Rafbíll í gær, í dag, á morgun: 3. hluti

Hugtakið „litíumjónarafhlöður“ felur margs konar tækni.

Eitt er víst - svo lengi sem litíumjóna rafefnafræði helst óbreytt í þessu sambandi. Engin önnur rafefnafræðileg orkugeymslutækni getur keppt við litíumjón. Aðalatriðið er hins vegar að það eru mismunandi hönnun sem nota mismunandi efni fyrir bakskaut, rafskaut og raflausn, sem hvert um sig hefur mismunandi kosti hvað varðar endingu (fjöldi hleðslu og afhleðslulota upp að leyfilegri afgangsgetu fyrir rafbíla upp á 80%), tiltekið afl kWh/kg, verð evru/kg eða afl/afl hlutfall.

Aftur í tíma

Möguleikinn á að framkvæma rafefnafræðileg ferli í svokölluðu. Litíumjónafrumur koma frá aðskilnaði litíumróteinda og rafeinda frá litíummótum við bakskautið meðan á hleðslu stendur. Lithium atómið gefur auðveldlega eina af þremur rafeindum sínum, en af ​​sömu ástæðu er það mjög hvarfgjarnt og verður að vera einangrað frá lofti og vatni. Í spennugjafanum byrja rafeindirnar að hreyfast eftir hringrás sinni og jónunum er beint að kolefnis-litíum rafskautinu og í gegnum himnuna eru þær tengdar við það. Meðan á losuninni stendur á sér stað öfug hreyfing - jónirnar fara aftur í bakskautið og rafeindirnar fara aftur í gegnum ytra rafmagnsálagið. Hröð hástraumshleðsla og full afhleðsla hefur hins vegar í för með sér myndun nýrra endingargóðra tenginga, sem dregur úr eða jafnvel stöðvar virkni rafhlöðunnar. Hugmyndin að baki því að nota litíum sem agnagjafa stafar af því að það er léttasti málmur og getur auðveldlega losað róteindir og rafeindir við réttar aðstæður. Hins vegar eru vísindamenn fljótt að hætta að nota hreint litíum vegna mikillar sveiflur, getu þess til að tengjast lofti og af öryggisástæðum.

Fyrsta litíumjónarafhlöðan var búin til á áttunda áratugnum af Michael Whittingham, sem notaði hreint litíum og títansúlfíð sem rafskaut. Þessi rafefnafræði er ekki lengur notuð heldur leggur í raun grunninn að litíumjónarafhlöðum. Á áttunda áratugnum sýndi Samar Basu hæfileika til að taka upp litíumjón úr grafít, en þökk sé reynslu þess tíma, eyðilögðu rafhlöður fljótt sjálf þegar þær voru hlaðnar og tæmdar. Á níunda áratugnum hófst mikil þróun á því að finna viðeigandi litíumsambönd fyrir bakskaut og rafskaut rafskauta og raunveruleg bylting varð árið 1970.

NCA, NCM litíumfrumur ... hvað þýðir þetta eiginlega?

Eftir tilraunir með ýmis litíumsambönd árið 1991 var tilraunir vísindamanna krýndar með góðum árangri - Sony hóf fjöldaframleiðslu á litíumjónarafhlöðum. Eins og er, hafa rafhlöður af þessari gerð hæsta framleiðsla og orkuþéttleika, og síðast en ekki síst, verulega möguleika til þróunar. Það fer eftir rafhlöðukröfum, fyrirtæki eru að snúa sér að ýmsum litíumsamböndum sem bakskautsefni. Þetta eru litíum kóbalt oxíð (LCO), efnasambönd með nikkel, kóbalti og áli (NCA) eða með nikkel, kóbalti og mangan (NCM), litíum járn fosfat (LFP), litíum mangan spínel (LMS), litíum títan oxíð (LTO) og aðrir. Raflausnin er blanda af litíumsöltum og lífrænum leysum og er sérstaklega mikilvægur fyrir "hreyfanleika" litíumjóna, og skiljan, sem ber ábyrgð á að koma í veg fyrir skammhlaup með því að vera gegndræp fyrir litíumjónum, er yfirleitt pólýetýlen eða pólýprópýlen.

Afköst, afkastageta eða hvort tveggja

Mikilvægustu einkenni rafhlöður eru þéttleiki orku, áreiðanleiki og öryggi. Rafhlöður sem nú eru framleiddar ná yfir breitt svið af þessum eiginleikum og hafa, eftir því hvaða efni eru notuð, sérstakt orkusvið frá 100 til 265 W / kg (og orkuþéttleiki 400 til 700 W / L). Besta í þessu sambandi eru NCA rafhlöður og verstu LFP-skjölin. Hins vegar er efnið ein hlið myntsins. Til að auka bæði sértæka orku og orkuþéttleika eru ýmsar nanostrukturer notaðar til að taka upp meira efni og veita meiri leiðni jónstraumsins. Mikill fjöldi jóna, „geymdur“ í stöðugu efnasambandi og leiðni eru forsendur fyrir hraðari hleðslu og þróun beinist í þessar áttir. Á sama tíma verður rafhlöðuhönnunin að veita nauðsynlegt hlutfall af afli til afkastagetu, háð gerð drifsins. Til dæmis þurfa innbyggðar blendingar að hafa miklu hærra hlutfall af afli til afkastagetu af augljósum ástæðum. Þróun dagsins í dag er lögð áhersla á rafhlöður eins og NCA (LiNiCoAlO2 með bakskaut og grafít rafskautaverksmiðju) og NMC 811 (LiNiMnCoO2 með bakskaut og grafít rafskautaverksmiðju). Hið fyrra inniheldur (utan litíums) um 80% nikkel, 15% kóbalt og 5% ál og hefur sérstaka orku 200-250 W / kg, sem þýðir að þeir hafa tiltölulega takmarkaða notkun á mikilvægum kóbalti og endingartíma allt að 1500 lotur. Slíkar rafhlöður verða framleiddar af Tesla á Gigafactory í Nevada. Þegar það nær áætluðum fullum afköstum (árið 2020 eða 2021, allt eftir aðstæðum) mun framleiðslan framleiða 35 GWst rafhlöður, sem dugar til að knýja 500 ökutæki. Þetta mun draga enn frekar úr kostnaði við rafhlöðurnar.

NMC 811 rafhlöður hafa örlítið minni sértæka orku (140-200W/kg) en hafa lengri líftíma, ná 2000 heilum hringrásum og eru 80% nikkel, 10% mangan og 10% kóbalt. Sem stendur nota allir rafhlöðuframleiðendur eina af þessum tveimur gerðum. Eina undantekningin er kínverska fyrirtækið BYD, sem framleiðir LFP rafhlöður. Bílar sem eru búnir þeim eru þyngri en þeir þurfa ekki kóbalt. NCA rafhlöður eru ákjósanlegar fyrir rafknúin farartæki og NMC fyrir tengiltvinnbíla vegna eigin kosta þeirra hvað varðar orkuþéttleika og aflþéttleika. Sem dæmi má nefna rafknúna e-Golf með afl/getu hlutfallið 2,8 og tengitvinnbílinn Golf GTE með hlutfallið 8,5. Í nafni þess að lækka verðið ætlar VW að nota sömu klefana fyrir allar tegundir rafgeyma. Og eitt í viðbót - því stærri sem rafhlaðan er, því minni fjöldi afhleðinga og hleðslna er minni, og þetta eykur því endingartíma hennar - því stærri sem rafhlaðan er, því betra. Annað varðar blendinga sem vandamál.

Markaðsþróun

Sem stendur er eftirspurnin eftir rafhlöðum til flutninga nú þegar meiri en eftirspurn eftir rafeindavörum. Enn er spáð að 2020 milljónir rafbíla á ári verði seldar á heimsvísu árið 1,5, sem mun hjálpa til við að draga úr kostnaði við rafhlöður. Árið 2010 var verð á 1 kWst af litíumjónafrumu um 900 evrur og nú er það innan við 200 evrur. 25% af kostnaði allrar rafhlöðunnar er fyrir bakskaut, 8% fyrir rafskaut, skilju og raflausn, 16% fyrir allar aðrar rafhlöður og 35% fyrir heildar rafhlöðuhönnun. Með öðrum orðum, litíumjónafrumur leggja 65 prósent af kostnaði við rafhlöðu. Áætlað Tesla verð fyrir árið 2020 þegar Gigafactory 1 kemur í notkun er um 300 €/kWh fyrir NCA rafhlöður og verðið inniheldur fullunna vöru með nokkurri meðalvirðisaukaskatti og ábyrgð. Samt frekar hátt verð sem mun halda áfram að lækka með tímanum.

Helstu forða litíums er að finna í Argentínu, Bólivíu, Chile, Kína, Bandaríkjunum, Ástralíu, Kanada, Rússlandi, Kongó og Serbíu, en langflestir eru nú náðir úr þurrkuðum vötnum. Eftir því sem fleiri og fleiri rafhlöður safnast mun markaðurinn fyrir efni sem eru endurunnin úr gömlum rafhlöðum aukast. Mikilvægara er þó vandamálið á kóbalti sem, þó það sé í miklu magni, er anna sem aukaafurð við framleiðslu á nikkel og kopar. Kóbalt er anna, þrátt fyrir lítinn styrk í jarðveginum, í Kongó (sem er með stærsta forða sem til er), en við aðstæður sem skora á siðferði, siðferði og umhverfisvernd.

Hátækni

Hafa ber í huga að tæknin sem samþykkt er sem horfur í náinni framtíð eru í raun ekki í grundvallaratriðum ný, heldur eru litíumjónar valkostir. Þetta eru til dæmis fastbyggðar rafhlöður, sem nota fastan salta í stað vökva (eða hlaup í litíumfjölliða rafhlöður). Þessi lausn veitir stöðugri hönnun á rafskautunum, sem brýtur í bága við heiðarleika þeirra þegar hleðst er upp með háum straumi. hátt hitastig og mikið álag. Þetta getur aukið hleðslustraum, rafskautþéttleika og rafrýmd. Rafhlöður í föstu formi eru enn á mjög snemma þróunarstigs og ólíklegt að þær komi til fjöldaframleiðslu fyrr en á miðjum áratug.

Eitt af margverðlaunuðu sprotafyrirtækjunum í BMW Innovation Technology Competition 2017 í Amsterdam var rafknúið fyrirtæki þar sem kísilskautið bætir orkuþéttleika. Verkfræðingar vinna að ýmsum nanótækni til að veita efni bæði rafskauts og bakskauts meiri þéttleika og styrk og ein lausn er að nota grafen. Þessi smásjáarlög af grafít með einni atómþykkt og sexhyrndum atómbyggingu eru eitt efnilegasta efnið. "Grafenkúlurnar" þróaðar af rafhlöðufrumuframleiðandanum Samsung SDI, samþættar í bakskautið og rafskautabygginguna, veita meiri styrk, gegndræpi og þéttleika efnisins og samsvarandi aukningu á getu um 45% og fimm sinnum hraðari hleðslutíma. Þessi tækni getur fengið sterkustu hvatningu frá Formúlu E bílum, sem geta verið þeir fyrstu sem eru búnir slíkum rafhlöðum.

Leikmenn á þessu stigi

Helstu leikmenn sem Tier 123 og Tier 2020 birgja, þ.e. frumu- og rafhlöðuframleiðendur, eru Japan (Panasonic, Sony, GS Yuasa og Hitachi Vehicle Energy), Kórea (LG Chem, Samsung, Kokam og SK Innovation), Kína (BYD Company) . , ATL og Lishen) og Bandaríkjunum (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel og Valence Technology). Helstu birgjar farsíma eru sem stendur LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Kórea), AESC (Japan), BYD (Kína) og CATL (Kína), sem eru með tvo þriðju hluta markaðshlutdeildarinnar. Á þessu stigi í Evrópu eru þeir aðeins á móti BMZ Group frá Þýskalandi og Northvolth frá Svíþjóð. Með kynningu á Gigafactory Tesla árið XNUMX mun þetta hlutfall breytast - bandaríska fyrirtækið mun standa fyrir XNUMX% af framleiðslu heimsins á litíumjónafrumum. Fyrirtæki eins og Daimler og BMW hafa þegar skrifað undir samninga við nokkur þessara fyrirtækja eins og CATL sem er að byggja verksmiðju í Evrópu.