Elektromos autó tegnap, ma, holnap: 3. rész

A "lítium-ion akkumulátorok" kifejezés sokféle technológiát rejt.

Egy dolog biztos – mindaddig, amíg a lítium-ion elektrokémia változatlan marad ebben a tekintetben. Egyetlen más elektrokémiai energiatárolási technológia sem tud versenyezni a lítium-ionnal. A lényeg azonban az, hogy különböző kialakítások léteznek, amelyekben különböző anyagokat használnak a katódhoz, az anódhoz és az elektrolithoz, amelyek mindegyikének más-más előnye van a tartósság tekintetében (a töltési és kisütési ciklusok száma az elektromos járművek megengedett maradékkapacitásáig). 80%), fajlagos teljesítmény kWh/kg, euró/kg ár vagy teljesítmény/teljesítmény arány.

Vissza az időben

Az elektrokémiai folyamatok végrehajtásának lehetősége az ún. A lítium-ion cellák a lítium protonoknak és elektronoknak a töltés során a katódon lévő lítium csomópontból való leválasztásából származnak. A lítiumatom könnyen átadja három elektronja egyikét, de ugyanezen okból nagyon reaktív, ezért el kell különíteni a levegőtől és a víztől. A feszültségforrásban az elektronok elkezdenek mozogni az áramkörük mentén, és az ionokat a szén-lítium anódra irányítják, és a membránon áthaladva hozzá kapcsolódnak. A kisülés során fordított mozgás történik - az ionok visszatérnek a katódra, az elektronok pedig áthaladnak a külső elektromos terhelésen. A gyors nagyáramú töltés és a teljes kisütés azonban új, tartós csatlakozások kialakulását eredményezi, ami csökkenti vagy akár le is állítja az akkumulátor működését. A lítium részecskedonorként való felhasználásának ötlete abból a tényből fakad, hogy ez a legkönnyebb fém, és megfelelő körülmények között könnyen képes protonokat és elektronokat felszabadítani. A tudósok azonban gyorsan felhagynak a tiszta lítium használatával, mivel nagy illékonysága, levegővel kötődni képes, valamint biztonsági okokból.

Az első lítium-ion akkumulátort az 1970-es években hozta létre Michael Whittingham, aki tiszta lítiumot és titán-szulfidot használt elektródként. Ezt az elektrokémiát már nem használják, de valójában megalapozza a lítium-ion akkumulátorokat. Az 1970-es években Samar Basu bebizonyította, hogy képes a lítiumionokat abszorbeálni a grafitból, de az akkori tapasztalatoknak köszönhetően az akkumulátorok gyorsan önmegsemmisültek, amikor feltöltötték és lemerültek. Az 1980-as években intenzív fejlesztés során kezdtek megfelelő lítiumvegyületeket találni az elemek katódjához és anódjához, és az igazi áttörés 1991-ben következett be.

NCA, NCM lítiumsejtek ... mit jelent ez valójában?

Miután 1991-ben kísérleteztek különféle lítiumvegyületekkel, a tudósok erőfeszítéseit siker koronázta – a Sony megkezdte a lítium-ion akkumulátorok tömeggyártását. Jelenleg az ilyen típusú akkumulátorok rendelkeznek a legnagyobb kimeneti teljesítménnyel és energiasűrűséggel, és ami a legfontosabb, jelentős fejlesztési potenciállal rendelkeznek. Az akkumulátor követelményeitől függően a vállalatok különböző lítiumvegyületeket használnak katódanyagként. Ezek a lítium-kobalt-oxid (LCO), a nikkellel, kobalttal és alumíniummal (NCA) vagy nikkellel, kobalttal és mangánnal (NCM), lítium-vas-foszfát (LFP), lítium-mangán-spinell (LMS), lítium-titán-oxid (LTO) alkotott vegyületek. és mások. Az elektrolit lítium sók és szerves oldószerek keveréke, és különösen fontos a lítiumionok "mobilitása" szempontjából, az elválasztó pedig, amely a rövidzárlatok megelőzéséért felelős azáltal, hogy átjárja a lítiumionokat, általában polietilén vagy polipropilén.

Kimeneti teljesítmény, kapacitás vagy mindkettő

Az elemek legfontosabb jellemzői az energiasűrűség, a megbízhatóság és a biztonság. A jelenleg gyártott akkumulátorok ezen tulajdonságok széles skáláját fedik le, és a felhasznált anyagtól függően a fajlagos energia-tartománya 100-265 W / kg (és az energiasűrűség 400-700 W / L). A legjobbak ebben a tekintetben az NCA akkumulátorok és a legrosszabb LFP-k. Az anyag azonban az érme egyik oldala. A fajlagos energia és az energiasűrűség növelése érdekében különféle nanostruktúrákat alkalmaznak több anyag felszívására és az ionáram nagyobb vezetőképességének biztosítására. A gyors töltés előfeltétele a stabil vegyületben "tárolt" ionok nagy száma és a vezetőképesség, és a fejlődés ezekre az irányokra irányul. Ugyanakkor az akkumulátor kialakításának biztosítania kell a szükséges teljesítmény / kapacitás arányt a meghajtó típusától függően. Például a plug-in hibrideknek nyilvánvaló okokból sokkal nagyobb teljesítmény / teljesítmény aránynak kell lenniük. A mai fejlesztések olyan elemekre összpontosítanak, mint az NCA (katóddal és grafit anóddal ellátott LiNiCoAlO2) és az NMC 811 (katóddal és grafit anóddal ellátott LiNiMnCoO2). Az előbbiek (a lítiumon kívül) körülbelül 80% nikkelt, 15% kobaltot és 5% alumíniumot tartalmaznak, és fajlagos energiájuk 200-250 W / kg, ami azt jelenti, hogy viszonylag korlátozottan használják a kritikus kobaltot, és élettartama akár 1500 ciklus is lehet. Ilyen elemeket a Tesla gyárt majd a nevadai Gigafactoryban. Amikor eléri tervezett teljes kapacitását (2020-ban vagy 2021-ben, az esettől függően), az üzem 35 GWh akkumulátort fog termelni, ami elegendő 500 000 jármű energiaellátására. Ez tovább csökkenti az elemek költségeit.

Az NMC 811 akkumulátorok fajlagos energiája valamivel alacsonyabb (140-200 W/kg), de hosszabb élettartamúak, elérik a 2000 teljes ciklust, és 80% nikkelből, 10% mangánból és 10% kobaltból állnak. Jelenleg minden akkumulátorgyártó e két típus valamelyikét használja. Az egyetlen kivétel a kínai BYD cég, amely LFP akkumulátorokat gyárt. A velük felszerelt autók nehezebbek, de nincs szükségük kobaltra. Az elektromos járművekben az NCA akkumulátorokat részesítik előnyben, a konnektorról tölthető hibrideknél pedig az NMC akkumulátorokat az energiasűrűség és a teljesítménysűrűség tekintetében nyújtott előnyük miatt. Ilyen például az elektromos e-Golf 2,8-as teljesítmény/kapacitás aránnyal és a plug-in hibrid Golf GTE, amelynek az aránya 8,5. Az árcsökkentés jegyében a VW minden típusú akkumulátorhoz ugyanazokat a cellákat kívánja használni. És még egy dolog - minél nagyobb az akkumulátor kapacitása, annál kevesebb a teljes kisülések és töltések száma, és ez növeli az élettartamát, ezért - minél nagyobb az akkumulátor, annál jobb. A második problémaként a hibrideket érinti.

Piaci trendek

A szállítási célú akkumulátorok iránti kereslet jelenleg már meghaladja az elektronikai termékek iránti keresletet. Továbbra is az előrejelzések szerint 2020-ra évente 1,5 millió elektromos járművet adnak el világszerte, ami segít csökkenteni az akkumulátorok költségeit. 2010-ben egy lítium-ion cella 1 kWh ára körülbelül 900 euró volt, most pedig kevesebb, mint 200 euró. A teljes akkumulátor költségének 25%-a a katódra, 8%-a az anódra, a szeparátorra és az elektrolitra, 16%-a az összes többi akkumulátorcellára és 35%-a az akkumulátor teljes kialakítására. Más szóval, a lítium-ion cellák 65 százalékban járulnak hozzá az akkumulátor költségéhez. A becsült Tesla ára 2020-ban, amikor a Gigafactory 1 üzembe áll, körülbelül 300 €/kWh az NCA akkumulátorok esetében, és az ár tartalmazza a készterméket némi átlagos áfával és garanciával. Még mindig meglehetősen magas ár, amely idővel tovább csökken.

A lítium fő tartalékai Argentínában, Bolíviában, Chilében, Kínában, az Egyesült Államokban, Ausztráliában, Kanadában, Oroszországban, Kongóban és Szerbiában találhatók, a túlnyomó többséget jelenleg kiszáradt tavakból bányásszák. Ahogy egyre több elem halmozódik fel, a régi elemekből újrahasznosított anyagok piaca megnő. Sokkal fontosabb azonban a kobalt problémája, amelyet ugyan nagy mennyiségben tartalmaznak, de a nikkel és a réz gyártása során melléktermékként bányásznak. A kobaltot - annak alacsony talajkoncentrációja ellenére - Kongóban (a rendelkezésre álló legnagyobb tartalékkal) bányászzák, de olyan körülmények között, amelyek kihívást jelentenek az etika, az erkölcs és a környezetvédelem szempontjából.

Hi-tech

Nem szabad megfeledkezni arról, hogy a közeljövő kilátásaként alkalmazott technológiák valójában nem alapvetően újdonságok, hanem lítium-ion opciók. Ilyenek például a szilárdtest-elemek, amelyek folyadék helyett szilárd elektrolitot (vagy lítium-polimer akkumulátorokban lévő gélt) használnak. Ez a megoldás az elektródák stabilabb kialakítását biztosítja, amely sérti integritásukat, ha nagy árammal töltik. magas hőmérséklet és nagy terhelés. Ez növelheti a töltőáramot, az elektródák sűrűségét és a kapacitást. A szilárdtest-akkumulátorok még mindig a fejlesztés nagyon korai szakaszában vannak, és nem valószínű, hogy az évtized közepéig érik el a tömeggyártást.

A 2017-es amszterdami BMW innovációs technológiai verseny egyik díjnyertes startupja egy akkumulátorral működő vállalat volt, amelynek szilíciumanódja javítja az energiasűrűséget. A mérnökök különféle nanotechnológiákon dolgoznak, hogy nagyobb sűrűséget és szilárdságot biztosítsanak mind az anód, mind a katód anyagának, és az egyik megoldás a grafén használata. Ezek a grafit mikroszkopikus rétegek egyetlen atomvastagsággal és hatszögletű atomszerkezettel az egyik legígéretesebb anyag. A Samsung SDI akkumulátorcellás gyártó által kifejlesztett "graféngolyók", amelyek beépültek a katód- és anódszerkezetbe, nagyobb szilárdságot, permeabilitást és sűrűséget biztosítanak az anyagnak, és ennek megfelelően körülbelül 45% -kal növelik a kapacitást, és ötször gyorsabb töltési időt. a legerősebb impulzust a Formula E autóktól kaphatja, amelyek elsőként szerelhetők fel ilyen akkumulátorokkal.

Játékosok ebben a szakaszban

Tier 123 és Tier 2020 beszállítóként, azaz cella- és akkumulátorgyártóként a fő szereplők Japán (Panasonic, Sony, GS Yuasa és Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam és SK Innovation), Kína (BYD Company) . , ATL és Lishen) és az USA-ban (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel és Valence Technology). A mobiltelefonok fő beszállítói jelenleg az LG Chem, a Panasonic, a Samsung SDI (Korea), az AESC (Japán), a BYD (Kína) és a CATL (Kína), amelyek piaci részesedése kétharmados. Európában jelenleg csak a német BMZ Group és a svéd Northvolth ellenzi őket. A Tesla Gigafactory XNUMX-as elindításával ez az arány megváltozik – az amerikai cég a világ lítium-ion cellák gyártásának XNUMX%-át adja majd. Az olyan cégek, mint a Daimler és a BMW, már szerződést kötöttek néhány ilyen céggel, például a CATL-lel, amely gyárat épít Európában.