Электр машинасы кеше, бүгін, ертең: 3 бөлім

«Литий-иондық батареялар» термині көптеген технологияларды жасырады.

Бір нәрсе анық - литий-иондық электрохимия осыған байланысты өзгеріссіз қалады. Басқа ешбір электрохимиялық энергия сақтау технологиясы литий-ионмен бәсекелесе алмайды. Дегенмен, мәселе катод, анод және электролит үшін әртүрлі материалдарды пайдаланатын әртүрлі конструкциялар бар, олардың әрқайсысының төзімділігі бойынша әртүрлі артықшылықтар бар (электрлік көліктер үшін рұқсат етілген қалдық сыйымдылыққа дейін зарядтау және разряд циклдерінің саны). 80%, меншікті қуат кВт/кг, баға еуро/кг немесе қуат пен қуат қатынасы.

Уақыт өте келе

деп аталатын электрохимиялық процестерді жүргізу мүмкіндігі. Литий-иондық жасушалар зарядтау кезінде литий протондары мен электрондардың катодтағы литий түйісуінен бөлінуінен пайда болады. Литий атомы өзінің үш электронының біреуін оңай береді, бірақ сол себепті ол жоғары реактивті және ауа мен судан оқшаулануы керек. Кернеу көзінде электрондар өз тізбегі бойымен қозғала бастайды, ал иондар көміртегі-литий анодына бағытталады және мембрана арқылы өтіп, оған қосылады. Разряд кезінде кері қозғалыс жүреді – иондар катодқа оралады, ал электрондар өз кезегінде сыртқы электр жүктемесі арқылы өтеді. Дегенмен, жоғары токпен жылдам зарядтау және толық зарядсыздандыру батареяның жұмысын азайтатын немесе тіпті тоқтататын жаңа берік қосылымдардың пайда болуына әкеледі. Бөлшектердің доноры ретінде литийді пайдалану идеясы оның ең жеңіл металл және дұрыс жағдайларда протондар мен электрондарды оңай шығара алатындығынан туындайды. Дегенмен, ғалымдар таза литийдің жоғары құбылмалылығына, ауамен байланысу қабілетіне және қауіпсіздік себептеріне байланысты пайдаланудан тез бас тартуда.

Алғашқы литий-ионды аккумуляторды 1970 жылдары Майкл Литий мен таза литий мен титан сульфидін электродтар ретінде қолданған. Бұл электрохимия енді қолданылмайды, бірақ іс жүзінде литий-иондық батареялардың негізін қалады. 1970 жылдары Самар Басу литий иондарын графиттен сіңіру қабілетін көрсетті, бірақ сол кездегі тәжірибенің арқасында батареялар зарядталып, зарядсызданған кезде тез өздігінен жойылады. 1980 жылдары қарқынды даму катод пен батареялардың анодына қолайлы литий қосылыстарын таба бастады, ал нақты серпіліс 1991 ж.

NCA, NCM литий жасушалары ... бұл нені білдіреді?

1991 жылы әртүрлі литий қосылыстарымен тәжірибе жүргізгеннен кейін ғалымдардың күш-жігері сәтті аяқталды - Sony литий-ионды батареяларды жаппай шығаруды бастады. Қазіргі уақытта осы типтегі аккумуляторлар ең жоғары шығыс қуаты мен энергия тығыздығына ие, ең бастысы, дамудың айтарлықтай әлеуеті бар. Батарея талаптарына байланысты компаниялар катод материалы ретінде әртүрлі литий қосылыстарына жүгінеді. Бұл литий кобальт оксиді (LCO), никель, кобальт және алюминий (NCA) немесе никель, кобальт және марганец (NCM), литий темір фосфаты (LFP), литий марганец шпинелі (LMS), литий титан оксиді (LTO) бар қосылыстар. және басқалар. Электролит литий тұздары мен органикалық еріткіштердің қоспасы болып табылады және литий иондарының «ұтқырлығы» үшін әсіресе маңызды, ал литий иондарына өткізгіштігі арқылы қысқа тұйықталудың алдын алуға жауапты сепаратор әдетте полиэтилен немесе полипропилен болып табылады.

Шығу қуаты, сыйымдылығы немесе екеуі де

Батареялардың маңызды сипаттамалары - энергия тығыздығы, сенімділік және қауіпсіздік. Қазіргі уақытта шығарылатын батареялар осы қасиеттердің кең спектрін қамтиды және пайдаланылған материалдарға байланысты энергияның нақты диапазоны 100-ден 265 Вт / кг-ға дейін (және энергияның тығыздығы 400-ден 700 Вт / л-ге дейін). Бұл тұрғыда ең жақсы болып NCA батареялары және ең нашар LFP табылады. Алайда, бұл монетаның бір жағы. Нақты энергияны және энергия тығыздығын арттыру үшін көп нан сіңіретін және иондар ағынының жоғары өткізгіштігін қамтамасыз ететін әртүрлі наноқұрылымдар қолданылады. Тұрақты қосылыста «сақталған» иондардың көп мөлшері, ал өткізгіштігі тез зарядтаудың қажетті шарты болып табылады және даму осы бағыттарға бағытталған. Сонымен қатар, батареяның дизайны жетектің түріне байланысты қуат пен сыйымдылықтың қажетті арақатынасын қамтамасыз етуі керек. Мысалы, қосылатын гибридтердің белгілі себептерге байланысты қуат-сыйымдылық коэффициенті анағұрлым жоғары болуы керек. Бүгінгі әзірлемелер NCA (катодты және графитті анодты LiNiCoAlO2) және NMC 811 (катодты және графитті анодты LiNiMnCoO2) сияқты батареяларға бағытталған. Алғашқыларында (литийден тыс) шамамен 80% никель, 15% кобальт және 5% алюминий бар және олардың энергиясы 200-250 Вт / кг құрайды, бұл олардың критикалық кобальтты салыстырмалы түрде шектеулі қолданылғанын және 1500 циклге дейін қызмет ету мерзімін көрсетеді. Мұндай батареяларды Tesla компаниясы Невададағы Гигафабораторияда шығарады. Жоспарланған толық қуатына жеткен кезде (жағдайға байланысты 2020 немесе 2021 жылы) зауыт 35 ГВт / сағ аккумулятор шығарады, бұл 500 көлікке қуат береді. Бұл батареялардың құнын одан әрі төмендетеді.

NMC 811 батареяларының меншікті энергиясы (140-200 Вт/кг) сәл төмен, бірақ қызмет ету мерзімі ұзағырақ, 2000 толық циклге жетеді және 80% никель, 10% марганец және 10% кобальт. Қазіргі уақытта барлық аккумулятор өндірушілері осы екі түрдің бірін пайдаланады. Жалғыз ерекшелік - LFP батареяларын шығаратын қытайлық BYD компаниясы. Олармен жабдықталған автомобильдер ауырырақ, бірақ оларға кобальт қажет емес. NCA аккумуляторлары электрлік көліктер үшін және NMC батареялары қуат тығыздығы мен қуат тығыздығы бойынша сәйкес артықшылықтарына байланысты қосылатын гибридтер үшін артықшылық береді. Мысал ретінде қуат/қуат арақатынасы 2,8 болатын электрлік e-Golf және 8,5 қатынасы бар қосылатын гибридті Golf GTE жатады. Бағаны төмендету үшін VW аккумулятордың барлық түрлеріне бірдей ұяшықтарды қолдануды көздеп отыр. Және тағы бір нәрсе - аккумулятордың сыйымдылығы неғұрлым үлкен болса, соғұрлым толық разрядтар мен зарядтардың саны аз болады және бұл оның қызмет ету мерзімін арттырады, сондықтан - аккумулятор неғұрлым үлкен болса, соғұрлым жақсы. Екінші мәселе гибридтерге қатысты.

Нарық тенденциялары

Қазіргі уақытта тасымалдауға арналған аккумуляторларға сұраныс электронды өнімдерге деген сұраныстан асып түседі. 2020 жылға қарай әлемде жылына 1,5 миллион электромобильдер сатылады деп болжануда, бұл батареялардың құнын төмендетуге көмектеседі. 2010 жылы литий-ионды ұяшықтардың 1 кВт/сағ бағасы шамамен 900 еуро болса, қазір 200 еуроға да жетпейді. Бүкіл аккумулятор құнының 25%-ы катодқа, 8%-ы анодқа, сепараторға және электролитке, 16%-ы барлық басқа батарея ұяшықтарына және 35%-ы жалпы аккумуляторлық дизайнға арналған. Басқаша айтқанда, литий-иондық жасушалар батарея құнының 65 пайызын құрайды. Gigafactory 2020 қызметке кірген кездегі 1 жылға арналған Tesla бағасы NCA аккумуляторлары үшін шамамен 300€/кВт/сағ құрайды және бағаға орташа ҚҚС және кепілдік берілген дайын өнім кіреді. Әлі де біршама жоғары баға, ол уақыт өте келе төмендей береді.

Литийдің негізгі қорлары Аргентинада, Боливияда, Чилиде, Қытайда, АҚШ-та, Австралияда, Канадада, Ресейде, Конго мен Сербияда кездеседі, олардың басым көпшілігі қазір құрғақ көлдерден алынады. Батареялар көбейген сайын, ескі батареялардан өңделген материалдар нарығы артады. Алайда, кобальт проблемасы маңызды, ол көп мөлшерде болса да, никель мен мыс өндірісінде жанама өнім ретінде алынады. Кобальт топырақтағы төмен концентрациясына қарамастан Конгода өндіріледі (ең үлкен қоры бар), бірақ этикаға, мораль мен қоршаған ортаны қорғауға қатысы бар жағдайларда.

Жетілдірілген технологиялар

Жақын болашаққа перспектива ретінде қабылданған технологиялар іс жүзінде түбегейлі жаңа емес, бірақ литий-ионды нұсқалары болып табылатындығын есте ұстаған жөн. Бұл, мысалы, сұйықтың орнына қатты электролит қолданатын қатты күйдегі батареялар (немесе литий полимерлі аккумуляторлардағы гель). Бұл шешім электродтардың орнықты дизайнын қамтамасыз етеді, бұл сәйкесінше жоғары токпен зарядталған кезде олардың тұтастығын бұзады. жоғары температура және жоғары жүктеме. Бұл зарядтау тогын, электродтың тығыздығын және сыйымдылығын арттыруы мүмкін. Қатты күйдегі аккумуляторлар әлі күнге дейін дамудың алғашқы сатысында және онжылдықтың ортасына дейін жаппай өндіріске әсер етуі екіталай.

2017 жылы Амстердамда өткен BMW инновациялық технологиялар байқауында марапаттарға ие болған стартаптардың бірі батареямен жұмыс істейтін компания болды, оның кремний аноды энергия тығыздығын арттырады. Инженерлер анодтың да, катодтың да материалының тығыздығы мен беріктігін қамтамасыз ету үшін әр түрлі нанотехнологиялармен жұмыс жасауда, ал бір шешім - графенді қолдану. Графиттің бір атомды қалыңдығы мен алтыбұрышты атомдық құрылымы бар бұл микроскопиялық қабаттары перспективалы материалдардың бірі болып табылады. Катод пен анод құрылымына кіріктірілген Samsung SDI аккумуляторын өндіруші әзірлеген «графен шарлары» материалдың жоғары беріктігін, өткізгіштігін және тығыздығын қамтамасыз етеді және сәйкесінше сыйымдылықтың шамамен 45% және зарядтау уақытының бес есе тез артуын қамтамасыз етеді. Бұл технологиялар мұндай аккумуляторлармен бірінші болып жабдықталуы мүмкін Formula E автомобильдерінен ең күшті импульсті қабылдай алады.

Бұл кезеңде ойыншылар

Бірінші және екінші деңгейлі жеткізушілер, яғни ұяшықтар мен аккумулятор өндірушілері ретінде негізгі ойыншылар Жапония (Panasonic, Sony, GS Yuasa және Hitachi Vehicle Energy), Корея (LG Chem, Samsung, Kokam және SK Innovation), Қытай (BYD компаниясы) болып табылады. . , ATL және Lishen) және АҚШ (Tesla, Johnson Controls, A123 Systems, EnerDel және Valence Technology). Ұялы телефондардың негізгі жеткізушілері қазіргі уақытта нарықтың үштен екі бөлігін құрайтын LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Корея), AESC (Жапония), BYD (Қытай) және CATL (Қытай) болып табылады. Еуропадағы бұл кезеңде оларға тек Германиядан BMZ Group және Швециядан Нортволт қарсы. 2020 жылы Tesla компаниясының Gigafactory іске қосылуымен бұл пропорция өзгереді - американдық компания литий-иондық жасушалардың әлемдік өндірісінің 30% -ын құрайды. Daimler және BMW сияқты компаниялар Еуропада зауыт салып жатқан CATL сияқты осы компаниялардың кейбірімен келісімшартқа отырды.