Car trydan ddoe, heddiw, yfory: rhan 3

Mae'r term "batris lithiwm-ion" yn cuddio amrywiaeth eang o dechnolegau.

Mae un peth yn sicr - cyn belled â bod electrocemeg lithiwm-ion yn aros yn ddigyfnewid yn hyn o beth. Ni all unrhyw dechnoleg storio ynni electrocemegol arall gystadlu â lithiwm-ion. Y pwynt, fodd bynnag, yw bod yna wahanol ddyluniadau sy'n defnyddio gwahanol ddeunyddiau ar gyfer y catod, anod a'r electrolyte, ac mae gan bob un ohonynt fanteision gwahanol o ran gwydnwch (nifer y cylchoedd gwefru a rhyddhau hyd at gapasiti gweddilliol a ganiateir ar gyfer cerbydau trydan o 80%), kWh/kg pŵer penodol, pris ewro/kg neu gymhareb pŵer i bŵer.

Yn ôl mewn amser

Y posibilrwydd o gynnal prosesau electrocemegol yn yr hyn a elwir. Daw celloedd lithiwm-ion o wahanu protonau lithiwm ac electronau o'r gyffordd lithiwm yn y catod wrth godi tâl. Mae'r atom lithiwm yn rhoi un o'i dri electron yn hawdd, ond am yr un rheswm mae'n adweithiol iawn a rhaid ei ynysu o aer a dŵr. Yn y ffynhonnell foltedd, mae'r electronau'n dechrau symud ar hyd eu cylched, ac mae'r ïonau'n cael eu cyfeirio at yr anod carbon-lithiwm ac, wrth fynd trwy'r bilen, wedi'u cysylltu ag ef. Yn ystod y gollyngiad, mae'r symudiad gwrthdro yn digwydd - mae'r ïonau'n dychwelyd i'r catod, ac mae'r electronau, yn eu tro, yn mynd trwy'r llwyth trydanol allanol. Fodd bynnag, mae codi tâl cyfredol uchel cyflym a rhyddhau llawn yn arwain at ffurfio cysylltiadau gwydn newydd, sy'n lleihau neu hyd yn oed yn atal swyddogaeth y batri. Mae'r syniad y tu ôl i ddefnyddio lithiwm fel rhoddwr gronynnau yn deillio o'r ffaith mai dyma'r metel ysgafnaf a gall ryddhau protonau ac electronau yn hawdd o dan yr amodau cywir. Fodd bynnag, mae gwyddonwyr yn rhoi'r gorau i ddefnyddio lithiwm pur yn gyflym oherwydd ei anweddolrwydd uchel, ei allu i fondio ag aer, ac am resymau diogelwch.

Crëwyd y batri lithiwm-ion cyntaf yn y 1970au gan Michael Whittingham, a ddefnyddiodd lithiwm pur a thitaniwm sylffid fel electrodau. Ni ddefnyddir yr electrocemeg hon mwyach, ond mewn gwirionedd mae'n gosod y sylfeini ar gyfer batris lithiwm-ion. Yn y 1970au, dangosodd Samar Basu y gallu i amsugno ïonau lithiwm o graffit, ond oherwydd profiad yr amser, roedd batris yn hunan-ddinistrio'n gyflym wrth eu gwefru a'u gollwng. Yn yr 1980au, dechreuodd datblygiad dwys ddod o hyd i gyfansoddion lithiwm addas ar gyfer y catod ac anod batris, a daeth y datblygiad go iawn ym 1991.

NCA, celloedd lithiwm NCM ... beth mae hyn yn ei olygu mewn gwirionedd?

Ar ôl arbrofi gyda chyfansoddion lithiwm amrywiol ym 1991, coronwyd ymdrechion gwyddonwyr â llwyddiant - dechreuodd Sony gynhyrchu màs o batris lithiwm-ion. Ar hyn o bryd, mae gan fatris o'r math hwn y pŵer allbwn a'r dwysedd ynni uchaf, ac yn bwysicaf oll, potensial sylweddol ar gyfer datblygu. Yn dibynnu ar ofynion batri, mae cwmnïau'n troi at wahanol gyfansoddion lithiwm fel y deunydd catod. Mae'r rhain yn lithiwm cobalt ocsid (LCO), cyfansoddion gyda nicel, cobalt ac alwminiwm (NCA) neu gyda nicel, cobalt a manganîs (NCM), ffosffad haearn lithiwm (LFP), spinel lithiwm manganîs (LMS), lithiwm titaniwm ocsid (LTO) ac eraill. Mae'r electrolyte yn gymysgedd o halwynau lithiwm a thoddyddion organig ac mae'n arbennig o bwysig ar gyfer "symudedd" ïonau lithiwm, ac mae'r gwahanydd, sy'n gyfrifol am atal cylchedau byr trwy fod yn athraidd i ïonau lithiwm, fel arfer yn polyethylen neu polypropylen.

Pwer allbwn, gallu, neu'r ddau

Nodweddion pwysicaf batris yw dwysedd ynni, dibynadwyedd a diogelwch. Mae'r batris a gynhyrchir ar hyn o bryd yn cwmpasu ystod eang o'r rhinweddau hyn ac, yn dibynnu ar y deunyddiau a ddefnyddir, mae ganddynt ystod ynni benodol o 100 i 265 W / kg (a dwysedd ynni o 400 i 700 W / L). Y gorau yn hyn o beth yw'r batris NCA a'r LFP gwaethaf. Fodd bynnag, mae'r deunydd yn un ochr i'r geiniog. Er mwyn cynyddu dwysedd ynni ac egni penodol, defnyddir nanostrwythurau amrywiol i amsugno mwy o ddeunydd a darparu dargludedd uwch o'r llif ïon. Mae nifer fawr o ïonau, "wedi'u storio" mewn cyfansoddyn sefydlog, a dargludedd yn rhagofynion ar gyfer gwefru'n gyflymach, a chyfeirir datblygiad i'r cyfarwyddiadau hyn. Ar yr un pryd, rhaid i ddyluniad y batri ddarparu'r gymhareb pŵer-i-gapasiti ofynnol yn dibynnu ar y math o yrru. Er enghraifft, mae angen cymhareb pŵer-i-gapasiti llawer uwch ar hybridau plug-in am resymau amlwg. Mae datblygiadau heddiw yn canolbwyntio ar fatris fel NCA (LiNiCoAlO2 gydag anod catod a graffit) ac NMC 811 (LiNiMnCoO2 gydag anod catod a graffit). Mae'r cyntaf yn cynnwys (y tu allan i lithiwm) tua 80% nicel, 15% cobalt a 5% alwminiwm ac mae ganddynt egni penodol o 200-250 W / kg, sy'n golygu bod ganddynt ddefnydd cymharol gyfyngedig o cobalt critigol a bywyd gwasanaeth o hyd at 1500 o gylchoedd. Bydd batris o'r fath yn cael eu cynhyrchu gan Tesla yn ei Gigafactory yn Nevada. Pan fydd yn cyrraedd ei allu llawn arfaethedig (yn 2020 neu 2021, yn dibynnu ar y sefyllfa), bydd y planhigyn yn cynhyrchu 35 GWh o fatris, digon i bweru 500 o gerbydau. Bydd hyn yn lleihau cost y batris ymhellach.

Mae gan fatris NMC 811 egni penodol ychydig yn is (140-200W / kg) ond mae ganddynt fywyd hirach, gan gyrraedd 2000 o gylchoedd llawn, ac maent yn 80% nicel, 10% manganîs a 10% cobalt. Ar hyn o bryd, mae pob gwneuthurwr batri yn defnyddio un o'r ddau fath hyn. Yr unig eithriad yw'r cwmni Tsieineaidd BYD, sy'n gwneud batris LFP. Mae ceir sydd â chyfarpar iddynt yn drymach, ond nid oes angen cobalt arnynt. Mae batris NCA yn cael eu ffafrio ar gyfer cerbydau trydan a NMC ar gyfer hybridau plygio i mewn oherwydd eu manteision priodol o ran dwysedd ynni a dwysedd pŵer. Enghreifftiau yw'r e-Golff trydan gyda chymhareb pŵer/capasiti o 2,8 a'r Golf GTE hybrid plug-in gyda chymhareb o 8,5. Yn enw gostwng y pris, mae VW yn bwriadu defnyddio'r un celloedd ar gyfer pob math o batris. Ac un peth arall - po fwyaf yw gallu'r batri, y lleiaf yw nifer y gollyngiadau a thaliadau llawn, ac mae hyn yn cynyddu ei fywyd gwasanaeth, felly - po fwyaf yw'r batri, gorau oll. Mae'r ail yn ymwneud â hybridau fel problem.

Tueddiadau'r farchnad

Ar hyn o bryd, mae'r galw am batris at ddibenion cludo eisoes yn fwy na'r galw am gynhyrchion electronig. Rhagwelir y bydd 2020 miliwn o gerbydau trydan y flwyddyn yn cael eu gwerthu yn fyd-eang erbyn 1,5, a fydd yn helpu i leihau cost batris. Yn 2010, roedd pris 1 kWh o gell lithiwm-ion tua 900 ewro, ac erbyn hyn mae'n llai na 200 ewro. Mae 25% o gost y batri cyfan ar gyfer y catod, 8% ar gyfer yr anod, gwahanydd ac electrolyt, 16% ar gyfer pob cell batri arall a 35% ar gyfer dyluniad cyffredinol y batri. Mewn geiriau eraill, mae celloedd lithiwm-ion yn cyfrannu 65 y cant at gost batri. Amcangyfrifir bod prisiau Tesla ar gyfer 2020 pan fydd Gigafactory 1 yn dod i mewn i wasanaeth tua 300 € / kWh ar gyfer batris NCA ac mae'r pris yn cynnwys y cynnyrch gorffenedig gyda rhywfaint o TAW a gwarant cyfartalog. Yn dal i fod yn bris eithaf uchel, a fydd yn parhau i ostwng dros amser.

Mae prif gronfeydd wrth gefn lithiwm i'w cael yn yr Ariannin, Bolivia, Chile, China, UDA, Awstralia, Canada, Rwsia, Congo a Serbia, gyda'r mwyafrif helaeth yn cael eu cloddio o lynnoedd sych ar hyn o bryd. Wrth i fwy a mwy o fatris gronni, bydd y farchnad ar gyfer deunyddiau sy'n cael eu hailgylchu o hen fatris yn cynyddu. Yn bwysicach, fodd bynnag, yw problem cobalt, sydd, er ei fod yn bresennol mewn symiau mawr, yn cael ei gloddio fel sgil-gynnyrch wrth gynhyrchu nicel a chopr. Mae cobalt yn cael ei gloddio, er gwaethaf ei grynodiad isel yn y pridd, yn Congo (sydd â'r cronfeydd wrth gefn mwyaf sydd ar gael), ond o dan amodau sy'n herio moeseg, moesoldeb a diogelu'r amgylchedd.

Technoleg uwch

Dylid cofio nad yw'r technolegau a dderbynnir fel gobaith ar gyfer y dyfodol agos mewn gwirionedd yn sylfaenol newydd, ond eu bod yn opsiynau lithiwm-ion. Batris cyflwr solid yw'r rhain, er enghraifft, sy'n defnyddio electrolyt solid yn lle hylif (neu gel mewn batris polymer lithiwm). Mae'r datrysiad hwn yn darparu dyluniad mwy sefydlog o'r electrodau, sy'n torri eu cyfanrwydd pan fyddant yn cael eu cyhuddo o gerrynt uchel, yn y drefn honno. tymheredd uchel a llwyth uchel. Gall hyn gynyddu cerrynt gwefru, dwysedd electrod a chynhwysedd. Mae batris cyflwr solid yn dal i fod yn gynnar iawn yn eu datblygiad ac yn annhebygol o daro cynhyrchu màs tan ganol y degawd.

Un o'r cychwyniadau arobryn yng Nghystadleuaeth Technoleg Arloesi BMW 2017 yn Amsterdam oedd cwmni pŵer batri y mae ei anod silicon yn cynyddu dwysedd ynni. Mae peirianwyr yn gweithio ar amrywiol nanotechnoleg i ddarparu mwy o ddwysedd a chryfder i'r deunydd anod a chatod, ac un ateb yw defnyddio graphene. Mae'r haenau microsgopig hyn o graffit gyda thrwch atom sengl a strwythur atomig hecsagonol yn un o'r deunyddiau mwyaf addawol. Mae'r "peli graphene" a ddatblygwyd gan y gwneuthurwr celloedd batri Samsung SDI, wedi'u hintegreiddio i'r strwythur catod ac anod, yn darparu cryfder uwch, athreiddedd a dwysedd y deunydd a chynnydd cyfatebol mewn capasiti o tua 45% a phum gwaith yn gyflymach o amser gwefru. Mae'r technolegau hyn. yn gallu derbyn yr ysgogiad cryfaf o geir Fformiwla E, a allai fod y cyntaf i gael batris o'r fath.

Chwaraewyr ar hyn o bryd

Y prif chwaraewyr fel cyflenwyr Haen 123 a Haen 2020, h.y. gweithgynhyrchwyr celloedd a batri, yw Japan (Panasonic, Sony, GS Yuasa a Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam a SK Innovation), Tsieina (BYD Company) . , ATL a Lishen) ac UDA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel a Valence Technology). Ar hyn o bryd, prif gyflenwyr ffonau symudol yw LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Japan), BYD (Tsieina) a CATL (Tsieina), sydd â chyfran o'r farchnad o ddwy ran o dair. Ar yr adeg hon yn Ewrop, dim ond BMZ Group o'r Almaen a Northvolth o Sweden sy'n eu gwrthwynebu. Gyda lansiad Tesla's Gigafactory yn XNUMX, bydd y gyfran hon yn newid - bydd y cwmni Americanaidd yn cyfrif am XNUMX% o gynhyrchiad y byd o gelloedd lithiwm-ion. Mae cwmnïau fel Daimler a BMW eisoes wedi arwyddo cytundebau gyda rhai o’r cwmnïau hyn, fel CATL, sy’n adeiladu ffatri yn Ewrop.