Mașină electrică ieri, azi, mâine: partea a 3-a

Termenul „baterii litiu-ion” ascunde o mare varietate de tehnologii.

Un lucru este sigur - deocamdată, electrochimia cu ioni de litiu rămâne neschimbată în acest sens. Nicio altă tehnologie de stocare a energiei electrochimice nu poate concura cu ionul de litiu. Ideea, totuși, este că există diferite modele care utilizează materiale diferite pentru catod, anod și electrolit, fiecare dintre ele având avantaje diferite în ceea ce privește durabilitatea (număr de cicluri de încărcare și descărcare până la o capacitate reziduală acceptabilă pentru vehiculele electrice de 80%), putere specifică kWh/kg, preț euro/kg sau raport putere-putere.

Înapoi în timp

Posibilitatea de a efectua procese electrochimice în așa-numitele. Celulele litiu-ion provin din separarea protonilor și electronilor de litiu din compusul de litiu la catod în timpul încărcării. Atomul de litiu renunță cu ușurință la unul dintre cei trei electroni ai săi, dar din același motiv este foarte reactiv și trebuie izolat de aer și apă. În sursa de tensiune, electronii încep să se miște de-a lungul circuitului lor, iar ionii sunt direcționați către anodul carbon-litiu și, trecând prin membrană, se conectează cu acesta. În timpul unei descărcări, are loc mișcarea inversă - ionii revin la catod, iar electronii, la rândul lor, trec printr-o sarcină electrică externă. Cu toate acestea, încărcarea rapidă cu curent ridicat și descărcarea completă duc la formarea de conexiuni noi, de lungă durată, care reduce și chiar oprește funcțiile bateriei. Ideea din spatele utilizării litiului ca donor de particule vine din faptul că este cel mai ușor metal și poate elibera cu ușurință protoni și electroni în condițiile potrivite. Cu toate acestea, oamenii de știință resping rapid posibilitatea de a utiliza litiu pur datorită volatilității sale ridicate, capacității sale de a se lega de aer și preocupărilor legate de siguranță.

Prima baterie litiu-ion a fost creată în anii 1970 de Michael Whittingham, care a folosit ca electrozi litiu pur și sulfură de titan. Această electrochimie nu mai este folosită, dar de fapt pune bazele bateriilor litiu-ion. În anii 1970, Samar Basu a demonstrat capacitatea de a absorbi ionii de litiu din grafit, dar pe baza experienței de la acea vreme, bateriile s-au autodistrus rapid atunci când sunt încărcate și descărcate. Dezvoltarea intensivă a început în anii 1980 pentru a găsi compuși de litiu potriviți pentru catodul și anodul bateriilor, iar adevărata descoperire a venit în 1991.

Celule cu litiu NCA, NCM... ce înseamnă asta de fapt?

După ce au experimentat cu diverși compuși cu litiu, eforturile oamenilor de știință au fost încununate cu succes în 1991 - Sony a început producția în masă de baterii litiu-ion. În prezent, bateriile de acest tip au cea mai mare putere de ieșire și densitate de energie și, cel mai important, un potențial semnificativ de dezvoltare. În funcție de cerințele bateriei, companiile apelează la diferiți compuși de litiu ca materiale catodice. Acestea sunt oxid de litiu cobalt (LCO), nichel, cobalt și aluminiu (NCA) sau compuși de nichel, cobalt și mangan (NCM), fosfat de litiu de fier (LFP), spinel de litiu mangan (LMS), oxid de litiu de titan (LTO) și altele. . Electrolitul este un amestec de săruri de litiu și solvenți organici și este deosebit de important pentru „mobilitatea” ionilor de litiu, iar separatorul, care este responsabil pentru prevenirea scurtcircuitelor, fiind permeabil la ionii de litiu, este de obicei polietilenă sau polipropilenă.

Putere de ieșire, capacitate sau ambele

Cele mai importante caracteristici ale bateriilor sunt densitatea energiei, fiabilitatea și siguranța. Bateriile produse în prezent acoperă o gamă largă de aceste calități și, în funcție de materialele utilizate, au o gamă de energie specifică de 100 până la 265 W/kg (și densitate de energie de 400 până la 700 W/L). Cele mai bune în acest sens sunt bateriile NCA și cele mai proaste sunt LFP. Cu toate acestea, materialul este o parte a monedei. Pentru a crește atât energia specifică, cât și densitatea de energie, diferite nanostructuri sunt utilizate pentru a absorbi mai mult material și pentru a oferi o conductivitate mai mare a fluxului de ioni. Un număr mare de ioni „depozitați” într-o conexiune stabilă și conductivitatea sunt condiții prealabile pentru o încărcare mai rapidă, iar evoluțiile sunt îndreptate în aceste direcții. În același timp, designul bateriei trebuie să ofere raportul necesar putere-capacitate, în funcție de tipul de unitate. De exemplu, hibridele plug-in trebuie să aibă un raport putere-capacitate mult mai mare din motive evidente. Dezvoltarile de astăzi se concentrează pe bateriile NCA (catod LiNiCoAlO2 și anod de grafit) și NMC 811 (catod LiNiMnCoO2 și anod de grafit). Primele conțin (în afara litiului) aproximativ 80% nichel, 15% cobalt și 5% aluminiu și au o energie specifică de 200-250 W/kg, ceea ce înseamnă că au o utilizare relativ limitată a cobaltului critic și o durată de viață de până la 1500 de cicluri. Astfel de baterii vor fi produse de Tesla la Gigafactory din Nevada. Când va atinge capacitatea maximă planificată (în 2020 sau 2021, după caz), uzina va produce 35 GWh de baterii, suficiente pentru a alimenta 500 de vehicule. Acest lucru va reduce și mai mult costul bateriilor.

Bateriile NMC 811 au o densitate de energie ceva mai mica (140-200 W/kg) dar au o durata de viata mai lunga, ajungand la 2000 de cicluri complete, si sunt 80% nichel, 10% mangan si 10% cobalt. În prezent, toți producătorii de baterii folosesc unul dintre aceste două tipuri. Singura excepție este compania chineză BYD, care produce baterii LFP. Mașinile echipate cu ele sunt mai grele, dar nu au nevoie de cobalt. Bateriile NCA sunt preferate pentru vehiculele electrice și bateriile NMC pentru hibridele plug-in datorită avantajelor respective în ceea ce privește densitatea de energie și densitatea de putere. Exemple sunt e-Golf electric cu un raport putere/capacitate de 2,8 și Golf GTE hibrid plug-in cu un raport de 8,5. În numele scăderii prețurilor, VW intenționează să folosească aceleași celule pentru toate tipurile de baterii. Și încă un lucru - cu cât capacitatea bateriei este mai mare, cu atât este mai mic numărul de descărcări și încărcări complete, iar acest lucru îi crește durata de viață, prin urmare - cu cât bateria este mai mare, cu atât mai bine. A doua se referă la hibrizi ca problemă.

Tendințele pieței

În prezent, cererea de baterii reîncărcabile pentru transport depășește deja cererea de produse electronice. Încă se așteaptă ca 2020 milioane de vehicule electrice să fie vândute anual în întreaga lume până în 1,5, ceea ce va contribui la reducerea costurilor bateriilor. În 2010, prețul pentru 1 kWh de celulă litiu-ion era de aproximativ 900 de euro, iar acum este sub 200 de euro. 25% din costul întregii baterii este catodul, 8% este anodul, separatorul și electrolitul, 16% sunt toate celelalte elemente ale bateriei și 35% este designul general al bateriei. Cu alte cuvinte, celulele litiu-ion contribuie cu 65% la costul bateriei. Prețurile orientative ale Tesla pentru 2020, când intră în funcțiune Gigafactory 1, sunt în jur de 300 €/kWh pentru bateriile NCA, iar prețul include produsul finit cu ceva TVA și garanție medie. Încă un preț destul de mare, care va continua să scadă în timp.

Rezervele majore de litiu se găsesc în Argentina, Bolivia, Chile, China, SUA, Australia, Canada, Rusia, Congo și Serbia, marea majoritate fiind acum minată din lacuri uscate. Odată cu acumularea din ce în ce mai multe baterii, piața materialelor reciclate din bateriile vechi va crește. Mai importantă este însă problema cobaltului, care, deși este prezent în cantități mari, este extras ca produs secundar al producției de nichel și cupru. Exploatarea cobaltului, deși scăzută în concentrații în sol, are loc în Congo (care are cele mai mari rezerve disponibile), dar în condiții care pun sub semnul întrebării etica, moralitatea și protecția mediului.

Tehnologie avansată

Trebuie avut în vedere faptul că tehnologiile adoptate ca perspective pentru viitorul apropiat nu sunt de fapt fundamental noi, ci reprezintă opțiuni de litiu-ion. Acestea sunt, de exemplu, bateriile cu stare solidă, care utilizează un electrolit solid (sau gel în bateriile cu polimer de litiu) în loc de lichid. Această soluție oferă un design mai stabil al electrozilor, ceea ce compromite integritatea acestora atunci când se încarcă cu un curent mare, respectiv. temperatură ridicată și sarcină mare. Acest lucru poate crește curentul de încărcare, densitatea electrozilor și capacitatea. Bateriile cu stare solidă sunt încă într-un stadiu foarte incipient de dezvoltare și este puțin probabil să atingă scara de producție până la mijlocul deceniului.

Una dintre startup-urile premiate la BMW Technology Innovation Competition din 2017 din Amsterdam a fost o companie alimentată cu baterii, al cărei anod de siliciu permite o densitate de energie mai mare. Inginerii lucrează la diferite nanotehnologii pentru a oferi o densitate și o rezistență mai mare atât materialelor anodului cât și catodic, iar o soluție este utilizarea grafenului. Aceste straturi microscopice de grafit, cu o grosime de un atom și o structură atomică hexagonală, sunt unul dintre cele mai promițătoare materiale. Dezvoltat de producătorul de celule de baterie Samsung SDI, „granulele de grafen” integrate în structura catodului și anodului oferă o rezistență, permeabilitate și densitate a materialului mai mari și o creștere corespunzătoare a capacității de aproximativ 45% și timpi de încărcare de cinci ori mai scurti. Aceste tehnologii pot primi cele mai mari. impuls încă de la mașinile de Formula E, care ar putea fi primele echipate cu astfel de baterii.

Jucători în această etapă

Principalii jucători ca furnizori ai primului și al doilea nivel, adică producători de baterii și baterii, sunt Japonia (Panasonic, Sony, GS Yuasa și Hitachi Vehicle Energy), Coreea (LG Chem, Samsung, Kokam și SK Innovation), China (Compania BYD). , ATL și Lishen) și SUA (Tesla, Johnson Controls, A123 Systems, EnerDel și Valence Technology). Principalii furnizori de telefoane mobile sunt în prezent LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Coreea), AESC (Japonia), BYD (China) și CATL (China), reprezentând două treimi din cota de piață. În această etapă în Europa li se opun doar BMZ Group din Germania și Northvolth din Suedia. Odată cu lansarea Gigafactory a Tesla în 2020, această proporție se va schimba - compania americană va reprezenta 30% din producția globală de celule litiu-ion. Companii precum Daimler și BMW au semnat deja contracte cu unele dintre aceste companii, precum CATL, care construiește o fabrică în Europa.