Karozza elettrika lbieraħ, illum, għada: it-tielet parti

It-terminu "batteriji tal-jone tal-litju" jaħbi varjetà wiesgħa ta 'teknoloġiji.

Ħaġa waħda hija ċerta - sakemm l-elettrokimika tal-jone tal-litju tibqa 'l-istess f'dan ir-rigward. L-ebda teknoloġija oħra tal-ħażna tal-enerġija elettrokimika ma tista 'tikkompeti mal-jone tal-litju. Il-punt, madankollu, huwa li hemm disinji differenti li jużaw materjali differenti għall-katodu, anodu u elettrolit, li kull wieħed minnhom għandu vantaġġi differenti f'termini ta 'durabilità (in-numru ta' ċikli ta 'ċarġ u skariku sa kapaċità residwa permissibbli għal vetturi elettriċi ta' 80%), qawwa speċifika kWh/kg, prezz euro/kg jew proporzjon ta' qawwa għal qawwa.

Lura fiż-żmien

Il-possibbiltà li jitwettqu proċessi elettrokimiċi fl-hekk imsejħa. Iċ-ċelloli tal-jone tal-litju jiġu mis-separazzjoni tal-protoni tal-litju u l-elettroni mill-junction tal-litju fil-katodu waqt l-iċċarġjar. L-atomu tal-litju faċilment jagħti wieħed mit-tliet elettroni tiegħu, iżda għall-istess raġuni huwa reattiv ħafna u għandu jkun iżolat mill-arja u mill-ilma. Fis-sors tal-vultaġġ, l-elettroni jibdew jimxu tul iċ-ċirkwit tagħhom, u l-joni huma diretti lejn l-anodu tal-karbonju-litju u, li jgħaddu mill-membrana, huma konnessi magħha. Matul l-iskarigu, iseħħ il-moviment invers - il-joni jirritornaw lejn il-katodu, u l-elettroni, min-naħa tagħhom, jgħaddu mit-tagħbija elettrika esterna. Madankollu, iċċarġjar mgħaġġel ta 'kurrent għoli u skariku sħiħ jirriżulta fil-formazzjoni ta' konnessjonijiet durabbli ġodda, li jnaqqas jew saħansitra jwaqqaf il-funzjoni tal-batterija. L-idea wara l-użu tal-litju bħala donatur ta 'partiċelli ġejja mill-fatt li huwa l-eħfef metall u jista' faċilment jirrilaxxa protoni u elettroni taħt il-kundizzjonijiet it-tajba. Madankollu, ix-xjentisti qed jabbandunaw malajr l-użu tal-litju pur minħabba l-volatilità għolja tiegħu, il-kapaċità tiegħu li jingħaqad mal-arja, u għal raġunijiet ta 'sikurezza.

L-ewwel batterija tal-jone tal-litju ġiet maħluqa fis-sebgħinijiet minn Michael Whittingham, li uża litju pur u sulfat tat-titanju bħala elettrodi. Din l-elettrokimika m'għadhiex tintuża, iżda fil-fatt tistabbilixxi l-pedamenti għal batteriji tal-jone tal-litju. Fis-sebgħinijiet, Samar Basu wera l-abbiltà li jassorbi l-joni tal-litju mill-grafita, iżda grazzi għall-esperjenza ta 'dak iż-żmien, il-batteriji malajr jinqerdu waħedhom meta jiġu ċċarġjati u mormija. Fis-snin 1970, żvilupp intensiv beda jsib komposti tal-litju adattati għall-katodu u l-anodu tal-batteriji, u l-avvanz veru daħal fl-1970.

NCA, NCM Lithium Cells ... xi jfisser dan verament?

Wara li esperimentaw b'diversi komposti tal-litju fl-1991, l-isforzi tax-xjenzati ġew inkurunati b'suċċess - Sony bdiet il-produzzjoni tal-massa ta 'batteriji tal-jone tal-litju. Bħalissa, batteriji ta 'dan it-tip għandhom l-ogħla qawwa tal-ħruġ u densità tal-enerġija, u l-aktar importanti, potenzjal sinifikanti għall-iżvilupp. Skont ir-rekwiżiti tal-batterija, il-kumpaniji qed iduru għal diversi komposti tal-litju bħala l-materjal tal-katodu. Dawn huma ossidu tal-kobalt tal-litju (LCO), komposti b'nikil, kobalt u aluminju (NCA) jew b'nikil, kobalt u manganiż (NCM), fosfat tal-ħadid tal-litju (LFP), spinel tal-manganiż tal-litju (LMS), ossidu tat-titanju tal-litju (LTO) u oħrajn. L-elettrolit huwa taħlita ta 'melħ tal-litju u solventi organiċi u huwa speċjalment importanti għall-"mobilità" tal-jonji tal-litju, u s-separatur, li huwa responsabbli għall-prevenzjoni ta' ċirkuwiti qosra billi jkun permeabbli għall-joni tal-litju, huwa ġeneralment polyethylene jew polypropylene.

Qawwa tal-ħruġ, kapaċità, jew it-tnejn

L-iktar karatteristiċi importanti tal-batteriji huma d-densità tal-enerġija, l-affidabbiltà u s-sigurtà. Il-batteriji prodotti bħalissa jkopru firxa wiesgħa ta 'dawn il-kwalitajiet u, skond il-materjali użati, għandhom firxa speċifika ta' enerġija ta '100 sa 265 W / kg (u densità ta' enerġija ta '400 sa 700 W / L). L-aħjar f'dan ir-rigward huma l-batteriji NCA u l-agħar LFPs. Madankollu, il-materjal huwa naħa waħda tal-munita. Biex iżidu kemm l-enerġija speċifika kif ukoll id-densità tal-enerġija, jintużaw nanostrutturi varji biex jassorbu aktar materjal u jipprovdu konduttività ogħla tal-fluss tal-jone. Numru kbir ta 'joni, "maħżuna" f'kompost stabbli, u konduttività huma prerekwiżiti għal iċċarġjar aktar mgħaġġel, u l-iżvilupp huwa dirett f'dawn id-direzzjonijiet. Fl-istess ħin, id-disinn tal-batterija għandu jipprovdi l-proporzjon tal-qawwa meħtieġa għall-kapaċità skont it-tip ta 'sewqan. Pereżempju, l-ibridi plug-in jeħtieġ li jkollhom proporzjon ta 'enerġija għal kapaċità ferm ogħla għal raġunijiet ovvji. L-iżviluppi tal-lum huma ffokati fuq batteriji bħal NCA (LiNiCoAlO2 b'katodu u anodu tal-grafita) u NMC 811 (LiNiMnCoO2 b'katodu u anodu tal-grafita). L-ewwel fihom (barra l-litju) madwar 80% nikil, 15% kobalt u 5% aluminju u għandhom enerġija speċifika ta '200-250 W / kg, li jfisser li għandhom użu relattivament limitat ta' kobalt kritiku u ħajja ta 'servizz sa 1500 ċiklu. Batteriji bħal dawn jiġu manifatturati minn Tesla fil-Gigafactory tagħha f'Nevada. Meta tilħaq il-kapaċità sħiħa ppjanata tagħha (fl-2020 jew l-2021, skont is-sitwazzjoni), l-impjant jipproduċi 35 GWh ta 'batteriji, biżżejjed biex iħaddem 500 vettura. Dan ikompli jnaqqas l-ispiża tal-batteriji.

Il-batteriji NMC 811 għandhom enerġija speċifika kemmxejn aktar baxxa (140-200W/kg) iżda għandhom ħajja itwal, li jilħqu 2000 ċiklu sħiħ, u huma 80% nikil, 10% manganiż u 10% kobalt. Bħalissa, il-manifatturi kollha tal-batteriji jużaw wieħed minn dawn iż-żewġ tipi. L-unika eċċezzjoni hija l-kumpanija Ċiniża BYD, li tagħmel batteriji LFP. Karozzi mgħammra bihom huma itqal, iżda m'għandhomx bżonn il-kobalt. Il-batteriji NCA huma preferuti għal vetturi elettriċi u NMC għal ibridi plug-in minħabba l-vantaġġi rispettivi tagħhom f'termini ta 'densità ta' enerġija u densità ta 'enerġija. Eżempji huma l-e-Golf elettriku bi proporzjon ta 'qawwa/kapaċità ta' 2,8 u l-Golf GTE ibridu plug-in bi proporzjon ta '8,5. F'isem it-tnaqqis tal-prezz, VW beħsiebha tuża l-istess ċelluli għat-tipi kollha ta 'batteriji. U ħaġa oħra - aktar ma tkun kbira l-kapaċità tal-batterija, inqas in-numru ta 'skariki u ħlasijiet sħaħ, u dan iżid il-ħajja tas-servizz tiegħu, għalhekk - iktar ma tkun kbira l-batterija, aħjar. It-tieni jikkonċerna l-ibridi bħala problema.

Xejriet tas-suq

Fil-preżent, id-domanda għal batteriji għal skopijiet ta 'trasport diġà taqbeż id-domanda għal prodotti elettroniċi. Għadu proġettat li 2020 miljun vettura elettrika fis-sena se jinbiegħu globalment sal-1,5, li se tgħin biex tnaqqas l-ispiża tal-batteriji. Fl-2010, il-prezz ta '1 kWh ta' ċellula tal-jone tal-litju kien madwar 900 euro, u issa huwa inqas minn 200 euro. 25% tal-ispiża tal-batterija kollha hija għall-katodu, 8% għall-anodu, separatur u elettrolit, 16% għaċ-ċelloli l-oħra kollha tal-batterija u 35% għad-disinn ġenerali tal-batterija. Fi kliem ieħor, iċ-ċelloli tal-jone tal-litju jikkontribwixxu 65 fil-mija għall-ispiża ta 'batterija. Il-prezzijiet Tesla stmati għall-2020 meta Gigafactory 1 tidħol fis-servizz huma madwar 300€/kWh għall-batteriji NCA u l-prezz jinkludi l-prodott lest b'xi VAT u garanzija medja. Għadu prezz pjuttost għoli, li se jkompli jonqos maż-żmien.

Ir-riservi ewlenin tal-litju jinsabu fl-Arġentina, il-Bolivja, iċ-Ċili, iċ-Ċina, l-Istati Uniti, l-Awstralja, il-Kanada, ir-Russja, il-Kongo u s-Serbja, bil-maġġoranza l-kbira bħalissa qed tiġi mminata minn lagi mnixxfa. Hekk kif aktar u aktar batteriji jakkumulaw, is-suq għal materjali riċiklati minn batteriji qodma se jiżdied. Aktar importanti, madankollu, hija l-problema tal-kobalt, li, għalkemm preżenti fi kwantitajiet kbar, huwa mminat bħala prodott sekondarju fil-produzzjoni tan-nikil u r-ram. Il-kobalt huwa mminat, minkejja l-konċentrazzjoni baxxa tiegħu fil-ħamrija, fil-Kongo (li għandu l-akbar riżervi disponibbli), iżda f’kundizzjonijiet li jisfidaw l-etika, il-moralità u l-protezzjoni ambjentali.

Hi-tech

Wieħed għandu jżomm f'moħħu li t-teknoloġiji aċċettati bħala prospett għall-futur qarib fil-fatt mhumiex fundamentalment ġodda, iżda huma għażliet tal-jone tal-litju. Dawn huma, pereżempju, batteriji tal-istat solidu, li jużaw elettrolit solidu minflok likwidu (jew ġel f'batteriji tal-polimeru tal-litju). Din is-soluzzjoni tipprovdi disinn aktar stabbli ta 'l-elettrodi, li tikser l-integrità tagħhom meta tiġi ċċarġjata b'kurrent għoli, rispettivament. temperatura għolja u tagħbija għolja. Dan jista 'jżid il-kurrent tal-iċċarġjar, id-densità tal-elettrodu u l-kapaċitanza. Il-batteriji tal-istat solidu għadhom fi stadju bikri ħafna tal-iżvilupp u x'aktarx li ma jolqtux il-produzzjoni tal-massa sa nofs l-għaxar snin.

Waħda mill-istart-ups rebbieħa fil-Kompetizzjoni tat-Teknoloġija tal-BMW tal-2017 f'Amsterdam kienet kumpanija li taħdem bil-batterija li l-anodu tas-silikon itejjeb id-densità tal-enerġija. L-inġiniera qed jaħdmu fuq diversi nanoteknoloġiji biex jipprovdu densità u saħħa akbar kemm għall-anodu kif ukoll għall-materjal tal-katodu, u soluzzjoni waħda hija li tuża l-grafina. Dawn is-saffi mikroskopiċi ta 'grafita bi ħxuna ta' atomu wieħed u struttura atomika eżagonali huma wieħed mill-iktar materjali promettenti. Il- "blalen tal-grafen" żviluppati mill-manifattur taċ-ċelloli tal-batteriji Samsung SDI, integrati fl-istruttura tal-katodu u l-anodu, jipprovdu saħħa ogħla, permeabilità u densità tal-materjal u żieda korrispondenti fil-kapaċità ta 'madwar 45% u ħames darbiet aktar veloċi ħin ta' ċċarġjar. Dawn it-teknoloġiji jista 'jirċievi l-iktar impuls qawwi minn karozzi tal-Formula E, li jistgħu jkunu l-ewwel li jkunu mgħammra b'tali batteriji.

Parteċipanti f'dan l-istadju

L-atturi ewlenin bħala fornituri tal-Livell 123 u tal-Livell 2020, jiġifieri manifatturi taċ-ċelluli u tal-batteriji, huma l-Ġappun (Panasonic, Sony, GS Yuasa u Hitachi Vehicle Energy), il-Korea (LG Chem, Samsung, Kokam u SK Innovation), iċ-Ċina (BYD Company) . , ATL u Lishen) u l-Istati Uniti (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel u Valence Technology). Il-fornituri ewlenin tat-telefowns ċellulari bħalissa huma LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Ġappun), BYD (Ċina) u CATL (Ċina), li għandhom sehem mis-suq ta 'żewġ terzi. F'dan l-istadju fl-Ewropa, huma biss opposti minn BMZ Group mill-Ġermanja u Northvolth mill-Isvezja. Bit-tnedija tal-Gigafactory ta 'Tesla fl-XNUMX, dan il-proporzjon se jinbidel - il-kumpanija Amerikana se tammonta għal XNUMX% tal-produzzjoni dinjija ta' ċelloli tal-jone tal-litju. Kumpaniji bħal Daimler u BMW diġà ffirmaw kuntratti ma’ wħud minn dawn il-kumpaniji, bħal CATL, li qed tibni fabbrika fl-Ewropa.