Elbil igår, idag, imorgon: del 3

Termen "litiumjonbatterier" döljer en mängd olika tekniker.

En sak är säker – så länge litiumjonelektrokemin förblir oförändrad i detta avseende. Ingen annan elektrokemisk energilagringsteknik kan konkurrera med litiumjon. Poängen är dock att det finns olika konstruktioner som använder olika material för katod, anod och elektrolyt, som var och en har olika fördelar när det gäller hållbarhet (antalet laddnings- och urladdningscykler upp till en tillåten restkapacitet för elfordon på 80 %), specifik effekt kWh/kg, pris euro/kg eller effekt/effektförhållande.

Bakåt i tiden

Möjligheten att genomföra elektrokemiska processer i den sk. Litiumjonceller kommer från separationen av litiumprotoner och elektroner från litiumövergången vid katoden under laddning. Litiumatomen donerar lätt en av sina tre elektroner, men av samma anledning är den mycket reaktiv och måste isoleras från luft och vatten. I spänningskällan börjar elektronerna röra sig längs sin krets, och jonerna riktas mot kol-litiumanoden och, som passerar genom membranet, är anslutna till den. Under urladdningen sker den omvända rörelsen - jonerna återgår till katoden, och elektronerna passerar i sin tur genom den externa elektriska belastningen. Snabb högströmsladdning och full urladdning resulterar dock i att det bildas nya hållbara anslutningar, vilket minskar eller till och med stoppar batteriets funktion. Tanken bakom att använda litium som partikeldonator härrör från det faktum att det är den lättaste metallen och lätt kan frigöra protoner och elektroner under rätt förhållanden. Men forskare överger snabbt användningen av rent litium på grund av dess höga volatilitet, dess förmåga att binda till luft och av säkerhetsskäl.

Det första litiumjonbatteriet skapades på 1970-talet av Michael Whittingham, som använde rent litium och titansulfid som elektroder. Denna elektrokemi används inte längre utan lägger faktiskt grunden för litiumjonbatterier. På 1970-talet visade Samar Basu förmågan att ta upp litiumjoner från grafit, men på grund av tidens erfarenhet förstördes batterier snabbt när de laddades och urladdades. På 1980-talet började intensiv utveckling för att hitta lämpliga litiumföreningar för katoden och anoden av batterier, och det verkliga genombrottet kom 1991.

NCA, NCM litiumceller ... vad betyder det egentligen?

Efter att ha experimenterat med olika litiumföreningar 1991 kröntes forskarnas ansträngningar med framgång - Sony började massproduktion av litiumjonbatterier. För närvarande har batterier av denna typ den högsta uteffekten och energitätheten, och viktigast av allt, en betydande potential för utveckling. Beroende på batterikrav vänder sig företag till olika litiumföreningar som katodmaterial. Dessa är litiumkoboltoxid (LCO), föreningar med nickel, kobolt och aluminium (NCA) eller med nickel, kobolt och mangan (NCM), litiumjärnfosfat (LFP), litiummanganspinell (LMS), litiumtitanoxid (LTO) och andra. Elektrolyten är en blandning av litiumsalter och organiska lösningsmedel och är särskilt viktig för litiumjonernas "rörlighet", och separatorn, som ansvarar för att förhindra kortslutning genom att vara permeabel för litiumjoner, är vanligtvis polyeten eller polypropen.

Uteffekt, kapacitet eller båda

De viktigaste egenskaperna hos batterierna är energitäthet, tillförlitlighet och säkerhet. Batterier som för närvarande produceras täcker ett brett utbud av dessa kvaliteter och beror på de använda materialen har ett specifikt energiområde 100 till 265 W / kg (och en energitäthet på 400 till 700 W / L). De bästa i detta avseende är NCA-batterierna och de värsta LFP: erna. Materialet är emellertid en sida av myntet. För att öka både specifik energi och energitäthet används olika nanostrukturer för att absorbera mer material och ger högre ledningsförmåga för jonströmmen. Ett stort antal joner, "lagrade" i en stabil förening, och konduktivitet är förutsättningar för snabbare laddning, och utveckling riktas i dessa riktningar. Samtidigt måste batterikonstruktionen ge den erforderliga förhållandet mellan effekt och kapacitet beroende på typ av enhet. Till exempel måste plug-in-hybrider ha ett mycket högre effekt-till-kapacitetsförhållande av uppenbara skäl. Dagens utveckling är inriktad på batterier som NCA (LiNiCoAlO2 med katod och grafitanod) och NMC 811 (LiNiMnCoO2 med katod och grafitanod). Den förstnämnda innehåller (utanför litium) cirka 80% nickel, 15% kobolt och 5% aluminium och har en specifik energi på 200-250 W / kg, vilket innebär att de använder en relativt begränsad användning av kritisk kobolt och en livslängd på upp till 1500 cykler. Sådana batterier kommer att produceras av Tesla på dess Gigafactory i Nevada. När den når sin planerade fulla kapacitet (2020 eller 2021, beroende på situationen) kommer anläggningen att producera 35 GWh batterier, vilket är tillräckligt för att driva 500 000 fordon. Detta kommer att sänka batterikostnaderna ytterligare.

NMC 811-batterier har en något lägre specifik energi (140-200W/kg) men har en längre livslängd, når 2000 hela cykler, och är 80% nickel, 10% mangan och 10% kobolt. För närvarande använder alla batteritillverkare en av dessa två typer. Det enda undantaget är det kinesiska företaget BYD, som tillverkar LFP-batterier. Bilar utrustade med dem är tyngre, men de behöver inte kobolt. NCA-batterier är att föredra för elfordon och NMC för laddhybrider på grund av deras respektive fördelar vad gäller energitäthet och effekttäthet. Exempel är den elektriska e-Golf med ett effekt/kapacitetsförhållande på 2,8 och laddhybriden Golf GTE med ett förhållande på 8,5. För att sänka priset har VW för avsikt att använda samma celler för alla typer av batterier. Och en sak till - ju större kapacitet batteriet har, desto mindre är antalet fulla urladdningar och laddningar, och detta ökar dess livslängd, därför - ju större batteriet är, desto bättre. Det andra gäller hybrider som ett problem.

Marknadstrender

För närvarande överstiger efterfrågan på batterier för transportändamål redan efterfrågan på elektroniska produkter. Det förväntas fortfarande att 2020 miljoner elfordon per år kommer att säljas globalt 1,5, vilket kommer att bidra till att sänka kostnaden för batterier. 2010 var priset på 1 kWh för en litiumjoncell cirka 900 euro, och nu är det mindre än 200 euro. 25 % av kostnaden för hela batteriet är för katoden, 8 % för anoden, separatorn och elektrolyten, 16 % för alla andra battericeller och 35 % för den övergripande batteridesignen. Litiumjonceller bidrar med andra ord med 65 procent till kostnaden för ett batteri. Beräknade Tesla-priser för 2020 när Gigafactory 1 tas i bruk är runt 300€/kWh för NCA-batterier och priset inkluderar den färdiga produkten med viss genomsnittlig moms och garanti. Fortfarande ett ganska högt pris, som kommer att fortsätta sjunka över tid.

De viktigaste reserverna av litium finns i Argentina, Bolivia, Chile, Kina, USA, Australien, Kanada, Ryssland, Kongo och Serbien, där den stora majoriteten för närvarande bryts från torkade sjöar. När allt fler batterier samlas, kommer marknaden för material som återvinns från gamla batterier att öka. Viktigare är emellertid problemet med kobolt, som, även om det finns i stora mängder, bryts som en biprodukt vid produktion av nickel och koppar. Kobolt bryts, trots sin låga koncentration i jorden, i Kongo (som har de största tillgängliga reserverna), men under förhållanden som utmanar etik, moral och miljöskydd.

Avancerad teknik

Man bör komma ihåg att teknologierna som antagits som en möjlighet för en nära framtid faktiskt inte är grundläggande nya utan är litiumjonalternativ. Det här är till exempel batterier i fast tillstånd som använder en fast elektrolyt istället för en vätska (eller gel i litiumpolymerbatterier). Denna lösning ger en mer stabil design av elektroderna, vilket bryter mot deras integritet när de laddas med hög ström, respektive. hög temperatur och hög belastning. Detta kan öka laddningsströmmen, elektrodens densitet och kapacitans. Solid state-batterier befinner sig fortfarande i ett mycket tidigt utvecklingsstadium och kommer troligtvis inte att drabbas av massproduktion förrän mitten av decenniet.

En av de prisbelönta startarna vid BMW Innovation Technology Competition 2017 i Amsterdam var ett batteridrivet företag vars kiselanod ökar energitätheten. Ingenjörer arbetar med olika nanotekniker för att ge materialet i både anoden och katoden större densitet och styrka, och en lösning är att använda grafen. Dessa mikroskopiska lager av grafit med en enda atomtjocklek och en sexkantig atomstruktur är ett av de mest lovande materialen. "Grafenbollarna" som utvecklats av battericellstillverkaren Samsung SDI, integrerade i katoden och anodstrukturen, ger högre hållfasthet, permeabilitet och densitet för materialet och en motsvarande kapacitetsökning med cirka 45% och fem gånger snabbare laddningstid. Dessa tekniker kan få den starkaste impulsen från Formel E -bilar, som kan vara de första som är utrustade med sådana batterier.

Spelare i detta skede

Huvudaktörerna som Tier 123 och Tier 2020 leverantörer, det vill säga cell- och batteritillverkare, är Japan (Panasonic, Sony, GS Yuasa och Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam och SK Innovation), Kina (BYD Company) . , ATL och Lishen) och USA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel och Valence Technology). Huvudleverantörerna av mobiltelefoner är för närvarande LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Japan), BYD (Kina) och CATL (Kina), som har en marknadsandel på två tredjedelar. I det här skedet i Europa motarbetas de bara av BMZ Group från Tyskland och Northvolth från Sverige. Med lanseringen av Teslas Gigafactory XNUMX kommer denna andel att förändras – det amerikanska företaget kommer att stå för XNUMX % av världens produktion av litiumjonceller. Företag som Daimler och BMW har redan skrivit kontrakt med några av dessa företag, som CATL som bygger en fabrik i Europa.