Sähköauto eilen, tänään, huomenna: osa 3

Termi "litium-ioniakut" piilottaa monenlaisia ​​tekniikoita.

Yksi asia on varma - niin kauan kuin litiumioni-sähkökemia pysyy tässä suhteessa muuttumattomana. Mikään muu sähkökemiallinen energian varastointitekniikka ei voi kilpailla litiumionin kanssa. Asia on kuitenkin siinä, että on olemassa erilaisia ​​rakenteita, joissa käytetään erilaisia ​​materiaaleja katodille, anodille ja elektrolyytille, joista jokaisella on erilaisia ​​etuja kestävyyden suhteen (lataus- ja purkausjaksojen määrä sähköajoneuvojen sallittuun jäännöskapasiteettiin asti 80 %), ominaisteho kWh/kg, hinta euroa/kg tai teho/tehosuhde.

Ajassa taaksepäin

Mahdollisuus suorittaa sähkökemiallisia prosesseja ns. Litiumionikennot tulevat litiumprotonien ja elektronien erotuksesta katodin litiumliitoksesta latauksen aikana. Litiumatomi luovuttaa helposti yhden kolmesta elektronistaan, mutta samasta syystä se on erittäin reaktiivinen ja se on eristettävä ilmasta ja vedestä. Jännitelähteessä elektronit alkavat liikkua piiriään pitkin, ja ionit ohjataan hiili-litium-anodille ja kalvon läpi kulkevat siihen. Purkauksen aikana tapahtuu käänteistä liikettä - ionit palaavat katodille ja elektronit vuorostaan ​​kulkevat ulkoisen sähkökuorman läpi. Nopea suurvirtalataus ja täysi purkaus johtavat kuitenkin uusien kestävien liitäntöjen muodostumiseen, mikä heikentää tai jopa pysäyttää akun toiminnan. Ajatus litiumin käyttämisestä hiukkasluovuttajana juontaa juurensa siitä, että se on kevyin metalli ja voi helposti vapauttaa protoneja ja elektroneja oikeissa olosuhteissa. Tiedemiehet ovat kuitenkin nopeasti luopumassa puhtaan litiumin käytöstä sen korkean haihtuvuuden, sen kyvyn sitoutua ilman kanssa ja turvallisuussyistä.

Ensimmäisen litium-ioni-akun loi 1970-luvulla Michael Whittingham, joka käytti elektrodina puhdasta litium- ja titaanisulfidia. Tätä sähkökemiaa ei enää käytetä, mutta se todella perustaa litium-ioni-akkujen perustan. 1970-luvulla Samar Basu osoitti kykynsä absorboida litiumioneja grafiitista, mutta tuon ajan kokemuksen ansiosta akut tuhoutuivat nopeasti itsensä ladatessaan ja purkautuessaan. 1980-luvulla aloitettiin intensiivinen kehittäminen sopivien litiumyhdisteiden löytämiseksi katodeille ja paristoihin, ja todellinen läpimurto tapahtui vuonna 1991.

NCA, NCM litiumkennot ... mitä tämä oikeastaan ​​tarkoittaa?

Erilaisten litiumyhdisteiden kokeilun jälkeen vuonna 1991 tutkijoiden ponnistelut kruunasivat menestyksen - Sony aloitti litiumioniakkujen massatuotannon. Tällä hetkellä tämän tyyppisillä akuilla on suurin lähtöteho ja energiatiheys, ja mikä tärkeintä, merkittävä kehityspotentiaali. Akkuvaatimuksista riippuen yritykset käyttävät katodimateriaalina erilaisia ​​litiumyhdisteitä. Näitä ovat litiumkobolttioksidi (LCO), nikkelin, koboltin ja alumiinin (NCA) tai nikkelin, koboltin ja mangaanin (NCM) yhdisteet, litiumrautafosfaatti (LFP), litiummangaanispinelli (LMS), litiumtitaanioksidi (LTO) ja muut. Elektrolyytti on litiumsuolojen ja orgaanisten liuottimien seos, ja se on erityisen tärkeä litiumionien "liikkuvuuden" kannalta, ja erotin, joka on vastuussa oikosulkujen estämisestä, koska se on litiumioneja läpäisevä, on yleensä polyeteeni tai polypropeeni.

Lähtöteho, kapasiteetti tai molemmat

Paristojen tärkeimmät ominaisuudet ovat energian tiheys, luotettavuus ja turvallisuus. Tällä hetkellä valmistetut paristot kattavat laajan valikoiman näitä ominaisuuksia, ja käytetyistä materiaaleista riippuen niiden ominainen energia-alue on 100–265 W / kg (ja energiatiheys 400–700 W / L). Paras tässä suhteessa on NCA-paristot ja pahimmat LFP-paristot. Materiaali on kuitenkin kolikon toinen puoli. Sekä ominaisenergian että energiatiheyden lisäämiseksi käytetään erilaisia ​​nanorakenteita absorboimaan enemmän materiaalia ja aikaansaamaan korkeampi ionivirran johtavuus. Suuri määrä ioneja, "varastoituneita" stabiiliyhdisteeseen, ja johtavuus ovat ennakkoedellytyksiä nopeammalle lataukselle, ja kehitystä ohjataan näihin suuntiin. Samanaikaisesti akun rakenteen on tarjottava vaadittu teho- ja kapasiteettisuhde taajuusmuuttajan tyypistä riippuen. Esimerkiksi plug-in-hybrideillä on oltava selvästi korkeampi teho-kapasiteettisuhde ilmeisistä syistä. Tämän päivän kehitys keskittyy akkuihin, kuten NCA (LiNiCoAlO2 katodi- ja grafiittianodilla) ja NMC 811 (LiNiMnCoO2 katodi- ja grafiittianodilla). Ne sisältävät (litiumin ulkopuolella) noin 80% nikkeliä, 15% kobolttia ja 5% alumiinia, ja niiden ominaisenergia on 200 - 250 W / kg, mikä tarkoittaa, että niillä on suhteellisen rajallinen käyttö kriittistä kobolttia ja käyttöikä jopa 1500 sykliä. Tesla tuottaa tällaisia ​​paristoja Gigafactoryssa Nevadassa. Kun laitos saavuttaa suunnitellun täyden kapasiteettinsa (vuonna 2020 tai 2021, tilanteesta riippuen), laitos tuottaa 35 GWh akkuja, joka riittää tuottamaan 500 000 ajoneuvoa. Tämä vähentää paristojen kustannuksia entisestään.

NMC 811 -akuilla on hieman pienempi ominaisenergia (140-200 W/kg), mutta niiden käyttöikä on pidempi, saavuttaen 2000 täyttä jaksoa, ja ne ovat 80 % nikkeliä, 10 % mangaania ja 10 % kobolttia. Tällä hetkellä kaikki akkuvalmistajat käyttävät jompaakumpaa näistä kahdesta tyypistä. Ainoa poikkeus on kiinalainen yritys BYD, joka valmistaa LFP-akkuja. Niillä varustetut autot ovat raskaampia, mutta ne eivät tarvitse kobolttia. NCA-akkuja suositaan sähköajoneuvoissa ja NMC-akkuja ladattavissa hybrideissä niiden energiatiheyden ja tehotiheyden etujen vuoksi. Esimerkkejä ovat sähköinen e-Golf, jonka teho/kapasiteettisuhde on 2,8, ja ladattava hybridi Golf GTE, jonka suhde on 8,5. Hinnan alennuksen nimissä VW aikoo käyttää samoja kennoja kaikentyyppisissä akuissa. Ja vielä yksi asia - mitä suurempi akun kapasiteetti, sitä vähemmän täydet purkaukset ja lataukset, ja tämä pidentää sen käyttöikää, joten - mitä suurempi akku, sitä parempi. Toinen koskee hybridejä ongelmana.

Markkinatrendit

Tällä hetkellä kuljetusakkujen kysyntä ylittää jo elektroniikkatuotteiden kysynnän. Edelleen ennustetaan, että vuoteen 2020 mennessä maailmanlaajuisesti myydään 1,5 miljoonaa sähköautoa vuodessa, mikä auttaa alentamaan akkujen kustannuksia. Vuonna 2010 litiumionikennon 1 kWh:n hinta oli noin 900 euroa, ja nyt se on alle 200 euroa. 25 % koko akun hinnasta menee katodille, 8 % anodille, erottimelle ja elektrolyytille, 16 % kaikille muille akkukennoille ja 35 % akun kokonaissuunnittelulle. Toisin sanoen litiumionikennojen osuus akun hinnasta on 65 prosenttia. Arvioidut Teslan hinnat vuodelle 2020 Gigafactory 1:n tullessa käyttöön ovat NCA-akuille noin 300€/kWh ja hinta sisältää valmiin tuotteen jonkin verran keskimääräisen ALV:n ja takuun kera. Edelleen melko korkea hinta, joka jatkaa laskuaan ajan myötä.

Suurimmat litiumvarat löytyvät Argentiinasta, Boliviasta, Chilestä, Kiinasta, Yhdysvalloista, Australiasta, Kanadasta, Venäjältä, Kongosta ja Serbiasta. Suurin osa louhitaan tällä hetkellä kuivuneista järvistä. Kun yhä enemmän paristoja kertyy, vanhoista paristoista kierrätettyjen materiaalien markkinat kasvavat. Tärkeämpää on kuitenkin koboltin ongelma, jota, vaikka sitä esiintyy suurina määrinä, louhitaan sivutuotteena nikkelin ja kuparin tuotannossa. Kobolttia louhitaan Kongosta (jolla on suurimmat käytettävissä olevat varannot) huolimatta sen alhaisesta pitoisuudesta maaperään, mutta olosuhteissa, jotka haastavat etiikan, moraalin ja ympäristönsuojelun.

Kehittynyt tekniikka

On syytä pitää mielessä, että lähitulevaisuuden näkymäksi hyväksytyt tekniikat eivät oikeastaan ​​ole perustavanlaatuisia uusia, vaan litium-ionivaihtoehtoja. Nämä ovat esimerkiksi puolijohdeakkuja, joissa käytetään kiinteää elektrolyyttiä nesteen sijasta (tai geeli litiumpolymeeriparistoissa). Tämä ratkaisu tarjoaa elektrodien vakaamman suunnittelun, joka rikkoo niiden eheyttä, kun niitä ladataan vastaavasti suurella virralla. korkea lämpötila ja suuri kuorma. Tämä voi lisätä latausvirtaa, elektroditiheyttä ja kapasitanssia. Puolijohdeakut ovat vielä hyvin varhaisessa kehitysvaiheessa, ja niiden todennäköisesti saavutetaan massatuotanto vasta vuosikymmenen puoliväliin saakka.

Yksi vuoden 2017 BMW Innovation Technology Competition -kilpailussa Amsterdamissa palkituista startup-yrityksistä oli akkukäyttöinen yritys, jonka piianodi parantaa energiatiheyttä. Insinöörit työskentelevät erilaisten nanoteknologioiden parissa saadakseen suuremman tiheyden ja lujuuden sekä anodi- että katodimateriaalille, ja yksi ratkaisu on grafeenin käyttö. Nämä mikroskooppiset grafiittikerrokset, joilla on yksi atomipaksuus ja kuusikulmainen atomirakenne, ovat yksi lupaavimmista materiaaleista. Akkukennovalmistajan Samsung SDI: n kehittämät "grafeenipallot", jotka on integroitu katodi- ja anodirakenteeseen, tarjoavat materiaalille suuremman lujuuden, läpäisevyyden ja tiheyden sekä vastaavan kapasiteetin lisäyksen noin 45% ja viisi kertaa nopeamman latausajan. voi saada voimakkaimman impulssin Formula E -autoista, jotka voivat olla ensimmäisiä, jotka on varustettu tällaisilla akkuilla.

Pelaajat tässä vaiheessa

Tärkeimmät toimijat Tier 123- ja Tier 2020 -toimittajina eli kennojen ja akkujen valmistajina ovat Japani (Panasonic, Sony, GS Yuasa ja Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam ja SK Innovation), Kiina (BYD Company ) . , ATL ja Lishen) ja Yhdysvalloissa (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel ja Valence Technology). Tärkeimmät matkapuhelintoimittajat ovat tällä hetkellä LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Japani), BYD (Kiina) ja CATL (Kiina), joiden markkinaosuus on kaksi kolmasosaa. Tässä vaiheessa Euroopassa niitä vastustavat vain saksalainen BMZ Group ja ruotsalainen Northvolth. Teslan Gigafactoryn julkaisun myötä vuonna XNUMX tämä osuus muuttuu - amerikkalaisen yrityksen osuus maailman litiumionikennojen tuotannosta on XNUMX prosenttia. Yritykset, kuten Daimler ja BMW, ovat jo allekirjoittaneet sopimukset joidenkin näistä yrityksistä, kuten CATL:stä, joka rakentaa tehdasta Eurooppaan.