Електромобіль вчора, сьогодні, завтра: частина 3

За терміном «літій-іонні акумулятори» ховається велика різноманітність технологій.

Одне можна сказати напевно - поки літій-іонна електрохімія залишається незмінною щодо цього. Жодна інша технологія зберігання електрохімічної енергії не може конкурувати з літій-іонною. Справа, однак, у тому, що існують різні розробки, в яких використовуються різні матеріали для катода, анода та електроліту, кожен з яких має різні переваги з точки зору довговічності (кількість циклів зарядки та розрядки до допустимої залишкової ємності для електромобілів 80%), питома потужність кВтг/кг, ціна євро/кг або відношення потужності до потужності.

Назад в часі

Можливість проведення електрохімічних процесів у т.зв. Літій-іонні елементи відбуваються через відокремлення протонів і електронів літію від з'єднання літію на катоді під час заряджання. Атом літію легко віддає один із трьох своїх електронів, але з тієї ж причини він має високу реакційну здатність і повинен бути ізольований від повітря та води. У джерелі напруги електрони починають рухатися своїм ланцюгом, і іони прямують на вуглецево-літієвий анод і, проходячи через мембрану, з'єднуються з ним. При розряді відбувається зворотний рух - іони повертаються до катода, а електрони у свою чергу проходять через зовнішнє електричне навантаження. Однак швидка сильноточна зарядка та повна розрядка призводять до утворення нових довговічних з'єднань, що знижує і навіть припиняє функції акумулятора. Ідея використання літію як донора частинок пов'язана з тим, що він є найлегшим металом і може легко вивільняти протони та електрони за правильних умов. Тим не менш, вчені швидко відмовляються від можливості використання чистого літію через його високу летючість, його здатність зв'язуватися з повітрям та з міркувань безпеки.

Перша літій-іонна батарея була створена в 1970-х роках Майклом Уіттінгемом, який використовував в якості електродів чистий літій і сульфід титану. Ця електрохімія більше не використовується, але фактично закладає основи для літій-іонних батарей. У 1970-х роках Самар Басу продемонстрував здатність поглинати іони літію з графіту, але, завдяки досвіду того часу, батареї швидко самознищувалися при зарядці і розрядці. У 1980-х роках почалися інтенсивні розробки, щоб знайти підходящі з'єднання літію для катода і анода батарей, і справжній прорив стався в 1991 році.

NCA, NCM літієві елементи ... що це насправді означає?

Після експериментів з різними сполуками літію у 1991 році зусилля вчених увінчалися успіхом – Sony розпочала масове виробництво літій-іонних акумуляторів. В даний час акумулятори цього типу мають найбільшу вихідну потужність та щільність енергії, а головне – значний потенціал для розвитку. Залежно від вимог до батарей компанії звертаються до різних сполук літію як матеріал катода. Це оксид літію-кобальту (LCO), сполуки з нікелем, кобальтом і алюмінієм (NCA) або з нікелем, кобальтом та марганцем (NCM), літій-фосфат заліза (LFP), літій-марганцева шпинель (LMS), літій-титан оксид (LTO) та інші. Електроліт є сумішшю солей літію та органічних розчинників і особливо важливий для «рухливості» іонів літію, а сепаратор, який відповідає за запобігання коротким замиканням, будучи проникним для іонів літію, зазвичай являє собою поліетилен або поліпропілен.

Вихідна потужність, ємність або обидва

Найбільш важливими характеристиками батарей є питома енергія, надійність і безпеку. Продукція, що в даний час батареї охоплюють широкий спектр цих якостей і, в залежності від використовуваних матеріалів, мають питому енергетичний діапазон від 100 до 265 Вт / кг (і щільність енергії від 400 до 700 Вт / л). Кращими в цьому відношенні є батареї NCA і гірші LFP. Проте, матеріал є однією стороною медалі. Щоб збільшити як питому енергію, так і щільність енергії, використовуються різні наноструктури, щоб поглинути більше матеріалу і забезпечити більш високу провідність потоку іонів. Велика кількість іонів, «що зберігаються» в стабільному з'єднанні, і провідність є передумовами для більш швидкої зарядки, і розвиток направлено в ці напрямки. У той же час конструкція батареї повинна забезпечувати необхідне співвідношення потужності до ємності в залежності від типу приводу. Наприклад, що підключаються гібриди повинні мати набагато більш високе відношення потужності до ємності з очевидних причин. Сьогоднішні розробки зосереджені на батареях типу NCA (LiNiCoAlO2 з катодом і графітовим анодом) і NMC 811 (LiNiMnCoO2 з катодом і графітовим анодом). Перші містять (за межами літію) близько 80% нікелю, 15% кобальту і 5% алюмінію і мають питому енергію 200-250 Вт / кг, що означає, що вони мають відносно обмежене використання критичного кобальту і термін служби до 1500 циклів. Такі батареї будуть проводитися Tesla на його Gigafactory в Неваді. Коли він досягне запланованої повної потужності (в 2020 або 2021 році, в залежності від ситуації), завод буде виробляти 35 ГВтч акумуляторів, що досить для оснащення 500 000 автомобілів. Це ще більше знизить вартість батарей.

Батареї NMC 811 мають трохи нижчу питому енергію (140-200 Вт/кг), але мають більш тривалий термін служби, досягаючи 2000 повних циклів, та їх частка становить 80% нікелю, 10% марганцю та 10% кобальту. В даний час всі виробники акумуляторів використовують один із цих двох типів. Єдиним винятком є ​​китайська компанія BYD, яка виготовляє батареї LFP. Оснащені ними автомобілі важчі, але кобальт їм не потрібен. Акумулятори NCA переважні для електромобілів, а NMC – для гібридів з роз'ємами, що підключаються, через відповідні переваги з точки зору питомої енергії та питомої потужності. Прикладами є електричний e-Golf із співвідношенням потужність/ємність 2,8 і гібридний Golf GTE, що підключається, із співвідношенням 8,5. В ім'я зниження ціни VW має намір використовувати ті самі елементи для всіх типів батарей. І ще одна річ – чим більша ємність батареї, тим менша кількість повних розрядів та зарядів, і це збільшує термін її служби, тому – чим більша батарея, тим краще. Другий стосується гібридів як проблеми.

ринкові тренди

В даний час попит на акумуляторні батареї для транспортних цілей перевищує попит на електронні продукти. Як і раніше, передбачається, що до 2020 року у світі буде продаватися 1,5 мільйона електромобілів на рік, що допоможе знизити вартість акумуляторів. У 2010 році ціна 1 кВт-год літій-іонного елемента була близько 900 євро, а зараз вона нижча за 200 євро. 25% вартості всієї батареї припадає на катод, 8% – на анод, сепаратор та електроліт, 16% – на всі інші елементи батареї та 35% – на загальну конструкцію батареї. Іншими словами, літій-іонні елементи роблять 65-відсотковий внесок у вартість батареї. Орієнтовні ціни Tesla на 2020 рік, коли Gigafactory 1 вступить в експлуатацію, становлять близько 300 євро / кВт-год для акумуляторів NCA, і ціна включає готовий продукт з деяким середнім ПДВ і гарантією. Досі висока ціна, яка з часом продовжить знижуватися.

Основні запаси літію знаходяться в Аргентині, Болівії, Чилі, Китаї, США, Австралії, Канаді, Росії, Конго і Сербії, причому переважна більшість в даний час видобувається з висохлих озер. З накопиченням все більшої кількості батарей ринок матеріалів, перероблених зі старих батарей, збільшиться. Однак більш важливою є проблема кобальту, який, хоча і присутній у великих кількостях, видобувається як побічний продукт при виробництві нікелю і міді. Видобуток кобальту, незважаючи на низьку концентрацію в грунті, ведеться в Конго (який володіє найбільшими доступними запасами), але в умовах, які ставлять під сумнів етику, мораль і захист навколишнього середовища.

Передові технології

Слід мати на увазі, що технології, прийняті в якості перспективи на найближче майбутнє, насправді не є принципово новими, а являють собою літій-іонні варіанти. Такі, наприклад, твердотільні батареї, в яких замість рідини використовується твердий електроліт (або гель в літій-полімерних батареях). Це рішення забезпечує більш стабільну конструкцію електродів, яка порушує їх цілісність при зарядці великим струмом, відповідно. підвищена температура і високе навантаження. Це може збільшити зарядний струм, щільність електродів і ємність. Твердотільні батареї все ще знаходяться на дуже ранній стадії розробки, і навряд чи вони з'являться в серійному виробництві до середини десятиліття.

Одним з відзначених нагородами стартапів на конкурсі інноваційних технологій BMW в Амстердамі в 2017 році була компанія, що працює на батарейках, кремнієвий анод якої дозволяє підвищити щільність енергії. Інженери працюють над різними нанотехнологіями, щоб забезпечити більшу щільність і міцність матеріалу як анода, так і катода, і одним з рішень є використання графена. Ці мікроскопічні шари графіту з товщиною одного атома і гексагональної атомної структурою є одним з найбільш перспективних матеріалів. Розроблені виробником акумуляторних елементів Samsung SDI «графенові кульки», інтегровані в катодний і анодний структуру, забезпечують більш високу міцність, проникність і щільність матеріалу і відповідне збільшення ємності приблизно на 45% і в п'ять разів коротше час зарядки, Ці технології можуть отримати найсильніший імпульс від автомобілів Формули Е, які можуть бути першими, які будуть оснащені такими батареями.

Гравці на цьому етапі

Основними гравцями як постачальники першого та другого рівня, тобто виробників елементів живлення та батарей, є Японія (Panasonic, Sony, GS Yuasa та Hitachi Vehicle Energy), Корея (LG Chem, Samsung, Kokam та SK Innovation), Китай (BYD Company ). , ATL та Lishen) та США (Tesla, Johnson Controls, A123 Systems, EnerDel та Valence Technology). Основними постачальниками стільникових телефонів зараз є LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Корея), AESC (Японія), BYD (Китай) і CATL (Китай), частка ринку яких становить дві третини. На цьому етапі в Європі їм протистоять лише BMZ Group з Німеччини та Northvolth зі Швеції. Із запуском Gigafactory Tesla у 2020 році ця пропорція зміниться – на частку американської компанії припадатиме 30% світового виробництва літій-іонних елементів. Такі компанії, як Daimler та BMW, вже підписали контракти з деякими з цих компаній, такими як CATL, яка будує завод у Європі.