Електрични аутомобил јуче, данас, сутра: 3. део
Садржина
Термин „литијум-јонске батерије“ крије широк спектар технологија.
Једно је сигурно – за сада литијум-јонска електрохемија остаје непромењена у овом погледу. Ниједна друга технологија складиштења електрохемијске енергије не може да се такмичи са литијум-јонском. Поента је, међутим, да постоје различити дизајни који користе различите материјале за катоду, аноду и електролит, од којих сваки има различите предности у погледу издржљивости (број циклуса пуњења и пражњења до прихватљивог преосталог капацитета за електрична возила од 80%), специфична снага кВх/кг, цена евро/кг или однос снаге и снаге.
У прошлост
Могућност спровођења електрохемијских процеса у тзв. Литијум-јонске ћелије настају одвајањем литијумових протона и електрона од литијумовог једињења на катоди током пуњења. Атом литијума лако одустаје од једног од своја три електрона, али из истог разлога је веома реактиван и мора бити изолован од ваздуха и воде. У извору напона, електрони почињу да се крећу дуж свог кола, а јони се усмеравају на угљен-литијумску аноду и, пролазећи кроз мембрану, повезују се са њом. Током пражњења долази до обрнутог кретања - јони се враћају на катоду, а електрони, заузврат, пролазе кроз спољашње електрично оптерећење. Међутим, брзо пуњење велике струје и потпуно пражњење доводе до стварања нових, дуготрајних веза, што смањује, па чак и зауставља функције батерије. Идеја која стоји иза коришћења литијума као донора честица произилази из чињенице да је то најлакши метал и да лако може да ослободи протоне и електроне под правим условима. Међутим, научници брзо одбацују могућност коришћења чистог литијума због његове велике испарљивости, његове способности да се везује за ваздух и забринутости за безбедност.
Прву литијум-јонску батерију створио је 1970-их Мицхаел Вхиттингхам, који је користио чисти литијум и титанијум сулфид као електроде. Ова електрохемија се више не користи, али заправо поставља темеље за литијум-јонске батерије. Седамдесетих година 1970. века, Самар Басу је показао способност да апсорбује литијум јоне из графита, али на основу искуства из тог времена, батерије су се брзо самоуништавале када се пуне и испразне. Интензиван развој почео је 1980-их како би се пронашла одговарајућа литијумска једињења за катоду и аноду батерија, а прави пробој је дошао 1991. године.
НЦА, НЦМ литијумске ћелије... шта то заправо значи?
Након експериментисања са различитим литијумским једињењима, напори научника су крунисани успехом 1991. године – Сони је започео масовну производњу литијум-јонских батерија. Тренутно, батерије овог типа имају највећу излазну снагу и густину енергије, и што је најважније, значајан потенцијал за развој. У зависности од захтева батерија, компаније се окрећу различитим једињењима литијума као катодним материјалима. То су литијум кобалт оксид (ЛЦО), никл, кобалт и алуминијум (НЦА) или једињења никла, кобалта и мангана (НЦМ), литијум гвожђе фосфат (ЛФП), литијум манган спинел (ЛМС), литијум титан оксид (ЛТО) и други . Електролит је мешавина литијумових соли и органских растварача и посебно је важан за „покретљивост“ литијум јона, а сепаратор, који је одговоран за спречавање кратких спојева јер је пропустљив за литијумове јоне, обично је полиетилен или полипропилен.
Излазна снага, капацитет или обоје
Најважније карактеристике батерија су густина енергије, поузданост и сигурност. Батерије које се тренутно производе покривају широк спектар ових квалитета и, у зависности од коришћених материјала, имају специфичан енергетски опсег од 100 до 265 В/кг (и густину енергије од 400 до 700 В/Л). Најбоље у том погледу су НЦА батерије, а најгоре ЛФП. Међутим, материјал је једна страна медаље. Да би се повећала специфична енергија и густина енергије, различите наноструктуре се користе да апсорбују више материјала и обезбеде већу проводљивост јонског тока. Велики број јона „похрањених” у стабилној вези и проводљивост су предуслови за брже пуњење, а развој је усмерен у тим правцима. Истовремено, дизајн батерије мора да обезбеди потребан однос снаге и капацитета у зависности од типа погона. На пример, плуг-ин хибриди морају имати много већи однос снаге и капацитета из очигледних разлога. Данашњи развој је фокусиран на НЦА (ЛиНиЦоАлО2 катода и графитна анода) и НМЦ 811 (ЛиНиМнЦоО2 катода и графитна анода) батерије. Први садрже (осим литијума) око 80% никла, 15% кобалта и 5% алуминијума и имају специфичну енергију од 200-250 В/кг, што значи да имају релативно ограничену употребу критичног кобалта и животни век до 1500 циклуса . Такве батерије Тесла ће производити у својој Гигафабрици у Невади. Када достигне свој планирани пуни капацитет (2020. или 2021. године, према потреби), фабрика ће производити 35 ГВх батерија, довољно за погон 500 возила. Ово ће додатно смањити трошкове батерија.
НМЦ 811 батерије имају нешто нижу густину енергије (140-200 В/кг), али имају дужи век, достижући 2000 пуних циклуса, и састоје се од 80% никла, 10% мангана и 10% кобалта. Тренутно сви произвођачи батерија користе један од ова два типа. Једини изузетак је кинеска компанија БИД, која производи ЛФП батерије. Аутомобили опремљени њима су тежи, али им кобалт није потребан. НЦА батерије су пожељније за електрична возила, а НМЦ батерије за плуг-ин хибриде због њихових одговарајућих предности у смислу густине енергије и густине снаге. Примери су електрични е-Голф са односом снага/капацитет од 2,8 и плуг-ин хибридни Голф ГТЕ са односом од 8,5. У име снижења цена, ВВ намерава да користи исте ћелије за све врсте батерија. И још нешто - што је већи капацитет батерије, то је мањи број пуних пражњења и пуњења, а то продужава њен радни век, дакле - што је батерија већа, то боље. Други се тиче хибрида као проблема.
Тржишни трендови
Тренутно, потражња за пуњивим батеријама за потребе транспорта већ премашује потражњу за електронским производима. И даље се очекује да ће се 2020 милиона електричних возила годишње продавати широм света до 1,5. године, што ће помоћи да се смање трошкови батерија. У 2010. години цена 1 кВх литијум-јонске ћелије била је око 900 евра, а сада је испод 200 евра. 25% цене целокупне батерије је катода, 8% је анода, сепаратор и електролит, 16% су сви остали елементи батерије, а 35% је укупан дизајн батерије. Другим речима, литијум-јонске ћелије доприносе 65 одсто трошкова батерије. Теслине индикативне цене за 2020. годину, када Гигафабрика 1 почне да ради, су око 300 €/кВх за НЦА батерије, а у цену је урачунат готов производ са неким просечним ПДВ-ом и гаранцијом. И даље прилично висока цена, која ће током времена наставити да опада.
Највеће резерве литијума налазе се у Аргентини, Боливији, Чилеу, Кини, САД, Аустралији, Канади, Русији, Конгу и Србији, при чему се велика већина сада копа из сувих језера. Са акумулацијом све више батерија, повећаваће се тржиште материјала који се рециклирају из старих батерија. Важније је, међутим, питање кобалта, који се, иако присутан у великим количинама, ископава као нуспроизвод производње никла и бакра. Ископавање кобалта, иако ниске концентрације у земљишту, одвија се у Конгу (који има највеће расположиве резерве), али под условима који доводе у питање етику, морал и заштиту животне средине.
Хи-тецх
Треба имати на уму да технологије усвојене као перспективе за блиску будућност заправо нису суштински нове, већ представљају литијум-јонске опције. То су, на пример, батерије у чврстом стању, које користе чврсти електролит (или гел у литијум-полимер батеријама) уместо течности. Ово решење обезбеђује стабилнији дизајн електрода, што угрожава њихов интегритет при пуњењу великом струјом, респективно. повишена температура и велико оптерећење. Ово може повећати струју пуњења, густину електрода и капацитет. Солид-стате батерије су још увек у веома раној фази развоја и мало је вероватно да ће достићи обим производње до средине деценије.
Један од награђиваних стартапа на такмичењу БМВ Тецхнологи Инноватион Цомпетитион 2017 у Амстердаму била је компанија на батерије чија силиконска анода омогућава већу густину енергије. Инжењери раде на различитим нанотехнологијама како би обезбедили већу густину и снагу и анодним и катодним материјалима, а једно решење је употреба графена. Ови микроскопски слојеви графита, са дебљином од једног атома и хексагоналном атомском структуром, један су од материјала који највише обећава. Развијен од стране произвођача батеријских ћелија Самсунг СДИ, „графенске перле“ интегрисане у структуру катоде и аноде обезбеђују већу чврстоћу, пропусност и густину материјала и одговарајуће повећање капацитета од приближно 45% и пет пута краће време пуњења још више од болида Формуле Е, који би могли бити први који ће бити опремљени таквим батеријама.
Играчи у овој фази
Главни играчи као добављачи првог и другог нивоа, односно произвођачи батерија и батерија су Јапан (Панасониц, Сони, ГС Иуаса и Хитацхи Вехицле Енерги), Кореја (ЛГ Цхем, Самсунг, Кокам и СК Инноватион), Кина (Фирма БИД). , АТЛ и Лисхен) и САД (Тесла, Јохнсон Цонтролс, А123 Системс, ЕнерДел и Валенце Тецхнологи). Главни добављачи мобилних телефона тренутно су ЛГ Цхем, Панасониц, Самсунг СДИ (Кореја), АЕСЦ (Јапан), БИД (Кина) и ЦАТЛ (Кина), који чине две трећине тржишног удела. У овој фази у Европи им се супротстављају само БМЗ група из Немачке и Нортхволтх из Шведске. Покретањем Теслине Гигафабрике 2020. године, ова пропорција ће се променити – америчка компанија ће чинити 30 одсто глобалне производње литијум-јонских ћелија. Компаније попут Дајмлера и БМВ-а већ су потписале уговоре са неким од ових компанија, као што је ЦАТЛ, који гради фабрику у Европи.
