Elbil i går, i dag, i morgen: del 3

Udtrykket "lithium-ion-batterier" skjuler en lang række teknologier.

En ting er sikkert - så længe lithium-ion elektrokemi forbliver uændret i denne henseende. Ingen anden elektrokemisk energilagringsteknologi kan konkurrere med lithium-ion. Pointen er imidlertid, at der er forskellige designs, der bruger forskellige materialer til katoden, anoden og elektrolytten, som hver især har forskellige fordele med hensyn til holdbarhed (antallet af opladnings- og afladningscyklusser op til en tilladt restkapacitet for elektriske køretøjer på 80 %), specifik effekt kWh/kg, pris euro/kg eller effekt/effekt-forhold.

Tilbage i tiden

Muligheden for at udføre elektrokemiske processer i den såkaldte. Lithium-ion-celler kommer fra adskillelsen af ​​lithiumprotoner og elektroner fra lithiumforbindelsen ved katoden under opladning. Lithiumatomet donerer let en af ​​sine tre elektroner, men af ​​samme grund er det meget reaktivt og skal isoleres fra luft og vand. I spændingskilden begynder elektronerne at bevæge sig langs deres kredsløb, og ionerne ledes til carbon-lithium-anoden og er forbundet til den, der passerer gennem membranen. Under udladningen sker den omvendte bevægelse - ionerne vender tilbage til katoden, og elektronerne passerer igen gennem den eksterne elektriske belastning. Hurtig højstrømsopladning og fuld afladning resulterer dog i dannelsen af ​​nye holdbare forbindelser, som reducerer eller endda stopper batteriets funktion. Idéen bag at bruge lithium som partikeldonor udspringer af, at det er det letteste metal og nemt kan frigive protoner og elektroner under de rette forhold. Forskere opgiver dog hurtigt brugen af ​​rent lithium på grund af dets høje flygtighed, dets evne til at binde sig til luft og af sikkerhedsmæssige årsager.

Det første lithium-ion-batteri blev skabt i 1970'erne af Michael Whittingham, der brugte rent lithium og titaniumsulfid som elektroder. Denne elektrokemi bruges ikke længere, men lægger faktisk grundlaget for lithium-ion-batterier. I 1970'erne demonstrerede Samar Basu evnen til at absorbere lithium-ioner fra grafit, men på grund af tidens erfaringer blev batterier hurtigt selvdestruerede, når de blev opladet og afladet. I 1980'erne begyndte en intensiv udvikling for at finde egnede lithiumforbindelser til katoden og anoden på batterier, og det virkelige gennembrud kom i 1991.

NCA, NCM lithiumceller... hvad betyder det egentlig?

Efter at have eksperimenteret med forskellige lithiumforbindelser i 1991, blev videnskabsmænds indsats kronet med succes - Sony begyndte masseproduktion af lithium-ion-batterier. I øjeblikket har batterier af denne type den højeste udgangseffekt og energitæthed, og vigtigst af alt, et betydeligt potentiale for udvikling. Afhængigt af batterikrav henvender virksomheder sig til forskellige lithiumforbindelser som katodemateriale. Disse er lithium cobalt oxide (LCO), forbindelser med nikkel, cobalt og aluminium (NCA) eller med nikkel, cobalt og mangan (NCM), lithium iron phosphate (LFP), lithium mangan spinel (LMS), lithium titanium oxide (LTO) og andre. Elektrolytten er en blanding af lithiumsalte og organiske opløsningsmidler og er især vigtig for lithiumioners "mobilitet", og separatoren, som er ansvarlig for at forhindre kortslutninger ved at være permeabel for lithiumioner, er normalt polyethylen eller polypropylen.

Udgangseffekt, kapacitans eller begge dele

De vigtigste egenskaber ved batterier er specifik energi, pålidelighed og sikkerhed. Batterier, der i øjeblikket produceres, dækker en lang række af disse kvaliteter og har, afhængigt af de anvendte materialer, et specifikt energiområde på 100 til 265 W/kg (og en energitæthed på 400 til 700 W/L). Det bedste i denne henseende er NCA-batterierne og de værste LFP'er. Materialet er dog den ene side af medaljen. For at øge både specifik energi og energitæthed, bruges forskellige nanostrukturer til at absorbere mere materiale og give en højere ledningsevne af ionstrømmen. Et stort antal ioner "lagret" i en stabil forbindelse og ledningsevne er forudsætninger for hurtigere opladning, og udviklingen er rettet i disse retninger. Samtidig skal batteriets design give det nødvendige forhold mellem effekt og kapacitet, afhængigt af drevtypen. For eksempel skal plug-in hybrider have et meget højere forhold mellem effekt og kapacitet af indlysende årsager. Den nuværende udvikling er fokuseret på NCA (LiNiCoAlO2 med katode og grafit anode) og NMC 811 (LiNiMnCoO2 med katode og grafit anode) batterier. Førstnævnte indeholder (uden for lithium) omkring 80 % nikkel, 15 % kobolt og 5 % aluminium og har en specifik energi på 200-250 W/kg, hvilket betyder, at de har et relativt begrænset forbrug af kritisk kobolt og en levetid på op til 1500 cyklusser. Sådanne batterier vil blive produceret af Tesla på sin Gigafactory i Nevada. Når det når sin planlagte fulde kapacitet (i 2020 eller 2021, afhængig af situationen), vil anlægget producere 35 GWh batterier, nok til at drive 500 køretøjer. Dette vil yderligere reducere omkostningerne til batterier.

NMC 811 batterier har en lidt lavere specifik energi (140-200W/kg), men har en længere levetid, når 2000 fulde cyklusser, og er 80% nikkel, 10% mangan og 10% kobolt. I øjeblikket bruger alle batteriproducenter en af ​​disse to typer. Den eneste undtagelse er det kinesiske firma BYD, som laver LFP-batterier. Biler udstyret med dem er tungere, men de behøver ikke kobolt. NCA-batterier foretrækkes til elektriske køretøjer og NMC til plug-in-hybrider på grund af deres respektive fordele med hensyn til energitæthed og effekttæthed. Eksempler er den elektriske e-Golf med et effekt/kapacitetsforhold på 2,8 og plug-in hybrid Golf GTE med et forhold på 8,5. For at sænke prisen har VW tænkt sig at bruge de samme celler til alle typer batterier. Og en ting mere - jo større kapacitet batteriet er, jo mindre er antallet af fulde afladninger og opladninger, og dette øger derfor dets levetid - jo større batteriet er, jo bedre. Den anden vedrører hybrider som et problem.

Markedstendenser

På nuværende tidspunkt overstiger efterspørgslen efter batterier til transportformål allerede efterspørgslen efter elektroniske produkter. Det forventes stadig, at 2020 millioner elbiler om året vil blive solgt globalt i 1,5, hvilket vil hjælpe med at reducere omkostningerne til batterier. I 2010 var prisen på 1 kWh af en lithium-ion-celle omkring 900 euro, og nu er den mindre end 200 euro. 25 % af prisen på hele batteriet er til katoden, 8 % til anode, separator og elektrolyt, 16 % til alle andre battericeller og 35 % til det overordnede batteridesign. Med andre ord bidrager lithium-ion-celler med 65 procent til prisen på et batteri. Estimerede Tesla-priser for 2020, når Gigafactory 1 går i drift, er omkring 300 €/kWh for NCA-batterier, og prisen inkluderer det færdige produkt med en vis gennemsnitlig moms og garanti. Stadig en ret høj pris, som vil fortsætte med at falde over tid.

De største reserver af lithium findes i Argentina, Bolivia, Chile, Kina, USA, Australien, Canada, Rusland, Congo og Serbien, hvor langt størstedelen i øjeblikket udvindes fra tørre søer. Med ophobningen af ​​flere og flere batterier vil markedet for materialer genanvendt fra gamle batterier stige. Vigtigere er imidlertid problemet med kobolt, som, selv om det findes i store mængder, udvindes som et biprodukt fra produktionen af ​​nikkel og kobber. Udvinding af kobolt, på trods af dens lave koncentration i jorden, foregår i Congo (som har de største tilgængelige reserver), men under forhold, der sætter spørgsmålstegn ved etik, moral og miljøbeskyttelse.

Avanceret teknologi

Man skal huske på, at de teknologier, der tages i brug som et nær fremtidsperspektiv, faktisk ikke er grundlæggende nye, men er lithium-ion-varianter. Det er for eksempel solid-state batterier, som bruger en fast elektrolyt (eller gel i lithium polymer batterier) i stedet for væske. Denne løsning giver et mere stabilt design af elektroderne, som bryder deres integritet ved henholdsvis opladning med høj strøm. høj temperatur og høj belastning. Dette kan øge ladestrømmen, elektrodetætheden og kapaciteten. Solid-state batterier er stadig på et meget tidligt udviklingsstadium og vil sandsynligvis ikke komme i masseproduktion før midten af ​​årtiet.

En af de prisvindende startups ved 2017 BMW Innovation Technology Competition i Amsterdam var et batteridrevet firma, hvis siliciumanode giver mulighed for højere energitæthed. Ingeniører arbejder på forskellige nanoteknologier for at gøre både anode- og katodematerialerne mere tætte og stærke, og en løsning er at bruge grafen. Disse mikroskopiske lag af grafit med en tykkelse på et atom og en sekskantet atomstruktur er et af de mest lovende materialer. Udviklet af battericelleproducenten Samsung SDI "grafenkugler" integreret i katode- og anodestrukturen, giver højere styrke, permeabilitet og materialetæthed og en tilsvarende forøgelse af kapaciteten med omkring 45% og fem gange kortere opladningstid Disse teknologier kan få den stærkeste boost fra Formel E-biler, som måske er de første, der er udstyret med sådanne batterier.

Spillere på dette tidspunkt

De vigtigste aktører som Tier 123 og Tier 2020 leverandører, dvs. celle- og batteriproducenter, er Japan (Panasonic, Sony, GS Yuasa og Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam og SK Innovation), Kina (BYD Company) . , ATL og Lishen) og USA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel og Valence Technology). De vigtigste leverandører af mobiltelefoner er i øjeblikket LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Japan), BYD (Kina) og CATL (Kina), som har en markedsandel på to tredjedele. På nuværende tidspunkt i Europa er de kun imod af BMZ Group fra Tyskland og Northvolth fra Sverige. Med lanceringen af ​​Teslas Gigafactory i XNUMX vil denne andel ændre sig – det amerikanske selskab vil stå for XNUMX % af verdens produktion af lithium-ion-celler. Virksomheder som Daimler og BMW har allerede underskrevet kontrakter med nogle af disse virksomheder, såsom CATL, der bygger en fabrik i Europa.