ელექტრო მანქანა გუშინ, დღეს, ხვალ: ნაწილი 3
მანქანის მოწყობილობა

ელექტრო მანქანა გუშინ, დღეს, ხვალ: ნაწილი 3

ტერმინი "ლითიუმ-იონური ელემენტები" მალავს მრავალფეროვან ტექნოლოგიებს.

ერთი რამ უდავოა - სანამ ლითიუმ-იონური ელექტროქიმია ამ მხრივ უცვლელი რჩება. სხვა ელექტროქიმიური ენერგიის შენახვის ტექნოლოგიას არ შეუძლია კონკურენცია გაუწიოს ლითიუმ-იონს. თუმცა საქმე იმაშია, რომ არსებობს სხვადასხვა დიზაინი, რომლებიც იყენებენ სხვადასხვა მასალებს კათოდის, ანოდისა და ელექტროლიტისთვის, რომელთაგან თითოეულს აქვს განსხვავებული უპირატესობები გამძლეობის თვალსაზრისით (დამუხტვის და გამონადენის ციკლების რაოდენობა ელექტრო მანქანებისთვის დასაშვებ ნარჩენ ტევადობამდე. 80%), სპეციფიკური სიმძლავრე კვტ/სთ/კგ, ფასი ევრო/კგ ან სიმძლავრის თანაფარდობა.

დროში დაბრუნდა

ელექტროქიმიური პროცესების განხორციელების შესაძლებლობა ე.წ. ლითიუმ-იონური უჯრედები წარმოიქმნება ლითიუმის პროტონებისა და ელექტრონების განცალკევებით კათოდზე ლითიუმის შეერთებიდან დამუხტვის დროს. ლითიუმის ატომი ადვილად სწირავს თავის სამი ელექტრონიდან ერთს, მაგრამ ამავე მიზეზით ის ძალზე რეაქტიულია და უნდა იყოს იზოლირებული ჰაერისა და წყლისგან. ძაბვის წყაროში ელექტრონები იწყებენ მოძრაობას მათი წრედის გასწვრივ, ხოლო იონები მიმართულია ნახშირბად-ლითიუმის ანოდისკენ და, მემბრანის გავლით, უკავშირდება მას. გამონადენის დროს ხდება საპირისპირო მოძრაობა - იონები ბრუნდებიან კათოდში, ხოლო ელექტრონები, თავის მხრივ, გადიან გარე ელექტრულ დატვირთვას. თუმცა, მაღალი დენის სწრაფი დატენვა და სრული განმუხტვა იწვევს ახალი გამძლე კავშირების ფორმირებას, რაც ამცირებს ან თუნდაც აჩერებს ბატარეის ფუნქციას. ლითიუმის, როგორც ნაწილაკების დონორის გამოყენების იდეა გამომდინარეობს იქიდან, რომ ის არის ყველაზე მსუბუქი ლითონი და სწორ პირობებში პროტონებისა და ელექტრონების ადვილად გამოთავისუფლებას შეუძლია. თუმცა, მეცნიერები სწრაფად ტოვებენ სუფთა ლითიუმის გამოყენებას მისი მაღალი არასტაბილურობის, ჰაერთან შეკავშირების უნარისა და უსაფრთხოების მიზეზების გამო.

ლითიუმ-იონის პირველი ბატარეა შეიქმნა 1970-იან წლებში მაიკლ უითტინგამის მიერ, რომელმაც ელექტროდ გამოიყენა სუფთა ლითიუმი და ტიტანის სულფიდი. ეს ელექტროქიმია აღარ გამოიყენება, მაგრამ სინამდვილეში საფუძველი ჩაეყარა ლითიუმ-იონურ ბატარეებს. 1970-იან წლებში სამარ ბასუმ აჩვენა ლითიუმის იონების გრაფიტისგან შთანთქმის უნარი, მაგრამ იმ დროის გამოცდილების გამო, ბატარეები დამუხტვისა და დათხოვნისას სწრაფად განადგურდა. 1980-იან წლებში ინტენსიურმა განვითარებამ დაიწყო ლითიუმის შესაფერისი ნაერთების პოვნა ელემენტების კათოდისა და ანოდისთვის და რეალური გარღვევა 1991 წელს მოხდა.

NCA, NCM ლითიუმის უჯრედები ... რას ნიშნავს ეს სინამდვილეში?

1991 წელს სხვადასხვა ლითიუმის ნაერთებთან ექსპერიმენტების შემდეგ, მეცნიერთა ძალისხმევა წარმატებით დაგვირგვინდა - Sony-მ დაიწყო ლითიუმ-იონური ბატარეების მასობრივი წარმოება. ამჟამად, ამ ტიპის ბატარეებს აქვთ ყველაზე მაღალი გამომავალი სიმძლავრე და ენერგიის სიმკვრივე და რაც მთავარია, განვითარების მნიშვნელოვანი პოტენციალი. ბატარეის მოთხოვნებიდან გამომდინარე, კომპანიები მიმართავენ სხვადასხვა ლითიუმის ნაერთებს, როგორც კათოდის მასალას. ეს არის ლითიუმის კობალტის ოქსიდი (LCO), ნაერთები ნიკელთან, კობალტთან და ალუმინთან (NCA) ან ნიკელთან, კობალტთან და მანგანუმთან (NCM), ლითიუმის რკინის ფოსფატი (LFP), ლითიუმის მანგანუმის სპინელი (LMS), ლითიუმის ტიტანის ოქსიდი (LTO) და სხვა. ელექტროლიტი არის ლითიუმის მარილებისა და ორგანული გამხსნელების ნაზავი და განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია ლითიუმის იონების „მობილურობისთვის“, ხოლო გამყოფი, რომელიც პასუხისმგებელია მოკლე ჩართვის თავიდან აცილებაზე ლითიუმის იონებისადმი გამტარიანობით, ჩვეულებრივ არის პოლიეთილენი ან პოლიპროპილენი.

გამომავალი სიმძლავრე, სიმძლავრე ან ორივე ერთად

ელემენტების ყველაზე მნიშვნელოვანი მახასიათებელია ენერგიის სიმკვრივე, საიმედოობა და უსაფრთხოება. ამჟამად წარმოებული აკუმულატორები მოიცავს ამ თვისებების ფართო სპექტრს და, გამოყენებული მასალების გათვალისწინებით, აქვთ სპეციფიკური ენერგიის დიაპაზონი 100-დან 265 ვტ / კგ-მდე (და ენერგიის სიმკვრივე 400-დან 700 ვტ / ლ-მდე). ამ მხრივ საუკეთესოა NCA ელემენტები და ყველაზე ცუდი LFP. ამასთან, მასალა მონეტის ერთი მხარეა. როგორც სპეციფიკური ენერგიის, ასევე ენერგიის სიმკვრივის გასაზრდელად, სხვადასხვა ნანოს სტრუქტურა გამოიყენება მეტი მასალის შესაწოვად და იონური ნაკადის უფრო მაღალი გამტარობის უზრუნველსაყოფად. იონების დიდი რაოდენობა, "შენახული" სტაბილურ ნაერთში და გამტარობა უფრო სწრაფი დატენვის წინაპირობაა და განვითარება მიმართულია ამ მიმართულებებით. ამავდროულად, ელემენტის დიზაინმა უნდა უზრუნველყოს დენის სიმძლავრისა და სიმძლავრის თანაფარდობა, რაც დამოკიდებულია დისკის ტიპზე. მაგალითად, დანამატის ჰიბრიდებს გაცილებით მაღალი სიმძლავრის და სიმძლავრის თანაფარდობა უნდა ჰქონდეთ. დღევანდელი მოვლენები კონცენტრირებულია ისეთ ელემენტებზე, როგორიცაა NCA (LiNiCoAlO2 კათოდური და გრაფიტული ანოდით) და NMC 811 (LiNiMnCoO2 კათოდური და გრაფიტის ანოდით). პირველი შეიცავს (ლითიუმის გარეთ) დაახლოებით 80% ნიკელს, 15% კობალტს და 5% ალუმინს და აქვს 200-250 ვტ / კგ ენერგიის სპეციფიკური ენერგია, რაც ნიშნავს, რომ მათ კრიტიკული კობალტის შედარებით შეზღუდული გამოყენება აქვთ და 1500 ციკლის სიცოცხლის ხანგრძლივობა აქვთ. ამგვარ ბატარეებს Tesla აწარმოებს Nevada– ს Gigafactory– ში. როდესაც იგი დაგეგმილ სრულ სიმძლავრეს მიაღწევს (2020 ან 2021 წელს, სიტუაციიდან გამომდინარე), ქარხანა აწარმოებს 35 გვტ / სთ ბატარეას, რაც საკმარისია 500 ავტომობილის ენერგიისთვის. ეს კიდევ უფრო შეამცირებს ბატარეების ღირებულებას.

NMC 811 ბატარეებს აქვთ ოდნავ დაბალი სპეციფიკური ენერგია (140-200 ვტ/კგ), მაგრამ აქვთ უფრო გრძელი სიცოცხლე, აღწევს 2000 სრულ ციკლს და შეიცავს 80% ნიკელს, 10% მანგანუმს და 10% კობალტს. ამჟამად, ბატარეის ყველა მწარმოებელი იყენებს ამ ორი ტიპის ერთ-ერთს. ერთადერთი გამონაკლისი არის ჩინური კომპანია BYD, რომელიც აწარმოებს LFP ბატარეებს. ამით აღჭურვილი მანქანები უფრო მძიმეა, მაგრამ მათ კობალტი არ სჭირდებათ. NCA ბატარეები სასურველია ელექტრო მანქანებისთვის და NMC დანამატი ჰიბრიდებისთვის მათი შესაბამისი უპირატესობების გამო ენერგიის სიმკვრივისა და სიმძლავრის სიმკვრივის თვალსაზრისით. მაგალითებია ელექტრო e-Golf სიმძლავრის/ტევადობის თანაფარდობით 2,8 და დანამატი ჰიბრიდული Golf GTE 8,5 თანაფარდობით. ფასის შემცირების სახელით VW აპირებს გამოიყენოს ერთი და იგივე უჯრედები ყველა ტიპის აკუმულატორისთვის. და კიდევ ერთი რამ - რაც უფრო დიდია ბატარეის ტევადობა, მით ნაკლებია სრული განმუხტვის და დამუხტვის რაოდენობა და ეს ზრდის მის მომსახურების ხანგრძლივობას, შესაბამისად - რაც უფრო დიდია ბატარეა, მით უკეთესი. მეორე ეხება ჰიბრიდებს, როგორც პრობლემას.

ბაზრის ტენდენციები

ამჟამად, სატრანსპორტო მიზნებისთვის ბატარეებზე მოთხოვნა უკვე აღემატება მოთხოვნას ელექტრონულ პროდუქტებზე. ჯერ კიდევ ვარაუდობენ, რომ 2020 წლისთვის მსოფლიოში წელიწადში 1,5 მილიონი ელექტრო მანქანა გაიყიდება, რაც ხელს შეუწყობს ბატარეების ღირებულების შემცირებას. 2010 წელს ლითიუმ-იონური უჯრედის 1 კვტ/სთ ფასი დაახლოებით 900 ევრო იყო, ახლა კი 200 ევროზე ნაკლებია. მთელი ბატარეის ღირებულების 25% არის კათოდი, 8% ანოდი, გამყოფი და ელექტროლიტი, 16% ყველა სხვა ბატარეის ელემენტისთვის და 35% ბატარეის მთლიანი დიზაინისთვის. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ლითიუმ-იონური უჯრედები წვლილი შეაქვს 65 პროცენტით ბატარეის ღირებულებაში. Tesla-ს სავარაუდო ფასები 2020 წლისთვის, როდესაც Gigafactory 1 შევა მომსახურებაში, არის დაახლოებით 300 €/კვტ/სთ NCA ბატარეებისთვის და ფასში შედის მზა პროდუქტი გარკვეული საშუალო დღგ-ით და გარანტიით. ჯერ კიდევ საკმაოდ მაღალი ფასია, რომელიც დროთა განმავლობაში კლებას გააგრძელებს.

ლითიუმის ძირითადი მარაგი გვხვდება არგენტინაში, ბოლივიაში, ჩილეში, ჩინეთში, აშშ-ში, ავსტრალიაში, კანადაში, რუსეთში, კონგოსა და სერბეთში, რომელთა უმრავლესობა ამჟამად დანაღმულია გამხმარი ტბებიდან. რაც უფრო და უფრო მეტი ბატარეა გროვდება, ძველი ბატარეებიდან გადამუშავებული მასალების ბაზარი გაიზრდება. ამასთან, უფრო მნიშვნელოვანია კობალტის პრობლემა, რომელიც, მართალია, დიდი რაოდენობითაა, მაგრამ მოიპოვება, როგორც დამატებითი პროდუქტი ნიკელისა და სპილენძის წარმოებაში. კობალტის მოპოვება ხდება, მიუხედავად ნიადაგში დაბალი კონცენტრაციისა, კონგოში (რომელსაც აქვს ყველაზე დიდი მარაგი), მაგრამ იმ პირობებში, რომლებიც ეთიკას, ზნეობას და გარემოს დაცვას ეწინააღმდეგება.

მაღალტექნოლოგიური

გასათვალისწინებელია, რომ უახლოესი მომავლის პერსპექტივად მიღებული ტექნოლოგიები სინამდვილეში არსებითად ახალი არ არის, მაგრამ წარმოადგენს ლითიუმ-იონის ვარიანტებს. ეს არის, მაგალითად, მყარი სახელმწიფო ბატარეები, რომლებიც იყენებენ მყარ ელექტროლიტს თხევადი (ან გელი ლითიუმის პოლიმერულ ბატარეებში) ნაცვლად. ეს ხსნარი უზრუნველყოფს ელექტროდების უფრო სტაბილურ დიზაინს, რაც არღვევს მათ მთლიანობას, შესაბამისად, მაღალი დენის დატვირთვით. მაღალი ტემპერატურა და მაღალი დატვირთვა. ამან შეიძლება გაზარდოს დამუხტვის მიმდინარეობა, ელექტროდის სიმკვრივე და ტევადობა. მყარი კვების ელემენტები ჯერ კიდევ განვითარების ძალიან ადრეულ ეტაპზეა და სავარაუდოდ მასობრივი წარმოება არ მოხდება ათწლეულის შუა რიცხვებამდე.

ამსტერდამში BMW ინოვაციური ტექნოლოგიების კონკურსის 2017 წლის BMW– ს ერთ-ერთი ჯილდოს მფლობელი იყო ბატარეაზე მომუშავე კომპანია, რომლის სილიციუმის ანოდი ზრდის ენერგიის სიმკვრივეს. ინჟინრები მუშაობენ სხვადასხვა ნანოტექნოლოგიებზე, რათა უზრუნველყონ უფრო დიდი სიმკვრივე და სიმტკიცე როგორც ანოდის, ისე კათოდის მასალისთვის, ხოლო ერთი გამოსავალი არის გრაფინის გამოყენება. გრაფიტის ეს მიკროსკოპული ფენები ერთი ატომის სისქით და ექვსკუთხა ატომური სტრუქტურით არის ერთ -ერთი ყველაზე პერსპექტიული მასალა. ბატარეის უჯრედის მწარმოებლის Samsung SDI- ს მიერ შემუშავებული "გრაფინის ბურთულები", ინტეგრირებული კათოდისა და ანოდის სტრუქტურაში, უზრუნველყოფს მასალის უფრო მაღალ სიმტკიცეს, გამტარიანობას და სიმკვრივეს და შესაბამისი მოცულობის ზრდას დაახლოებით 45% -ით და ხუთჯერ უფრო სწრაფად დატენვის დროს. ეს ტექნოლოგიები შეუძლია მიიღოს ყველაზე ძლიერი იმპულსი ფორმულა E- ს მანქანებიდან, რომელიც შესაძლოა პირველი იყოს აღჭურვილი ასეთი ბატარეებით.

მოთამაშეები ამ ეტაპზე

ძირითადი მოთამაშეები, როგორც Tier 123 და Tier 2020 მომწოდებლები, ანუ უჯრედების და ბატარეების მწარმოებლები, არიან იაპონია (Panasonic, Sony, GS Yuasa და Hitachi Vehicle Energy), კორეა (LG Chem, Samsung, Kokam და SK Innovation), ჩინეთი (BYD Company) . , ATL და Lishen) და აშშ (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel და Valence Technology). მობილური ტელეფონების მთავარი მომწოდებლები ამჟამად არიან LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (კორეა), AESC (იაპონია), BYD (ჩინეთი) და CATL (ჩინეთი), რომელთაც ბაზრის წილი ორი მესამედია. ევროპაში ამ ეტაპზე მათ მხოლოდ BMZ Group გერმანიიდან და Northvolth შვედეთიდან ეწინააღმდეგებიან. XNUMX წელს Tesla-ს გიგაქარხნის ამოქმედებით, ეს პროპორცია შეიცვლება - ამერიკულ კომპანიას დაეკისრება მსოფლიო ლითიუმ-იონური უჯრედების წარმოების XNUMX%. კომპანიებმა, როგორიცაა Daimler და BMW, უკვე გააფორმეს კონტრაქტები ზოგიერთ ამ კომპანიასთან, როგორიცაა CATL, რომელიც აშენებს ქარხანას ევროპაში.

ახალი კომენტარის დამატება