Мошини барқӣ дирӯз, имрӯз, фардо: қисми 3

Истилоҳи "батареяҳои литий-ион" технологияҳои мухталифро пинҳон мекунад.

Як чиз аник аст — то даме, ки электрохимияи литий-ион дар ин бобат бетагьир монад. Ягон технологияи дигари нигоҳдории энергияи электрохимиявӣ бо литий-ион рақобат карда наметавонад. Аммо, нукта дар он аст, ки тарҳҳои гуногун мавҷуданд, ки барои катод, анод ва электролит маводҳои гуногунро истифода мебаранд, ки ҳар кадоми онҳо аз ҷиҳати устуворӣ бартариҳои гуногун доранд (шумораи давраҳои заряд ва разряд то иқтидори иҷозатдодашудаи боқимонда барои мошинҳои барқӣ). аз 80%, қувваи хоси кВт/кг, нарх евро/кг ё таносуби қувваи барқ.

Баргард дар вақти

Имконияти гузарондани про-цессхои электрохимиявй дар ном-бурда. Ҳуҷайраҳои литий-ионҳо аз ҷудошавии протонҳои литий ва электронҳо аз гузариши литий дар катод ҳангоми пуркунӣ ба вуҷуд меоянд. Атом литий яке аз се электрони худро ба осонӣ медиҳад, аммо бо ҳамин сабаб он хеле реактивӣ аст ва бояд аз ҳаво ва об ҷудо карда шавад. Дар манбаи шиддат электронҳо қад-қади занҷири худ ба ҳаракат оғоз мекунанд ва ионҳо ба аноди карбон-литий равона шуда, аз мембрана гузашта, ба он пайваст мешаванд. Дар вакти разряд харакати баръакс ба амал меояд - ионхо ба катод бармегарданд ва электронхо бошад, дар навбати худ аз бори электрии беруна мегузаранд. Бо вуҷуди ин, пуркунии босуръати ҷараёни баланд ва разряди пурра боиси пайдо шудани пайвастҳои нави устувор мегардад, ки кори батареяро коҳиш медиҳад ё ҳатто қатъ мекунад. Идеяи истифодаи литий ҳамчун донори зарраҳо аз он бармеояд, ки он металли сабуктарин аст ва метавонад дар шароити мувофиқ протонҳо ва электронҳоро ба осонӣ озод кунад. Бо вуҷуди ин, олимон бо сабаби ноустувории баланд, қобилияти пайвастан бо ҳаво ва бо сабабҳои бехатарӣ аз истифодаи литийи пок зуд даст мекашанд.

Аввалин батареяи литий-иониро дар солҳои 1970-ум Майкл Уиттингем офаридааст, ки литийи тоза ва сулфиди титанро ҳамчун электродҳо истифода кардааст. Ин электрохимия акнун истифода намешавад, аммо дар асл барои батареяҳои литий-ион асос мегузорад. Дар солҳои 1970-ум, Самар Басу қобилияти аз графит ҷаббида гирифтани ионҳои литийро нишон дод, аммо бо сабаби таҷрибаи замон, батареяҳо ҳангоми заряднок ва холӣ шуданашон зуд худкушӣ мекунанд. Дар солҳои 1980, рушди босуръат ба ёфтани пайвастагиҳои мувофиқи литий барои катод ва аноди батареяҳо шурӯъ кард ва муваффақияти воқеӣ дар соли 1991 ба даст омад.

NCA, ҳуҷайраҳои литий NCM ... ин дар асл чӣ маъно дорад?

Пас аз таҷриба бо пайвастагиҳои гуногуни литий дар соли 1991, кӯшишҳои олимон муваффақ шуданд - Sony истеҳсоли оммавии батареяҳои литий-иониро оғоз кард. Дар айни замон, батареяҳои ин навъи дорои қудрати баландтарин ва зичии энергетикӣ ва муҳимтар аз ҳама, потенсиали назарраси рушд доранд. Вобаста ба талаботи батарея, ширкатҳо ба пайвастагиҳои гуногуни литий ҳамчун маводи катод табдил меёбанд. Инҳо оксиди кобальти литий (LCO), пайвастагиҳо бо никел, кобальт ва алюминий (NCA) ё бо никел, кобальт ва манган (NCM), фосфати оҳани литий (LFP), шпинели литий марганец (LMS), оксиди титани литий (LTO) мебошанд. ва дигарон. Электролит омехтаи намакҳои литий ва ҳалкунандаҳои органикӣ аст ва махсусан барои "ҳаракат"-и ионҳои литий муҳим аст ва сепаратор, ки барои пешгирии расиши кӯтоҳ бо гузариши ионҳои литий масъул аст, маъмулан полиэтилен ё полипропилен аст.

Қудрат, иқтидор ё ҳардуи онҳо

Муҳимтарин хусусиятҳои батареяҳо зичии энергия, эътимоднокӣ ва бехатарӣ мебошанд. Батареяҳое, ки айни замон истеҳсол мешаванд, доираи васеи ин сифатҳоро дар бар мегиранд ва вобаста аз маводи истифодашуда, миқдори муайяни энергия аз 100 то 265 Вт / кг (ва зичии энергия аз 400 то 700 Вт / Л) мебошанд. Беҳтаринҳо дар ин маврид батареяҳои NCA ва бадтарин LFP мебошанд. Аммо, мавод як тарафи танга мебошад. Барои зиёд кардани ҳам энергияи мушаххас ва ҳам зичии энергетикӣ, наноструктураҳои гуногун барои аз худ кардани бештар масолеҳ ва баландтар гузаронидани ҷараёни ион истифода мешаванд. Шумораи зиёди ионҳо, ки дар таркиби устувор "захира" мешаванд ва қобилияти гузаронандагӣ шарти зарурии зудтар пур кардани барқ ​​мебошанд ва рушд ба ин самтҳо равона карда шудааст. Дар айни замон, тарроҳии батарея бояд таносуби зарурии қобилият ва иқтидорро вобаста аз намуди гардонанда таъмин намояд. Масалан, гибридҳои васлшаванда бояд бо сабабҳои маълум таносуби қудрат ба иқтидорро хеле баландтар дошта бошанд. Рушди имрӯза ба батареяҳо, ба монанди NCA (LiNiCoAlO2 бо катод ва графоди анод) ва NMC 811 (LiNiMnCoO2 бо катод ва графоди анод) нигаронида шудааст. Аввалинҳо (берун аз литий) тақрибан 80% никел, 15% кобалт ва 5% алюминий доранд ва дорои энергияи мушаххаси 200-250 Вт / кг мебошанд, яъне маънои истифодаи кобальти интиқодӣ нисбатан маҳдуд ва мӯҳлати истифодаи он то 1500 давра мебошад. Чунин батареяҳоро Tesla дар Gigafactory он дар Невада истеҳсол хоҳад кард. Вақте ки он ба иқтидори пурраи нақшаи худ мерасад (вобаста ба вазъ дар солҳои 2020 ё 2021), корхона 35 ГВт-соат батареяҳо истеҳсол хоҳад кард, ки барои 500 000 мошин кофӣ аст. Ин арзиши батареяҳоро боз ҳам коҳиш медиҳад.

Батареяҳои NMC 811 дорои энергияи хоси андаке камтар (140-200Вт/кг) доранд, аммо умри дарозтар доранд, ки ба 2000 давраи пурра мерасад ва 80% никел, 10% марганец ва 10% кобальт мебошанд. Дар айни замон, ҳамаи истеҳсолкунандагони батарея яке аз ин ду намудро истифода мебаранд. Ягона истисно ширкати чинии BYD аст, ки батареяҳои LFP истеҳсол мекунад. Машинахое, ки бо онхо чихозонида шудаанд, вазнинтаранд, вале ба онхо кобальт лозим нест. Батареяҳои NCA барои мошинҳои барқӣ ва NMC барои гибридҳои васлшаванда аз сабаби бартариҳои мувофиқи онҳо аз ҷиҳати зичии энергия ва зичии нерӯ бартарӣ доранд. Намунаҳои e-Golf бо таносуби барқ/иқтидор 2,8 ва гибридии васлшавандаи Golf GTE бо таносуби 8,5 мебошанд. Бо номи паст кардани нарх, VW ният дорад, ки як ҳуҷайраҳоро барои ҳама намуди батареяҳо истифода барад. Ва як чизи дигар - ҳар қадар иқтидори батарея зиёд бошад, шумораи разрядҳо ва зарядҳои пурра камтар аст ва ин мӯҳлати хизмати онро зиёд мекунад, бинобар ин - батарея ҳар қадар калонтар бошад, ҳамон қадар беҳтар аст. Дуюм ба гибридҳо ҳамчун мушкилот дахл дорад.

Тамоюлҳои бозор

Дар айни замон, талабот ба батареяҳо барои мақсадҳои нақлиёт аллакай аз талабот ба маҳсулоти электронӣ зиёдтар аст. Пешбинӣ шудааст, ки то соли 2020 дар саросари ҷаҳон 1,5 миллион мошини барқӣ дар як сол фурӯхта мешавад, ки ин ба коҳиши арзиши батареяҳо мусоидат мекунад. Дар соли 2010 нархи 1 кВт соат ячейкаи литий-ионӣ ҳудуди 900 евро буд, ҳоло он камтар аз 200 евро аст. 25% арзиши тамоми батарея барои катод, 8% барои анод, сепаратор ва электролит, 16% барои ҳамаи ҳуҷайраҳои дигари батарея ва 35% барои тарҳи умумии батарея аст. Ба ибораи дигар, ҳуҷайраҳои литий-ион ба арзиши батарея 65 фоизро ташкил медиҳанд. Нархи тахминии Tesla барои соли 2020, вақте ки Gigafactory 1 ба хидмат ворид мешавад, барои батареяҳои NCA тақрибан 300 €/кВт/соатро ташкил медиҳад ва нарх маҳсулоти тайёрро бо миқдори миёнаи ААИ ва кафолат дар бар мегирад. Ҳанӯз нархи хеле баланд, ки бо мурури замон коҳиш хоҳад ёфт.

Захираҳои асосии литий дар Аргентина, Боливия, Чили, Чин, ИМА, Австралия, Канада, Россия, Конго ва Сербия мавҷуданд, ки аксарияти онҳо ҳоло аз кӯлҳои хушкшуда истихроҷ карда мешаванд. Бо зиёд шудани батареяҳо, бозори маводи аз батареяҳои кӯҳна коркардшуда зиёд мешавад. Аммо, муҳимтар аз ҳама, ин проблемаи кобальт аст, ки гарчанде ки он миқдори зиёд дорад, ҳамчун маҳсулоти иловагӣ дар истеҳсоли никел ва мис истихроҷ карда мешавад. Кобалт, сарфи назар аз консентратсияи пасти он дар хок, дар Конго (ки дорои захираҳои калонтарини мавҷуда аст), аммо дар шароите, ки ахлоқ, ахлоқ ва ҳифзи муҳити зистро истихроҷ мекунад, истихроҷ карда мешавад.

Технологияи пешрафта

Бояд дар назар дошт, ки технологияҳое, ки ҳамчун дурнамои ояндаи наздик қабул карда мешаванд, воқеан нав нестанд, балки вариантҳои литий-ион мебошанд. Инҳо, масалан, батареяҳои ҷисми сахт мебошанд, ки ба ҷои моеъ электролитҳои сахтро истифода мебаранд (ё гел дар батареяҳои полимерии литий). Ин ҳалли тарроҳии мӯътадили электродҳоро таъмин мекунад, ки мутобиқан ҳангоми заряди баланд боқӣ мондани онҳоро вайрон мекунанд. ҳарорати баланд ва сарбории баланд. Ин метавонад ҷараёни барқ, зичии электрод ва иқтидорро зиёд кунад. Батареяҳои сахти давлатӣ ҳанӯз дар марҳилаи ибтидоии рушд қарор доранд ва ба гумон аст, ки то миёнаи даҳсола ба истеҳсоли оммавӣ расанд.

Яке аз стартапҳои ҷоизадор дар озмуни технологияҳои инноватсионии BMW 2017 дар Амстердам як ширкати батарея буд, ки аноди кремний зичии энергияро зиёд мекунад. Муҳандисон дар нанотехнологияҳои гуногун кор мекунанд, то зичӣ ва қуввати бештари маводи ҳам анод ва ҳам катодро таъмин кунанд ва як роҳи ҳалли истифодаи графен аст. Ин қабатҳои микроскопии графит бо ғафсии як атом ва сохтори шашкунҷаи атомӣ яке аз маводҳои ояндадор мебошанд. "Тӯбҳои графенӣ", ки аз ҷониби истеҳсолкунандаи батареяҳои Samsung SDI таҳия шудааст, ки ба сохтори катод ва анод дохил карда шудаанд, қувват, гузаронандагӣ ва зичии мавод ва афзоиши мувофиқи қобилияти тақрибан 45% ва панҷ маротиба тезтар пур кардани барқро таъмин мекунанд. Ин технологияҳо метавонад импулси қавитаринро аз мошинҳои Формула Е гирад, ки шояд аввалин шуда бо чунин батареяҳо муҷаҳҳаз бошанд.

Бозингарони дар ин марҳила

Бозингарони асосӣ ҳамчун таъминкунандагони Tier 123 ва Tier 2020, яъне истеҳсолкунандагони ҳуҷайра ва батареяҳо Ҷопон (Panasonic, Sony, GS Yuasa ва Hitachi Vehicle Energy), Корея (LG Chem, Samsung, Kokam ва SK Innovation), Чин (BYD Company) мебошанд. . , ATL ва Lishen) ва ИМА (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel ва Valence Technology). Таъминкунандагони асосии телефонҳои мобилӣ дар ҳоли ҳозир LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Корея), AESC (Ҷопон), BYD (Чин) ва CATL (Чин) мебошанд, ки аз се ду ҳиссаи бозорро ташкил медиҳанд. Дар ин марҳила дар Аврупо ба онҳо танҳо BMZ Group аз Олмон ва Нортволт аз Шветсия мухолифат мекунанд. Бо ба кор даромадани Gigafactory-и Tesla дар соли XNUMX, ин таносуб тағйир хоҳад ёфт - ба ширкати амрикоӣ XNUMX% истеҳсоли ҳуҷайраҳои литий-ионӣ дар ҷаҳон рост меояд. Ширкатҳое чун Daimler ва BMW аллакай бо бархе аз ин ширкатҳо, аз қабили CATL, ки дар Аврупо як корхона бунёд мекунанд, қарордод имзо кардаанд.