Цахилгаан машин өчигдөр, өнөөдөр, маргааш: 3-р хэсэг

"Литиум-ион батерей" гэсэн нэр томъёо нь олон төрлийн технологийг нуудаг.

Лити-ион электрохими нь энэ талаар өөрчлөгдөөгүй хэвээр байгаа тохиолдолд нэг зүйл тодорхой байна. Өөр ямар ч цахилгаан химийн эрчим хүч хадгалах технологи лити-ионтой өрсөлдөж чадахгүй. Гэсэн хэдий ч гол зүйл бол катод, анод, электролитийн хувьд өөр өөр материалыг ашигладаг өөр өөр загварууд байдаг бөгөөд тэдгээр нь тус бүр нь бат бөх байдлын хувьд өөр өөр давуу талтай байдаг (цахилгаан тээврийн хэрэгслийн зөвшөөрөгдөх үлдэгдэл багтаамж хүртэл цэнэглэх ба цэнэгийн мөчлөгийн тоо). 80% -ийн хувийн эрчим хүч кВт.ц/кг, үнэ евро/кг эсвэл эрчим хүчний харьцаа.

Эргэж цаг хугацааны

гэж нэрлэгддэг цахилгаан химийн процессыг явуулах боломж. Лити-ион эсүүд нь цэнэглэх үед катодын литийн уулзвараас литийн протон ба электронуудыг салгаснаар үүсдэг. Литийн атом нь гурван электроныхоо аль нэгийг амархан өгдөг боловч ижил шалтгаанаар энэ нь маш идэвхтэй бөгөөд агаар, уснаас тусгаарлагдсан байх ёстой. Хүчдэлийн эх үүсвэрт электронууд хэлхээний дагуу хөдөлж эхэлдэг бөгөөд ионууд нь нүүрстөрөгч-литийн анод руу чиглэж, мембранаар дамжин үүнтэй холбогддог. Цэнэглэх явцад урвуу хөдөлгөөн үүсдэг - ионууд катод руу буцаж, электронууд нь эргээд гадаад цахилгаан ачааллыг дамжуулдаг. Гэсэн хэдий ч өндөр гүйдлийн хурдацтай цэнэглэлт, бүрэн цэнэггүй байдлын үр дүнд шинэ бат бөх холболтууд үүсдэг бөгөөд энэ нь батерейны үйл ажиллагааг бууруулж, бүр зогсооход хүргэдэг. Литийг бөөмийн донор болгон ашиглах санаа нь энэ нь хамгийн хөнгөн металл бөгөөд тохиромжтой нөхцөлд протон, электроныг амархан ялгаруулж чаддагтай холбоотой юм. Гэсэн хэдий ч эрдэмтэд цэвэр литийн өндөр тогтворгүй байдал, агаартай холбогдох чадвар, аюулгүй байдлын үүднээс ашиглахаас хурдан татгалзаж байна.

Эхний лити-ион батерейг 1970-аад онд Майкл Уиттингэм бүтээсэн бөгөөд энэ нь цэвэр литий ба титан сульфидийг электрод болгон ашиглаж байжээ. Энэхүү электрохимийг ашиглахаа больсон боловч лити-ион батерейны суурийг тавьдаг. 1970-аад онд Самар Басу графитээс литийн ионыг шингээх чадварыг харуулсан боловч тухайн үеийн туршлагын ачаар батерейг цэнэглэж, цэнэггүй болгоход өөрөө өөрөө хурдан устдаг байв. 1980-аад онд эрчимтэй хөгжүүлэлт нь катод ба батерейны анодод тохирох литийн нэгдлийг олж эхэлсэн бөгөөд жинхэнэ нээлт нь 1991 онд гарчээ.

NCA, NCM Lithium Cells ... энэ нь юу гэсэн үг вэ?

1991 онд янз бүрийн литийн нэгдлүүдийг туршиж үзсэний дараа эрдэмтдийн хүчин чармайлт амжилттай болсон - Sony лити-ион батерейг олноор үйлдвэрлэж эхлэв. Одоогийн байдлаар энэ төрлийн батерейнууд нь хамгийн их гаралтын чадал, эрчим хүчний нягтралтай бөгөөд хамгийн чухал нь хөгжүүлэх боломжтой юм. Батерейны шаардлагаас хамааран компаниуд янз бүрийн литийн нэгдлүүдийг катодын материал болгон ашиглаж байна. Эдгээр нь литийн кобальт исэл (LCO), никель, кобальт, хөнгөн цагаан (NCA) эсвэл никель, кобальт, манган (NCM) бүхий нэгдлүүд, литийн төмрийн фосфат (LFP), лити манганы шпинель (LMS), лити титан исэл (LTO) юм. мөн бусад. Электролит нь литийн давс ба органик уусгагчийн холимог бөгөөд литийн ионуудын "хөдөлгөөнт"-д онцгой ач холбогдолтой бөгөөд лити ионыг нэвчүүлэх замаар богино холболтоос урьдчилан сэргийлэх үүрэгтэй тусгаарлагч нь ихэвчлэн полиэтилен эсвэл полипропилен байдаг.

Гаралтын хүч, хүчин чадал эсвэл хоёулаа

Батерейны хамгийн чухал шинж чанарууд нь эрчим хүчний нягтрал, найдвартай байдал, аюулгүй байдал юм. Одоогийн байдлаар үйлдвэрлэсэн батерейнууд нь эдгээр шинж чанаруудын өргөн хүрээг хамардаг бөгөөд ашигласан материалаас хамааран тодорхой энергийн хязгаар нь 100-265 Вт / кг (эрчим хүчний нягтрал нь 400-700 Вт / л) байдаг. Энэ талаар хамгийн сайн нь NCA батерей ба хамгийн муу LFP юм. Гэсэн хэдий ч материал нь зоосны нэг тал юм. Тодорхой энерги ба энергийн нягтралыг нэмэгдүүлэхийн тулд янз бүрийн нано бүтцийг ашиглан илүү их материалыг шингээж, ионы урсгалын өндөр дамжуулалтыг өгдөг. Тогтвортой нэгдэлд "хадгалагддаг" олон тооны ионууд, дамжуулах чанар нь илүү хурдан цэнэглэх урьдчилсан нөхцөл бөгөөд хөгжлийг эдгээр чиглэлд чиглүүлдэг. Үүний зэрэгцээ батерейны загвар нь хөтөчийн төрлөөс хамааран шаардагдах хүч ба багтаамжийн харьцааг хангах ёстой. Жишээлбэл, залгаастай эрлийз нь тодорхой шалтгааны улмаас хүчин чадлын харьцаа харьцангуй өндөр байх ёстой. Өнөөдрийн хөгжил нь NCA (катод ба бал чулууны анодтой LiNiCoAlO2), NMC 811 (катод ба бал чулууны анодтой LiNiMnCoO2) зэрэг батерейнуудад төвлөрч байна. Эхнийх нь (литийн гадна) ойролцоогоор 80% никель, 15% кобальт, 5% хөнгөн цагаан агуулдаг бөгөөд тодорхой энерги нь 200-250 Вт / кг байдаг бөгөөд энэ нь чухал кобальтын харьцангуй хязгаарлагдмал хэрэглээтэй бөгөөд 1500 хүртэлх хугацааны ашиглалтын хугацаатай гэсэн үг юм. Ийм батерейг Тесла Невада дахь Gigafactory үйлдвэр дээрээ үйлдвэрлэх болно. Төлөвлөсөн бүрэн хүчин чадлаараа ажилласнаар (нөхцөл байдлаас шалтгаалан 2020 он буюу 2021 онд) үйлдвэр нь 35 ватт цаг аккумлятор үйлдвэрлэх бөгөөд 500 мянган автомашиныг тэжээх хүчин чадалтай юм. Энэ нь батерейны зардлыг улам бууруулах болно.

NMC 811 батерейнууд нь тодорхой эрчим хүч бага зэрэг бага (140-200Вт/кг) боловч удаан эдэлгээтэй, 2000 бүрэн мөчлөгт хүрдэг ба 80% никель, 10% манган, 10% кобальт байдаг. Одоогийн байдлаар бүх батерей үйлдвэрлэгчид эдгээр хоёр төрлийн аль нэгийг ашигладаг. Цорын ганц үл хамаарах зүйл бол LFP батерей үйлдвэрлэдэг Хятадын BYD компани юм. Тэдгээрээр тоноглогдсон машинууд илүү хүнд байдаг ч кобальт хэрэггүй. NCA батерейг цахилгаан тээврийн хэрэгсэлд, NMC батерейг залгах эрлийзүүдэд илүүд үздэг тул эрчим хүчний нягтрал болон эрчим хүчний нягтралын хувьд тус тусын давуу талтай байдаг. Жишээ нь: 2,8-ийн хүч/хүчин чадлын харьцаатай цахилгаан e-Golf болон 8,5-ын харьцаатай залгах гибрид Golf GTE. VW үнээ буулгах нэрийдлээр бүх төрлийн батерейнд ижил эсийг ашиглах бодолтой байгаа. Бас нэг зүйл бол батерейны хүчин чадал их байх тусам бүрэн цэнэггүйдэл, цэнэгийн тоо бага байх бөгөөд энэ нь түүний ашиглалтын хугацааг уртасгадаг тул зай нь том байх тусмаа сайн. Хоёр дахь нь эрлийзийг асуудал гэж үздэг.

Зах зээлийн чиг хандлага

Одоогийн байдлаар тээврийн хэрэгслийн батерейны эрэлт хэрэгцээ электрон бүтээгдэхүүний эрэлтээс давсан байна. 2020 он гэхэд дэлхийн хэмжээнд жилд 1,5 сая цахилгаан машин зарагдах төлөвтэй байгаа бөгөөд энэ нь батерейны үнийг бууруулахад тусална. 2010 онд 1 кВт.ц лити-ион эсийн үнэ 900 орчим евро байсан бол одоо 200 евро хүрэхгүй байна. Бүхэл батерейны зардлын 25% нь катод, 8% нь анод, сепаратор, электролит, 16% нь бусад бүх зайны эсүүд, 35% нь батерейны ерөнхий загварт зориулагдсан байдаг. Өөрөөр хэлбэл, лити-ион эсүүд нь батерейны өртөгт 65 хувийг бүрдүүлдэг. 2020 онд Gigafactory 1-ийг ашиглалтад оруулахад Tesla-ийн тооцоолсон үнэ NCA батерейны хувьд ойролцоогоор 300€/кВт цаг байх ба үнэд дунджаар НӨАТ болон баталгаат бэлэн бүтээгдэхүүн багтсан болно. Нэлээд өндөр үнэ хэвээр байгаа бөгөөд энэ нь цаг хугацааны явцад буурах болно.

Литийн үндсэн нөөцийг Аргентин, Боливи, Чили, Хятад, АНУ, Австрали, Канад, Орос, Конго, Сербид олдог бөгөөд одоогоор дийлэнх хувийг ширгэсэн нууруудаас олборлож байна. Илүү их зай хуримтлагдахын хэрээр хуучин батерейгаас дахин боловсруулсан материалын зах зээл нэмэгдэх болно. Гэсэн хэдий ч илүү чухал зүйл бол кобальтын асуудал бөгөөд энэ нь их хэмжээгээр агуулагддаг боловч никель, зэс үйлдвэрлэхэд дайвар бүтээгдэхүүн болгон олборлодог. Кобальтыг хөрсөн дэх агууламж багатай ч Конго улсад (хамгийн их нөөцтэй) олборлодог боловч ёс зүй, ёс суртахуун, хүрээлэн буй орчныг хамгаалахад бэрхшээлтэй нөхцөлд олборлодог.

Өндөр технологи

Ойрын ирээдүйн хэтийн төлөв болгон ашиглаж буй технологиуд нь үнэндээ цоо шинэ биш, харин лити-ионы хувилбарууд гэдгийг санаж байх хэрэгтэй. Жишээлбэл, эдгээр нь шингэний оронд хатуу электролит хэрэглэдэг хатуу биетийн батерей (эсвэл лити полимер батерей дахь гель) юм. Энэхүү шийдэл нь электродуудын илүү тогтвортой загварыг гаргаж өгдөг бөгөөд энэ нь өндөр гүйдэлтэй цэнэглэгдсэн тохиолдолд тэдгээрийн бүрэн бүтэн байдлыг зөрчдөг. өндөр температур ба өндөр ачаалал. Энэ нь цэнэглэх гүйдэл, электродын нягтрал, багтаамжийг нэмэгдүүлэх боломжтой. Хатуу төлөвт батерейнууд хөгжлийнхөө эхэн үе шатанд байгаа бөгөөд аравдугаар сарын дунд үе хүртэл их хэмжээгээр үйлдвэрлэх магадлал багатай юм.

2017 онд Амстердам хотод болсон BMW Инновацийн технологийн тэмцээний шагналт гарааны бизнесүүдийн нэг бол цахиурын анод нь эрчим хүчний нягтралыг нэмэгдүүлдэг батерейгаар ажилладаг компани байв. Анод ба катодын материалын нягтрал, хүч чадлыг нэмэгдүүлэхийн тулд инженерүүд янз бүрийн нанотехнологи дээр ажиллаж байгаа бөгөөд нэг шийдэл бол графен ашиглах явдал юм. Нэг атомын зузаан, зургаан өнцөгт атомын бүтэцтэй бал чулууны эдгээр бичил харуурын давхаргууд нь хамгийн ирээдүйтэй материалуудын нэг юм. Катод ба анодын бүтцэд нэгтгэсэн батерейны гар утас үйлдвэрлэгч Samsung SDI -ийн боловсруулсан "графен бөмбөг" нь материалын илүү бат бэх, нэвчилт, нягтралыг хангаж, түүний хүчин чадлыг 45% -иар нэмэгдүүлж, цэнэглэх хугацааг XNUMX дахин хурдан нэмэгдүүлдэг. Эдгээр технологиуд ийм батерейгаар тоноглогдсон анхны хүн болох Формула Е автомашинуудаас хамгийн хүчтэй импульс авах боломжтой.

Энэ үе шатанд тоглогчид

123-р шатлал ба 2020-р түвшний ханган нийлүүлэгчид болох үүрэн батерей үйлдвэрлэгчид нь Япон (Panasonic, Sony, GS Yuasa болон Hitachi Vehicle Energy), Солонгос (LG Chem, Samsung, Kokam and SK Innovation), Хятад (BYD Company) юм. . , ATL болон Lishen) болон АНУ (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel болон Valence Technology). Одоогоор гар утасны гол нийлүүлэгчид нь LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Солонгос), AESC (Япон), BYD (Хятад), CATL (Хятад) компаниуд бөгөөд зах зээлийн гуравны хоёрыг эзэлдэг. Европт энэ шатанд тэднийг Германы BMZ групп, Шведийн Нортволт нар л эсэргүүцэж байна. XNUMX онд Теслагийн Gigafactory ашиглалтад орсноор энэ хувь хэмжээ өөрчлөгдөх болно - Америкийн компани дэлхийн лити-ион эсийн үйлдвэрлэлийн XNUMX% -ийг эзлэх болно. Даймлер, BMW зэрэг компаниуд Европт үйлдвэрээ барьж буй CATL зэрэг эдгээр компаниудын заримтай аль хэдийн гэрээ байгуулсан.