Электромобиль вчера, сегодня, завтра: часть 3

За термином «литий-ионные аккумуляторы» скрывается большое разнообразие технологий.

Одно можно сказать наверняка — пока литий-ионная электрохимия остается неизменной в этом отношении. Никакая другая технология хранения электрохимической энергии не может конкурировать с литий-ионной. Дело, однако, в том, что существуют разные разработки, в которых используются разные материалы для катода, анода и электролита, каждый из которых имеет различные преимущества с точки зрения долговечности (количество циклов зарядки и разрядки до допустимой остаточной емкости для электромобилей 80%), удельная мощность кВтч / кг, цена евро / кг или отношение мощности к мощности.

Назад во времени

Возможность проведения электрохимических процессов в т.н. Литий-ионные элементы происходят из-за отделения протонов и электронов лития от соединения лития на катоде во время зарядки. Атом лития легко отдает один из трех своих электронов, но по той же причине он обладает высокой реакционной способностью и должен быть изолирован от воздуха и воды. В источнике напряжения электроны начинают двигаться по своей цепи, и ионы направляются на углеродно-литиевый анод и, проходя через мембрану, соединяются с ним. При разряде происходит обратное движение — ионы возвращаются к катоду, а электроны в свою очередь проходят через внешнюю электрическую нагрузку. Однако быстрая сильноточная зарядка и полная разрядка приводят к образованию новых долговечных соединений, что снижает и даже прекращает функции аккумулятора. Идея использования лития в качестве донора частиц связана с тем, что он является самым легким металлом и может легко высвобождать протоны и электроны при правильных условиях. Тем не менее, ученые быстро отказываются от возможности использования чистого лития из-за его высокой летучести, его способности связываться с воздухом и по соображениям безопасности.

Первая литий-ионная батарея была создана в 1970-х годах Майклом Уиттингемом, который использовал в качестве электродов чистый литий и сульфид титана. Эта электрохимия больше не используется, но фактически закладывает основы для литий-ионных батарей. В 1970-х годах Самар Басу продемонстрировал способность поглощать ионы лития из графита, но, благодаря опыту того времени, батареи быстро самоуничтожались при зарядке и разрядке. В 1980-х годах начались интенсивные разработки, чтобы найти подходящие соединения лития для катода и анода батарей, и настоящий прорыв произошел в 1991 году.

NCA, NCM литиевые элементы … что это на самом деле означает?

После экспериментов с различными соединениями лития в 1991 году усилия ученых увенчались успехом — Sony начала массовое производство литий-ионных аккумуляторов. В настоящее время аккумуляторы этого типа имеют наибольшую выходную мощность и плотность энергии, а главное — значительный потенциал для развития. В зависимости от требований к батареям компании обращаются к различным соединениям лития в качестве материала катода. Это оксид лития-кобальта (LCO), соединения с никелем, кобальтом и алюминием (NCA) или с никелем, кобальтом и марганцем (NCM), литий-фосфат железа (LFP), литий-марганцевая шпинель (LMS), литий-титан оксид (LTO) и другие. Электролит представляет собой смесь солей лития и органических растворителей и особенно важен для «подвижности» ионов лития, а сепаратор, который отвечает за предотвращение коротких замыканий, будучи проницаемым для ионов лития, обычно представляет собой полиэтилен или полипропилен.

Выходная мощность, емкость или оба

Наиболее важными характеристиками батарей являются удельная энергия, надежность и безопасность. Производимые в настоящее время батареи охватывают широкий спектр этих качеств и, в зависимости от используемых материалов, имеют удельный энергетический диапазон от 100 до 265 Вт / кг (и плотность энергии от 400 до 700 Вт / л). Лучшими в этом отношении являются батареи NCA и худшие LFP. Тем не менее, материал является одной стороной медали. Чтобы увеличить как удельную энергию, так и плотность энергии, используются различные наноструктуры, чтобы поглотить больше материала и обеспечить более высокую проводимость потока ионов. Большое количество ионов, «хранящихся» в стабильном соединении, и проводимость являются предпосылками для более быстрой зарядки, и развитие направлено в эти направления. В то же время конструкция батареи должна обеспечивать необходимое соотношение мощности к емкости в зависимости от типа привода. Например, подключаемые гибриды должны иметь гораздо более высокое отношение мощности к емкости по очевидным причинам. Сегодняшние разработки сосредоточены на батареях типа NCA (LiNiCoAlO2 с катодом и графитовым анодом) и NMC 811 (LiNiMnCoO2 с катодом и графитовым анодом). Первые содержат (за пределами лития) около 80% никеля, 15% кобальта и 5% алюминия и имеют удельную энергию 200-250 Вт / кг, что означает, что они имеют относительно ограниченное использование критического кобальта и срок службы до 1500 циклов. Такие батареи будут производиться Tesla на его Gigafactory в Неваде. Когда он достигнет запланированной полной мощности (в 2020 или 2021 году, в зависимости от ситуации), завод будет производить 35 ГВтч аккумуляторов, что достаточно для оснащения 500 000 автомобилей. Это еще больше снизит стоимость батарей.

Батареи NMC 811 имеют немного более низкую удельную энергию (140-200 Вт / кг), но имеют более длительный срок службы, достигая 2000 полных циклов, и их доля составляет 80% никеля, 10% марганца и 10% кобальта. В настоящее время все производители аккумуляторов используют один из этих двух типов. Единственным исключением является китайская компания BYD, которая производит батареи LFP. Оснащенные ими автомобили тяжелее, но кобальт им не нужен. Аккумуляторы NCA предпочтительны для электромобилей, а NMC — для гибридов с подключаемыми разъемами из-за соответствующих преимуществ с точки зрения удельной энергии и удельной мощности. Примерами являются электрический e-Golf с соотношением мощность / емкость 2,8 и подключаемый гибридный Golf GTE с соотношением 8,5. Во имя снижения цены VW намерена использовать одни и те же элементы для всех типов батарей. И еще одна вещь — чем больше емкость батареи, тем меньше количество полных разрядов и зарядов, и это увеличивает срок ее службы, поэтому — чем больше батарея, тем лучше. Второй касается гибридов как проблемы.

Рыночные тренды

В настоящее время спрос на аккумуляторные батареи для транспортных целей уже превышает спрос на электронные продукты. По-прежнему предполагается, что к 2020 году в мире будет продаваться 1,5 миллиона электромобилей в год, что поможет снизить стоимость аккумуляторов. В 2010 году цена 1 кВт-ч литий-ионного элемента была порядка 900 евро, а сейчас она ниже 200 евро. 25% стоимости всей батареи приходится на катод, 8% — на анод, сепаратор и электролит, 16% — на все остальные элементы батареи и 35% — на общую конструкцию батареи. Другими словами, литий-ионные элементы вносят 65-процентный вклад в стоимость батареи. Ориентировочные цены Tesla на 2020 год, когда Gigafactory 1 вступит в эксплуатацию, составляют около 300 евро / кВт-ч для аккумуляторов NCA, и цена включает в себя готовый продукт с некоторым средним НДС и гарантией. Все еще достаточно высокая цена, которая со временем продолжит снижаться.

Основные запасы лития находятся в Аргентине, Боливии, Чили, Китае, США, Австралии, Канаде, России, Конго и Сербии, причем подавляющее большинство в настоящее время добывается из высохших озер. С накоплением все большего количества батарей рынок материалов, переработанных из старых батарей, увеличится. Однако более важной является проблема кобальта, который, хотя и присутствует в больших количествах, добывается как побочный продукт при производстве никеля и меди. Добыча кобальта, несмотря на низкую концентрацию в почве, ведется в Конго (который обладает самыми большими доступными запасами), но в условиях, которые ставят под сомнение этику, мораль и защиту окружающей среды.

Передовые технологии

Следует иметь в виду, что технологии, принятые в качестве перспективы на ближайшее будущее, на самом деле не являются принципиально новыми, а представляют собой литий-ионные варианты. Таковы, например, твердотельные батареи, в которых вместо жидкости используется твердый электролит (или гель в литий-полимерных батареях). Это решение обеспечивает более стабильную конструкцию электродов, которая нарушает их целостность при зарядке большим током, соответственно. повышенная температура и высокая нагрузка. Это может увеличить зарядный ток, плотность электродов и емкость. Твердотельные батареи все еще находятся на очень ранней стадии разработки, и вряд ли они появятся в серийном производстве до середины десятилетия.

Одним из отмеченных наградами стартапов на конкурсе инновационных технологий BMW в Амстердаме в 2017 году была компания, работающая на батарейках, кремниевый анод которой позволяет повысить плотность энергии. Инженеры работают над различными нанотехнологиями, чтобы обеспечить большую плотность и прочность материала как анода, так и катода, и одним из решений является использование графена. Эти микроскопические слои графита с толщиной одного атома и гексагональной атомной структурой являются одним из наиболее перспективных материалов. Разработанные производителем аккумуляторных элементов Samsung SDI «графеновые шарики», интегрированные в катодную и анодную структуру, обеспечивают более высокую прочность, проницаемость и плотность материала и соответствующее увеличение емкости примерно на 45% и в пять раз короче время зарядки , Эти технологии могут получить самый сильный импульс от автомобилей Формулы Е, которые могут быть первыми, которые будут оснащены такими батареями.

Игроки на этом этапе

Основными игроками в качестве поставщиков первого и второго уровня, то есть производителей элементов питания и батарей, являются Япония (Panasonic, Sony, GS Yuasa и Hitachi Vehicle Energy), Корея (LG Chem, Samsung, Kokam и SK Innovation), Китай (BYD Company). , ATL и Lishen) и США (Tesla, Johnson Controls, A123 Systems, EnerDel и Valence Technology). Основными поставщиками сотовых телефонов в настоящее время являются LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Корея), AESC (Япония), BYD (Китай) и CATL (Китай), доля рынка которых составляет две трети. На данном этапе в Европе им противостоят только BMZ Group из Германии и Northvolth из Швеции. С запуском Gigafactory Tesla в 2020 году эта пропорция изменится — на долю американской компании будет приходиться 30% мирового производства литий-ионных элементов. Такие компании, как Daimler и BMW, уже подписали контракты с некоторыми из этих компаний, такими как CATL, которая строит завод в Европе.