ماشین برقی دیروز ، امروز ، فردا: قسمت 3
دستگاه وسیله نقلیه

ماشین برقی دیروز ، امروز ، فردا: قسمت 3

اصطلاح "باتری های یون لیتیوم" طیف گسترده ای از فناوری ها را پنهان می کند.

یک چیز مطمئن است - تا زمانی که الکتروشیمی لیتیوم-یون در این زمینه بدون تغییر باقی بماند. هیچ فناوری ذخیره انرژی الکتروشیمیایی دیگری نمی تواند با لیتیوم یون رقابت کند. اما نکته اینجاست که طرح‌های مختلفی وجود دارد که از مواد مختلفی برای کاتد، آند و الکترولیت استفاده می‌کنند که هر کدام از نظر دوام مزایای متفاوتی دارند (تعداد چرخه‌های شارژ و دشارژ تا ظرفیت باقیمانده مجاز برای خودروهای الکتریکی 80 درصد، توان ویژه کیلووات ساعت بر کیلوگرم، قیمت یورو/کیلوگرم یا نسبت توان به توان.

بازگشت به زمان

امکان انجام فرآیندهای الکتروشیمیایی به اصطلاح. سلول‌های لیتیوم یونی از جداسازی پروتون‌های لیتیوم و الکترون‌ها از محل اتصال لیتیوم در کاتد در طول شارژ می‌آیند. اتم لیتیوم به راحتی یکی از سه الکترون خود را اهدا می کند، اما به همین دلیل بسیار واکنش پذیر است و باید از هوا و آب جدا شود. در منبع ولتاژ، الکترون ها شروع به حرکت در طول مدار خود می کنند و یون ها به سمت آند کربن-لیتیوم هدایت می شوند و با عبور از غشاء به آن متصل می شوند. در حین تخلیه، حرکت معکوس رخ می دهد - یون ها به کاتد باز می گردند و الکترون ها به نوبه خود از بار الکتریکی خارجی عبور می کنند. با این حال، شارژ سریع جریان بالا و تخلیه کامل منجر به ایجاد اتصالات بادوام جدید می شود که عملکرد باتری را کاهش می دهد یا حتی متوقف می کند. ایده استفاده از لیتیوم به عنوان یک اهدا کننده ذره از این واقعیت ناشی می شود که سبک ترین فلز است و می تواند به راحتی پروتون ها و الکترون ها را در شرایط مناسب آزاد کند. با این حال، دانشمندان به سرعت استفاده از لیتیوم خالص را به دلیل فرار زیاد، توانایی آن در پیوند با هوا و دلایل ایمنی کنار می‌گذارند.

اولین باتری لیتیوم یون در دهه 1970 توسط مایکل ویتینگام ایجاد شد که از لیتیوم خالص و سولفید تیتانیوم به عنوان الکترود استفاده کرد. این الکتروشیمی دیگر استفاده نمی شود ، اما در واقع پایه و اساس باتری های یون لیتیوم را می گذارد. در دهه 1970 ، سامار باسو توانایی جذب یونهای لیتیوم از گرافیت را نشان داد ، اما با توجه به تجربه آن زمان ، باتری ها هنگام شارژ و تخلیه به سرعت از بین می روند. در دهه 1980 ، توسعه فشرده برای یافتن ترکیبات لیتیوم مناسب برای کاتد و آند باتری آغاز شد و موفقیت واقعی در سال 1991 رخ داد.

سلولهای لیتیوم NCA ، NCM ... این به معنای واقعی چیست؟

پس از آزمایش با ترکیبات مختلف لیتیوم در سال 1991، تلاش های دانشمندان با موفقیت به پایان رسید - سونی تولید انبوه باتری های لیتیوم یون را آغاز کرد. در حال حاضر باتری های این نوع دارای بالاترین توان خروجی و چگالی انرژی و از همه مهمتر پتانسیل قابل توجهی برای توسعه هستند. بسته به نیاز باتری، شرکت ها به ترکیبات مختلف لیتیوم به عنوان ماده کاتد روی می آورند. اینها اکسید لیتیوم کبالت (LCO)، ترکیبات با نیکل، کبالت و آلومینیوم (NCA) یا با نیکل، کبالت و منگنز (NCM)، فسفات آهن لیتیوم (LFP)، اسپینل لیتیوم منگنز (LMS)، اکسید تیتانیوم لیتیوم (LTO) هستند. و دیگران. الکترولیت مخلوطی از نمک های لیتیوم و حلال های آلی است و برای «تحرک» یون های لیتیوم اهمیت ویژه ای دارد و جداکننده که با نفوذپذیری به یون های لیتیوم وظیفه جلوگیری از اتصال کوتاه را بر عهده دارد، معمولاً پلی اتیلن یا پلی پروپیلن است.

قدرت ، ظرفیت یا هر دو خروجی

مهمترین ویژگی باتری ها چگالی انرژی ، قابلیت اطمینان و ایمنی است. باتری های تولید شده در حال حاضر طیف وسیعی از این کیفیت ها را پوشش می دهند و بسته به مواد استفاده شده ، دارای دامنه انرژی ویژه 100 تا 265 وات بر کیلوگرم (و چگالی انرژی 400 تا 700 وات بر لیتر) هستند. بهترین در این زمینه باتری های NCA و بدترین LFP ها هستند. با این حال ، مواد یک طرف سکه است. برای افزایش انرژی و چگالی انرژی خاص ، از نانوساختارهای مختلف برای جذب مواد بیشتر و هدایت بالاتر جریان یون استفاده می شود. تعداد زیادی یون ، "ذخیره شده" در یک ترکیب پایدار ، و رسانایی پیش شرط شارژ سریعتر است و توسعه در این جهات انجام می شود. در عین حال ، طراحی باتری بسته به نوع درایو باید نسبت توان به ظرفیت مورد نیاز را تأمین کند. به عنوان مثال ، هیبریدهای پلاگین به دلایل واضح باید نسبت قدرت به ظرفیت بسیار بالاتری داشته باشند. تحولات امروز بر روی باتری هایی مانند NCA (LiNiCoAlO2 با آند کاتد و گرافیت) و NMC 811 (LiNiMnCoO2 با آند کاتد و گرافیت) متمرکز شده است. اولی حاوی (خارج از لیتیوم) حدود 80٪ نیکل ، 15٪ کبالت و 5٪ آلومینیوم است و دارای انرژی خاصی 200-250 W / kg است ، این بدان معنی است که آنها استفاده نسبتاً محدودی از کبالت حیاتی و عمر مفید تا 1500 سیکل دارند. چنین باتری هایی توسط تسلا در Gigafactory خود در نوادا تولید می شود. وقتی نیروگاه به ظرفیت کامل برنامه ریزی شده خود برسد (بسته به شرایط موجود در سال 2020 یا 2021) ، نیروگاه 35 گیگاوات ساعت باتری تولید می کند که برای تأمین انرژی 500 وسیله نقلیه کافی است. این امر باعث کاهش بیشتر هزینه باتری ها می شود.

باتری های NMC 811 انرژی ویژه کمی پایین تری دارند (140-200W/kg) اما عمر طولانی تری دارند و به 2000 چرخه کامل می رسد و 80% نیکل، 10% منگنز و 10% کبالت هستند. در حال حاضر تمامی تولید کنندگان باتری از یکی از این دو نوع استفاده می کنند. تنها استثنا شرکت چینی BYD است که باتری های LFP تولید می کند. خودروهای مجهز به آنها سنگین ترند، اما نیازی به کبالت ندارند. باتری‌های NCA برای وسایل نقلیه الکتریکی و NMC برای هیبریدی‌های پلاگین به دلیل مزایای مربوط به آنها از نظر چگالی انرژی و چگالی توان ترجیح داده می‌شوند. به عنوان مثال می توان به e-Golf الکتریکی با نسبت توان/ظرفیت 2,8 و پلاگین هیبریدی Golf GTE با نسبت 8,5 اشاره کرد. فولکس واگن قصد دارد به نام کاهش قیمت از سلول های یکسان برای انواع باتری ها استفاده کند. و یک چیز دیگر - هرچه ظرفیت باتری بیشتر باشد ، تعداد تخلیه و شارژ کامل کمتر است و این باعث افزایش طول عمر آن می شود ، بنابراین - هر چه باتری بزرگتر باشد ، بهتر است. دومی به هیبریدها به عنوان یک مشکل مربوط می شود.

روند بازار

در حال حاضر، تقاضا برای باتری برای اهداف حمل و نقل از تقاضا برای محصولات الکترونیکی بیشتر است. هنوز هم پیش بینی می شود که تا سال 2020 سالانه 1,5 میلیون وسیله نقلیه الکتریکی در سراسر جهان فروخته شود که به کاهش هزینه باتری کمک می کند. در سال 2010 قیمت 1 کیلووات ساعت یک سلول لیتیوم یونی حدود 900 یورو بود و اکنون به کمتر از 200 یورو رسیده است. 25 درصد هزینه کل باتری برای کاتد، 8 درصد برای آند، جداکننده و الکترولیت، 16 درصد برای تمام سلول های باتری دیگر و 35 درصد برای طراحی کلی باتری است. به عبارت دیگر، سلول های لیتیوم یونی 65 درصد در هزینه یک باتری سهیم هستند. قیمت های تخمینی تسلا برای سال 2020 زمانی که Gigafactory 1 وارد سرویس می شود، حدود 300 یورو در کیلووات ساعت برای باتری های NCA است و قیمت شامل محصول نهایی با مقداری مالیات بر ارزش افزوده متوسط ​​و ضمانت می شود. هنوز قیمت نسبتاً بالایی است که با گذشت زمان به کاهش خود ادامه خواهد داد.

ذخایر اصلی لیتیوم در آرژانتین ، بولیوی ، شیلی ، چین ، ایالات متحده آمریکا ، استرالیا ، کانادا ، روسیه ، کنگو و صربستان یافت می شود که اکثر قریب به اتفاق آنها در حال حاضر از دریاچه های خشک استخراج می شوند. با جمع شدن هر چه بیشتر باتری ها ، بازار مواد بازیافتی از باتری های قدیمی افزایش می یابد. با این حال مهمتر ، مسئله کبالت است که اگرچه در مقادیر زیادی وجود دارد ، اما به عنوان محصول جانبی در تولید نیکل و مس استخراج می شود. کبالت با وجود غلظت کم در خاک ، در کنگو (که بیشترین ذخایر موجود را دارد) استخراج می شود ، اما تحت شرایطی که اخلاق ، اخلاق و حفاظت از محیط زیست را به چالش می کشد.

سلام فن آوری

باید در نظر داشت که فناوری های پذیرفته شده به عنوان چشم انداز آینده نزدیک در واقع جدید نیستند بلکه گزینه های یون لیتیوم هستند. اینها ، به عنوان مثال ، باتری های حالت جامد هستند که به جای مایع (یا ژل موجود در باتری های پلیمر لیتیوم) از الکترولیت جامد استفاده می کنند. این راه حل طراحی پایدارتری از الکترودها ایجاد می کند که به ترتیب در صورت شارژ با جریان زیاد ، یکپارچگی آنها را نقض می کند. دمای بالا و بار زیاد این می تواند جریان شارژ ، تراکم الکترود و ظرفیت را افزایش دهد. باتری های حالت جامد هنوز در مراحل اولیه رشد قرار دارند و بعید است تا اواسط دهه تولید انبوه داشته باشند.

یکی از استارتاپ های برنده جایزه در مسابقه فناوری نوآوری بی ام و 2017 در آمستردام ، یک شرکت باتری بود که آند سیلیکونی آن چگالی انرژی را افزایش می دهد. مهندسان روی نانوتکنولوژی های مختلف کار می کنند تا چگالی و استحکام بیشتری را برای مواد آند و کاتد ایجاد کنند ، و یک راه حل استفاده از گرافن است. این لایه های میکروسکوپی گرافیت با ضخامت یک اتم و ساختار اتمی شش ضلعی یکی از امیدوار کننده ترین مواد هستند. "توپ های گرافنی" که توسط سازنده سلول های باتری سامسونگ SDI توسعه یافته و در ساختار کاتد و آند یکپارچه شده است ، استحکام ، نفوذ پذیری و چگالی بیشتری از مواد را ارائه می دهد و ظرفیت مربوطه را حدود 45 درصد افزایش می دهد و پنج برابر زمان شارژ سریع تری دارد. می تواند قوی ترین انگیزه را از اتومبیل های فرمول E دریافت کند ، که ممکن است اولین موردی باشد که به چنین باتری هایی مجهز شده است.

بازیکنان در این مرحله

بازیگران اصلی به عنوان تامین کنندگان ردیف 123 و 2020، یعنی تولید کنندگان سلول و باتری، ژاپن (پاناسونیک، سونی، GS Yuasa و هیتاچی انرژی خودرو)، کره (LG Chem، سامسونگ، کوکام و SK Innovation)، چین (شرکت BYD) هستند. . ، ATL و Lishen) و ایالات متحده آمریکا (Tesla، Johnson Controls، A30 Systems، EnerDel و Valence Technology). تامین کنندگان اصلی تلفن های همراه در حال حاضر LG Chem، Panasonic، Samsung SDI (کره)، AESC (ژاپن)، BYD (چین) و CATL (چین) هستند که دو سوم سهم بازار را در اختیار دارند. در این مرحله در اروپا، آنها تنها با گروه BMZ از آلمان و Northvolth از سوئد مخالف هستند. با راه اندازی گیگافکتوری تسلا در سال XNUMX، این نسبت تغییر خواهد کرد - این شرکت آمریکایی XNUMX درصد از تولید سلول های لیتیوم یونی جهان را به خود اختصاص خواهد داد. شرکت هایی مانند دایملر و بی ام و قبلا با برخی از این شرکت ها مانند CATL که در حال ساخت کارخانه در اروپا است قرارداد امضا کرده اند.

اضافه کردن نظر