Elektriauto eile, täna, homme: 3. osa

Mõiste "liitiumioonakud" peidab endas väga erinevaid tehnoloogiaid.

Üks on kindel – seni, kuni liitiumioonide elektrokeemia selles osas muutumatuks jääb. Ükski teine ​​elektrokeemiline energiasalvestustehnoloogia ei suuda liitiumioonidega konkureerida. Asi on aga selles, et on erinevaid konstruktsioone, mis kasutavad katoodi, anoodi ja elektrolüüdi jaoks erinevaid materjale, millest igaühel on vastupidavuse osas erinevad eelised (laadimis- ja tühjendustsüklite arv kuni elektrisõidukite lubatud jääkvõimsuseni). 80%), erivõimsus kWh/kg, hind euro/kg või võimsuse ja võimsuse suhe.

Ajas tagasi

Elektrokeemiliste protsesside läbiviimise võimalus nn. Liitiumioonelemendid pärinevad liitiumiprootonite ja elektronide eraldumisest katoodi liitiumisiirdest laadimise ajal. Liitiumiaatom loovutab kergesti ühe oma kolmest elektronist, kuid samal põhjusel on see väga reaktiivne ning tuleb õhust ja veest eraldada. Pingeallikas hakkavad elektronid liikuma mööda oma ahelat ja ioonid suunatakse süsinik-liitium anoodile ja membraani läbides ühendatakse sellega. Tühjenemise ajal toimub vastupidine liikumine - ioonid naasevad katoodile ja elektronid omakorda läbivad välise elektrikoormuse. Kiire suure vooluga laadimine ja täielik tühjenemine põhjustavad aga uute vastupidavate ühenduste teket, mis vähendab või isegi peatab aku funktsiooni. Liitiumi osakeste doonorina kasutamise idee tuleneb asjaolust, et see on kõige kergem metall ja suudab õigetes tingimustes prootoneid ja elektrone kergesti vabastada. Teadlased aga loobuvad kiiresti puhta liitiumi kasutamisest selle suure volatiilsuse, õhuga sidumisvõime ja ohutuse tõttu.

Esimese liitiumioonaku lõi 1970. aastatel Michael Whittingham, kes kasutas elektroodidena puhast liitium- ja titaansulfiidi. Seda elektrokeemiat enam ei kasutata, kuid see paneb tegelikult aluse liitiumioonakudele. 1970. aastatel demonstreeris Samar Basu võimet absorbeerida grafiidist liitiumioone, kuid tänu tolleaegsele kogemusele hävisid akud laadimisel ja tühjenemisel kiiresti ise. 1980. aastatel hakati intensiivse arenduse käigus leidma patareide katoodile ja anoodile sobivaid liitiumühendeid ning tõeline läbimurre saabus 1991. aastal.

NCA, NCM liitiumrakud ... mida see tegelikult tähendab?

Pärast katsetamist erinevate liitiumiühenditega 1991. aastal kroonis teadlaste pingutusi edu – Sony alustas liitiumioonakude masstootmist. Praegu on seda tüüpi akudel suurim väljundvõimsus ja energiatihedus ning mis kõige tähtsam, märkimisväärne arengupotentsiaal. Sõltuvalt akunõuetest kasutavad ettevõtted katoodimaterjalina erinevaid liitiumiühendeid. Need on liitiumkoobaltoksiid (LCO), ühendid nikli, koobalti ja alumiiniumiga (NCA) või nikli, koobalti ja mangaaniga (NCM), liitiumraudfosfaat (LFP), liitiummangaanspinell (LMS), liitiumtitaanoksiid (LTO) ja teised. Elektrolüüt on liitiumisoolade ja orgaaniliste lahustite segu ning see on eriti oluline liitiumioonide "liikuvuse" jaoks ning separaatoriks, mis vastutab lühiste vältimise eest, olles liitiumioonidele läbilaskev, on tavaliselt polüetüleen või polüpropüleen.

Väljundvõimsus, maht või mõlemad

Patareide kõige olulisemad omadused on energia tihedus, töökindlus ja ohutus. Praegu toodetud patareid hõlmavad laias valikus neid omadusi ja sõltuvalt kasutatavatest materjalidest on energia erivahemik 100 kuni 265 W / kg (ja energiatihedus 400 kuni 700 W / L). Parimad on selles osas NCA patareid ja halvimad LFP-d. Materjal on siiski mündi üks külg. Nii spetsiifilise energia kui ka energiatiheduse suurendamiseks kasutatakse mitmesuguseid nanostruktuure suurema materjali imamiseks ja ioonivoo suurema juhtivuse tagamiseks. Suur hulk ioone, mis on "salvestatud" stabiilsesse ühendisse, ja juhtivus on kiirema laadimise eeldused ning areng on suunatud nendesse suundadesse. Samal ajal peab aku konstruktsioon tagama vajaliku võimsuse ja võimsuse suhte sõltuvalt ajami tüübist. Näiteks peavad pistikhübriididel olema ilmselgetel põhjustel palju suurem võimsuse ja võimsuse suhe. Tänane areng on keskendunud sellistele patareidele nagu NCA (katoodi ja grafiitanoodiga LiNiCoAlO2) ja NMC 811 (katoodi ja grafiitanoodiga LiNiMnCoO2). Esimesed sisaldavad (väljaspool liitiumit) umbes 80% niklit, 15% koobaltit ja 5% alumiiniumi ning nende spetsiifiline energia on 200–250 W / kg, mis tähendab, et nende kriitilise koobalti kasutamine on suhteliselt piiratud ja nende kasutusiga on kuni 1500 tsüklit. Selliseid patareisid toodab Tesla oma Gigafactory'is Nevadas. Kavandatud täisvõimsuse saavutamisel (vastavalt olukorrale 2020. või 2021. aastal) toodab jaam 35 GWh akusid, mis on piisavad 500 000 sõiduki toitmiseks. See vähendab veelgi akude maksumust.

NMC 811 akud on veidi väiksema erienergiaga (140–200 W/kg), kuid nende eluiga on pikem, ulatudes 2000 täistsüklini, ning nende koostis on 80% niklit, 10% mangaani ja 10% koobaltit. Praegu kasutavad kõik akutootjad ühte neist kahest tüübist. Ainus erand on Hiina ettevõte BYD, mis toodab LFP akusid. Nendega varustatud autod on raskemad, kuid koobaltit ei vaja. Elektrisõidukites eelistatakse NCA-akusid ja pistikhübriidide puhul NMC-akusid nende vastavate eeliste tõttu energiatiheduse ja võimsustiheduse osas. Näiteks elektriline e-Golf, mille võimsuse ja võimsuse suhe on 2,8, ja pistikhübriid Golf GTE, mille suhe on 8,5. VW kavatseb hinna alandamise nimel kasutada samu elemente igat tüüpi akude jaoks. Ja veel üks asi - mida suurem on aku mahutavus, seda väiksem on täielike tühjenemiste ja laadimiste arv ning see pikendab selle kasutusiga, seega - mida suurem on aku, seda parem. Teine puudutab hübriide kui probleemi.

Turu suundumused

Praegu ületab nõudlus transpordiakude järele juba nõudlust elektroonikatoodete järele. Endiselt prognoositakse, et 2020. aastaks müüakse maailmas 1,5 miljonit elektrisõidukit aastas, mis aitab vähendada akude hinda. 2010. aastal oli liitiumioonelemendi 1 kWh hind umbes 900 eurot ja praegu jääb see alla 200 euro. 25% kogu aku maksumusest on katoodi, 8% anoodi, separaatori ja elektrolüüdi, 16% kõigi teiste akuelementide ja 35% kogu aku konstruktsiooni jaoks. Teisisõnu, liitiumioonelemendid moodustavad aku maksumusest 65 protsenti. Prognoositavad Tesla hinnad 2020. aastal, kui Gigafactory 1 kasutusele võetakse, on NCA akude puhul umbes 300 €/kWh ja hind sisaldab valmistoodet koos keskmise käibemaksu ja garantiiga. Endiselt üsna kõrge hind, mis aja jooksul jätkuvalt langeb.

Peamised liitiumivarud asuvad Argentinas, Boliivias, Tšiilis, Hiinas, USA-s, Austraalias, Kanadas, Venemaal, Kongos ja Serbias ning valdav osa kaevandatakse praegu kuivanud järvedest. Kui akusid koguneb järjest rohkem, suureneb vanadest patareidest ringlussevõetud materjalide turg. Olulisem on aga koobalti probleem, mida, kuigi seda leidub suures koguses, kaevandatakse kõrvalsaadusena nikli ja vase tootmisel. Koobaltit kaevandatakse vaatamata madalale pinnases sisaldusele Kongos (kus on kõige suuremad varud), kuid tingimustes, mis seavad kahtluse alla eetika, moraali ja keskkonnakaitse.

Kõrgtehnoloogia

Tuleb meeles pidada, et lähituleviku väljavaadena aktsepteeritud tehnoloogiad ei ole tegelikult põhimõtteliselt uued, vaid on liitiumioonioonivalikud. Need on näiteks tahkisakud, milles vedeliku (või liitiumpolümeerakudes oleva geeli) asemel kasutatakse tahket elektrolüüdi. See lahendus tagab elektroodide stabiilsema kujunduse, mis rikub nende terviklikkust vastavalt suure vooluga laadimisel. kõrge temperatuur ja suur koormus. See võib suurendada laadimisvoolu, elektroodi tihedust ja mahtuvust. Tahkisakud on alles väga varajases arengujärgus ja tõenäoliselt jõuavad need masstootmisse alles kümnendi keskpaigani.

Üks auhinnatud idufirmasid 2017. aasta BMW innovatsioonitehnoloogia konkursil Amsterdamis oli akutoitega ettevõte, mille ränianood suurendab energiatihedust. Insenerid töötavad erinevate nanotehnoloogiate kallal, et tagada anood- ja katoodmaterjalile suurem tihedus ja tugevus ning üks lahendus on grafeeni kasutamine. Need mikroskoopilised grafiidi kihid, millel on ühe aatomi paksus ja kuusnurkne aatomistruktuur, on üks paljutõotavamaid materjale. Akuelementide tootja Samsung SDI poolt välja töötatud "grafeenkuulid", mis on integreeritud katood- ja anoodistruktuuri, tagavad materjali suurema tugevuse, läbilaskvuse ja tiheduse ning suurendavad vastavalt võimsust umbes 45% ja viis korda kiiremat laadimisaega. saab tugevaima impulsi vormel E autodelt, mis võivad olla esimesed, kes on selliste akudega varustatud.

Mängijad selles etapis

Peamised tegijad 123. ja 2020. taseme tarnijatena, st elementide ja akude tootjatena, on Jaapan (Panasonic, Sony, GS Yuasa ja Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam ja SK Innovation), Hiina (BYD Company). . , ATL ja Lishen) ja USA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel ja Valence Technology). Peamised mobiiltelefonide tarnijad on praegu LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Jaapan), BYD (Hiina) ja CATL (Hiina), kelle turuosa on kaks kolmandikku. Praeguses faasis Euroopas on neile vastaseks vaid BMZ Group Saksamaalt ja Northvolth Rootsist. Tesla Gigafactory käivitamisega XNUMX. aastal see proportsioon muutub – Ameerika ettevõtte arvele jääb XNUMX% maailma liitiumioonelementide toodangust. Sellised ettevõtted nagu Daimler ja BMW on juba sõlminud lepingud mõnega neist ettevõtetest, nagu CATL, mis ehitab tehast Euroopasse.