun xidmət müddətini artırır, buna görə də - batareya nə qədər böyükdürsə, bir o qədər yaxşıdır. İkinci problem olaraq hibridlərə aiddir.

Bazar meylləri

Hazırda nəqliyyat məqsədləri üçün akkumulyatorlara tələbat artıq elektron məhsullara olan tələbatı üstələyir. Hələ də proqnozlaşdırılır ki, 2020-ci ilə qədər dünyada ildə 1,5 milyon elektrik avtomobili satılacaq ki, bu da akkumulyatorların qiymətini aşağı salmağa kömək edəcək. 2010-cu ildə 1 kVt/saat litium-ion elementinin qiyməti təxminən 900 avro idisə, indi 200 avrodan aşağıdır. Bütün batareyanın dəyərinin 25% -i katod, 8% -i anod, separator və elektrolit, 16% -i bütün digər batareya elementləri və 35% -i ümumi batareya dizaynına aiddir. Başqa sözlə, litium-ion hüceyrələr batareyanın dəyərinin 65 faizini təşkil edir. Gigafactory 2020 xidmətə girdiyi zaman 1-ci il üçün təxmin edilən Tesla qiymətləri NCA batareyaları üçün təxminən 300€/kWh təşkil edir və qiymətə bəzi orta ƏDV və zəmanətlə hazır məhsul daxildir. Hələ kifayət qədər yüksək qiymətdir, bu da zamanla azalmağa davam edəcək.

Lityumun əsas ehtiyatları Argentina, Boliviya, Çili, Çin, ABŞ, Avstraliya, Kanada, Rusiya, Konqo və Serbiyada mövcuddur və hazırda böyük əksəriyyəti quru göllərdən çıxarılır. Daha çox akkumulyator yığıldıqca köhnə batareyalardan təkrar emal olunan materiallar bazarı artacaq. Bununla birlikdə, daha vacib olan, çox miqdarda olmasına baxmayaraq, nikel və mis istehsalında yan məhsul kimi çıxarılan kobalt problemidir. Kobalt, torpaqdakı az konsentrasiyasına baxmayaraq Konqoda (mövcud ən böyük ehtiyata sahibdir), lakin etik, əxlaqi və ətraf mühitin qorunmasına meydan oxuyan şərtlərdə çıxarılır.

Qabaqcıl texnologiya

Nəzərə alınmalıdır ki, yaxın gələcək üçün perspektiv kimi qəbul edilən texnologiyalar əslində yeni deyil, lityum-ion variantlarıdır. Bunlar, məsələn, maye əvəzinə qatı bir elektrolit istifadə edən qatı hal batareyalarıdır (və ya lityum polimer batareyalarındakı jel). Bu həll elektrodların daha sabit bir dizaynını təmin edir ki, bu da müvafiq olaraq yüksək cərəyanla doldurulduqda bütövlüyünü pozur. yüksək temperatur və yüksək yük. Bu, şarj cərəyanını, elektrod sıxlığını və kapasitansını artıra bilər. Qatı hal akkumulyatorları hələ inkişafın çox erkən mərhələsindədir və çətin ki, onilliyin ortalarına qədər kütləvi istehsala çatsınlar.

2017-ci ildə Amsterdamda keçirilən BMW İnnovasiya Texnologiyaları Müsabiqəsində mükafat qazanan startaplardan biri, silikon anodunun enerji sıxlığını artıran akkumulyatorlu bir şirkət idi. Mühəndislər həm anod, həm də katod materialına daha çox sıxlıq və güc vermək üçün müxtəlif nanotexnologiyalar üzərində işləyirlər və bir həll qrafen istifadə etməkdir. Tək atom qalınlığına və altıbucaqlı atom quruluşuna malik olan bu mikroskopik qrafit təbəqələri ən perspektivli materiallardan biridir. Katod və anod quruluşuna inteqrasiya edilmiş batareya hüceyrələri istehsalçısı Samsung SDI tərəfindən hazırlanan "qrafen topları", materialın daha yüksək gücünü, keçiriciliyini və sıxlığını və buna uyğun olaraq tutumun təxminən 45% və beş qat daha sürətli şarj müddətini təmin edir. Bu texnologiyalar bu cür batareyalarla təchiz olunan ilk avtomobil ola biləcək Formula E avtomobillərindən ən güclü impuls ala bilər.

Bu mərhələdə oyunçular

Tier 123 və Tier 2020 təchizatçıları kimi əsas oyunçular, yəni hüceyrə və batareya istehsalçıları Yaponiya (Panasonic, Sony, GS Yuasa və Hitachi Vehicle Energy), Koreya (LG Chem, Samsung, Kokam və SK Innovation), Çin (BYD Company) . , ATL və Lishen) və ABŞ (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel və Valence Technology). Mobil telefonların əsas tədarükçüləri hazırda üçdə iki bazar payına malik LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Koreya), AESC (Yaponiya), BYD (Çin) və CATL (Çin) şirkətləridir. Avropada bu mərhələdə onlara ancaq Almaniyadan BMZ Group və İsveçdən Northvolth qarşı çıxır. XNUMX-ci ildə Tesla-nın Gigafactory-nin işə salınması ilə bu nisbət dəyişəcək - Amerika şirkəti dünya üzrə litium-ion hüceyrələri istehsalının XNUMX%-ni təşkil edəcək. Daimler və BMW kimi şirkətlər artıq Avropada zavod tikən CATL kimi bu şirkətlərin bəziləri ilə müqavilələr imzalayıb.