Электрамабіль ўчора, сёння, заўтра: частка 3

За тэрмінам «літый-іённыя акумулятары» хаваецца вялікая разнастайнасць тэхналогій.

Адно можна сказаць напэўна пакуль літый-іённая электрахімія застаецца нязменнай у гэтым стаўленні. Ніякая іншая тэхналогія захоўвання электрахімічнай энергіі не можа канкураваць з літый-іённай. Справа, аднак, у тым, што існуюць розныя распрацоўкі, у якіх выкарыстоўваюцца розныя матэрыялы для катода, анода і электраліта, кожны з якіх мае розныя перавагі з пункту гледжання даўгавечнасці (колькасць цыклаў зарадкі і разрадкі да дапушчальнай рэшткавым ёмістасці для электрамабіляў 80%), удзельная магутнасць квтч / кг, кошт еўра / кг або стаўленне магутнасці да магутнасці.

Назад у часе

Магчымасць правядзення электрахімічных працэсаў у т.зв. Літый-іённыя элементы адбываюцца з-за аддзяленні пратонаў і электронаў літыя ад злучэння літыя на катодзе падчас зарадкі. Атам літыя лёгка аддае адзін з трох сваіх электронаў, але па тым жа чынніку ён валодае высокай рэакцыйнай здольнасцю і павінен быць ізаляваны ад паветра і воды. У крыніцы напругі электроны пачынаюць рухацца па сваім ланцугу, і іёны накіроўваюцца на вугляродна-літыевы анод і, праходзячы праз мембрану, злучаюцца з ім. Пры разрадзе адбываецца зваротны рух іёны вяртаюцца да катода, а электроны ў сваю чаргу праходзяць праз вонкавую электрычную нагрузку. Аднак хуткая моцнадакладная зарадка і поўная разрадка прыводзяць да адукацыі новых даўгавечных злучэнняў, што змяншае і нават спыняе функцыі акумулятара. Ідэя выкарыстання літыя ў якасці донара часціц злучана з тым, што ён з'яўляецца самым лёгкім металам і можа лёгка вызваляць пратоны і электроны пры правільных умовах. Тым не менш, навукоўцы хутка адмаўляюцца ад магчымасці выкарыстання чыстага літыя з-за яго высокай лятучасці, яго здольнасці злучацца з паветрам і па меркаваннях бяспекі.

Першая літый-іённая батарэя была створана ў 1970-х гадах Майклам Уиттингемом, які выкарыстоўваў у якасці электродаў чысты літый і сульфід тытана. Гэтая электрахіміі больш не выкарыстоўваецца, але фактычна закладвае асновы для літый-іённых батарэй. У 1970-х гадах Самар Басу прадэманстраваў здольнасць паглынаць іёны літыя з графіту, але, дзякуючы вопыту таго часу, батарэі хутка самоуничтожались пры зарадцы і разрадцы. У 1980-х гадах пачаліся інтэнсіўныя распрацоўкі, каб знайсці прыдатныя злучэння літыя для катода і анода батарэй, і сапраўдны прарыў адбыўся ў 1991 годзе.

NCA, NCM літыевыя элементы ... што гэта на самай справе азначае?

Пасля эксперыментаў з рознымі злучэннямі літыя ў 1991 годзе намаганні вучоных увянчаліся поспехам – Sony пачала масавую вытворчасць літый-іённых акумулятараў. У цяперашні час акумулятары гэтага тыпу маюць найбольшую выходную магутнасць і шчыльнасць энергіі, а галоўнае - значны патэнцыял для развіцця. У залежнасці ад патрабаванняў да батарэяў кампаніі звяртаюцца да розных злучэнняў літыя ў якасці матэрыялу катода. Гэта аксід літыю-кобальту (LCO), злучэнні з нікелем, кобальтам і алюмініем (NCA) або з нікелем, кобальтам і марганцам (NCM), літый-фасфат жалеза (LFP), літый-марганцавая шпінель (LMS), літый-тытан аксід (LTO) і іншыя. Электраліт уяўляе сабою сумесь соляў літыя і арганічных растваральнікаў і асабліва важны для «рухомасці» іёнаў літыя, а сепаратар, які адказвае за прадухіленне кароткіх замыканняў, быўшы пранікальным для іёнаў літыя, звычайна ўяўляе сабою поліэтылен ці поліпрапілен.

Выхадныя магутнасць, ёмістасць або абодва

Найбольш важнымі характарыстыкамі батарэй з'яўляюцца ўдзельная энергія, надзейнасць і бяспека. Што вырабляюцца ў цяперашні час батарэі ахопліваюць шырокі спектр гэтых якасцяў і, у залежнасці ад выкарыстоўваных матэрыялаў, маюць удзельная энергетычны дыяпазон ад 100 да 265 Вт / кг (і шчыльнасць энергіі ад 400 да 700 Вт / л). Лепшымі ў гэтых адносінах з'яўляюцца батарэі NCA і горшыя LFP. Тым не менш, матэрыял з'яўляецца адным бокам медалі. Каб павялічыць як удзельную энергію, так і шчыльнасць энергіі, выкарыстоўваюцца розныя наноструктур, каб паглынуць больш матэрыялу і забяспечыць больш высокую праводнасць патоку іёнаў. Вялікая колькасць іёнаў, «якія захоўваюцца» у стабільным злучэнні, і праводнасць з'яўляюцца перадумовамі для больш хуткай зарадкі, і развіццё накіравана ў гэтыя напрамкі. У той жа час канструкцыя батарэі павінна забяспечваць неабходнае суадносіны магутнасці да ёмістасці ў залежнасці ад тыпу прывада. Напрыклад, якія падключаюцца гібрыды павінны мець значна больш высокае стаўленне магутнасці да ёмістасці па відавочным прычынах. Сённяшнія распрацоўкі сканцэнтраваны на батарэях тыпу NCA (LiNiCoAlO2 з катодам і графітавым анодам) і NMC 811 (LiNiMnCoO2 з катодам і графітавым анодам). Першыя ўтрымліваюць (за межамі літыя) каля 80% нікеля, 15% кобальту і 5% алюмінія і маюць удзельную энергію 200-250 Вт / кг, што азначае, што яны маюць адносна абмежаваную выкарыстанне крытычнага кобальту і тэрмін службы да 1500 цыклаў. Такія батарэі будуць вырабляцца Tesla на яго Gigafactory ў Невадзе. Калі ён дасягне запланаванай поўнай магутнасці (у 2020 ці 2021 годзе, у залежнасці ад сітуацыі), завод будзе вырабляць 35 ГВтч акумулятараў, што дастаткова для аснашчэння 500 000 аўтамабіляў. Гэта яшчэ больш знізіць кошт батарэй.

Батарэі NMC 811 маюць крыху больш нізкую ўдзельную энергію (140-200 Вт / кг), але маюць больш працяглы тэрмін службы, дасягаючы 2000 поўных цыклаў, і іх доля складае 80% нікеля, 10% марганца і 10% кобальту. У наш час усе вытворцы акумулятараў выкарыстаюць адзін з гэтых двух тыпаў. Адзіным выключэннем з`яўляецца кітайская кампанія BYD, якая вырабляе батарэі LFP. Абсталяваныя імі аўтамабілі цяжэй, але кобальт ім не патрэбен. Акумулятары NCA пераважныя для электрамабіляў, а NMC – для гібрыдаў з падключаюцца раздымамі з-за адпаведных пераваг з пункту гледжання ўдзельнай энергіі і ўдзельнай магутнасці. Прыкладамі з'яўляюцца электрычны e-Golf з суадносінамі магутнасць / ёмістасць 2,8 і які падключаецца гібрыдны Golf GTE з суадносінамі 8,5. У імя зніжэння кошту VW мае намер выкарыстоўваць адны і тыя ж элементы для ўсіх тыпаў батарэй. І яшчэ адна рэч - чым больш ёмістасць батарэі, тым менш колькасць поўных разрадаў і зарадаў, і гэта павялічвае тэрмін яе службы, таму - чым больш батарэя, тым лепш. Другі тычыцца гібрыдаў як праблемы.

рынкавыя трэнды

Цяпер попыт на акумулятарныя батарэі для транспартных мэт ужо перавышае попыт на электронныя прадукты. Па-ранейшаму мяркуецца, што да 2020 года ў свеце будзе прадавацца 1,5 мільёна электрамабіляў за год, што дапаможа знізіць кошт акумулятараў. У 2010 годзе цана 1 кВт-г літый-іённага элемента была каля 900 еўра, а цяпер яна ніжэй за 200 еўра. 25% кошту ўсёй батарэі прыпадае на катод, 8% - на анод, сепаратар і электраліт, 16% - на ўсе астатнія элементы батарэі і 35% - на агульную канструкцыю батарэі. Іншымі словамі, літый-іённыя элементы ўносяць 65-працэнтны ўклад у кошт батарэі. Арыентыровачныя кошты Tesla на 2020 год, калі Gigafactory 1 уступіць у эксплуатацыю, складаюць каля 300 еўра / кВт-г для акумулятараў NCA, і кошт уключае ў сябе гатовы прадукт з некаторым сярэднім ПДВ і гарантыяй. Усё яшчэ дастаткова высокі кошт, які з часам працягне зніжацца.

Асноўныя запасы літыя знаходзяцца ў Аргенціне, Балівіі, Чылі, Кітаі, ЗША, Аўстраліі, Канадзе, Расіі, Конга і Сербіі, прычым пераважная большасць у цяперашні час здабываецца з высахлых азёр. З назапашваннем ўсё большай колькасці батарэй рынак матэрыялаў, перапрацаваных са старых батарэй, павялічыцца. Аднак больш важнай з'яўляецца праблема кобальту, які, хоць і прысутнічае ў вялікіх колькасцях, здабываецца як пабочны прадукт пры вытворчасці нікеля і медзі. Здабыча кобальту, нягледзячы на ​​нізкую канцэнтрацыю ў глебе, вядзецца ў Конга (які валодае самымі вялікімі даступнымі запасамі), але ва ўмовах, якія ставяць пад сумнеў этыку, мараль і абарону навакольнага асяроддзя.

перадавыя тэхналогіі

Варта мець на ўвазе, што тэхналогіі, прынятыя ў якасці перспектывы на бліжэйшую будучыню, на самай справе не з'яўляюцца прынцыпова новымі, а ўяўляюць сабой літый-іённыя варыянты. Такія, напрыклад, цвёрдацельныя батарэі, у якіх замест вадкасці выкарыстоўваецца цвёрды электраліт (або гель ў літый-палімерных батарэях). Гэтае рашэнне забяспечвае больш стабільную канструкцыю электродаў, якая парушае іх цэласнасць пры зарадцы вялікім токам, адпаведна. падвышаная тэмпература і высокая нагрузка. Гэта можа павялічыць зарадны ток, шчыльнасць электродаў і ёмістасць. Цвёрдацельныя батарэі ўсё яшчэ знаходзяцца на вельмі ранняй стадыі распрацоўкі, і наўрад ці яны з'явяцца ў серыйнай вытворчасці да сярэдзіны дзесяцігоддзі.

Адным з адзначаных ўзнагародамі стартапов на конкурсе інавацыйных тэхналогій BMW у Амстэрдаме ў 2017 годзе была кампанія, якая працуе на батарэйках, крамянёвы анод якой дазваляе павысіць шчыльнасць энергіі. Інжынеры працуюць над рознымі нанатэхналогіямі, каб забяспечыць вялікую шчыльнасць і трываласць матэрыялу як анода, так і катода, і адным з рашэнняў з'яўляецца выкарыстанне графена. Гэтыя мікраскапічныя пласты графіту з таўшчынёй аднаго атама і гексагональные атамнай структурай з'яўляюцца адным з найбольш перспектыўных матэрыялаў. Распрацаваныя вытворцам акумулятарных элементаў Samsung SDI «графеновые шарыкі», інтэграваныя ў катодны і анодны структуру, забяспечваюць больш высокую трываласць, пранікальнасць і шчыльнасць матэрыялу і адпаведнае павелічэнне ёмістасці прыкладна на 45% і ў пяць разоў карацей час зарадкі, Гэтыя тэхналогіі могуць атрымаць самы моцны імпульс ад аўтамабіляў Формулы Е, якія могуць быць першымі, якія будуць аснашчаны такімі батарэямі.

Гульцы на гэтым этапе

Асноўнымі гульцамі ў якасці пастаўшчыкоў першага і другога ўзроўню, гэта значыць вытворцаў элементаў харчавання і батарэй, з'яўляюцца Японія (Panasonic, Sony, GS Yuasa і Hitachi Vehicle Energy), Карэя (LG Chem, Samsung, Kokam і SK Innovation), Кітай (BYD Company ). , ATL і Lishen) і ЗША (Tesla, Johnson Controls, A123 Systems, EnerDel і Valence Technology). Асноўнымі пастаўшчыкамі сотавых тэлефонаў у цяперашні час з'яўляюцца LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Карэя), AESC (Японія), BYD (Кітай) і CATL (Кітай), доля рынку якіх складае дзве траціны. На дадзеным этапе ў Еўропе ім супрацьстаяць толькі BMZ Group з Нямеччыны і Northvolth са Швецыі. З запускам Gigafactory Tesla ў 2020 году гэтая прапорцыя зменіцца на дзель амерыканскай кампаніі будзе прыходзіцца 30% сусветнай вытворчасці літый-іённых элементаў. Такія кампаніі, як Daimler і BMW, ужо падпісалі кантракты з некаторымі з гэтых кампаній, такімі як CATL, якая будуе завод у Еўропе.