Gari la umeme jana, leo, kesho: sehemu ya 3

Neno "betri za lithiamu-ion" huficha teknolojia anuwai.

Jambo moja ni la uhakika - mradi tu kemia ya umeme ya lithiamu-ioni inabaki bila kubadilika katika suala hili. Hakuna teknolojia nyingine ya uhifadhi wa nishati ya kielektroniki inayoweza kushindana na lithiamu-ion. Hoja, hata hivyo, ni kwamba kuna miundo tofauti inayotumia vifaa tofauti kwa cathode, anode na elektroliti, ambayo kila moja ina faida tofauti katika suala la uimara (idadi ya malipo na mizunguko ya kutokwa hadi uwezo unaoruhusiwa wa mabaki kwa magari ya umeme. ya 80%), nguvu mahususi kWh/kg, bei ya euro/kg au uwiano wa nguvu kwa nishati.

Rudi kwa wakati

Uwezekano wa kufanya michakato ya electrochemical katika kinachojulikana. Seli za lithiamu-ioni hutoka kwa mgawanyo wa protoni za lithiamu na elektroni kutoka kwa makutano ya lithiamu kwenye cathode wakati wa kuchaji. Atomu ya lithiamu hutoa kwa urahisi moja ya elektroni zake tatu, lakini kwa sababu hiyo hiyo inafanya kazi sana na lazima iwe pekee kutoka kwa hewa na maji. Katika chanzo cha voltage, elektroni huanza kusonga pamoja na mzunguko wao, na ions huelekezwa kwa anode ya kaboni-lithiamu na, kupitia membrane, huunganishwa nayo. Wakati wa kutokwa, harakati ya reverse hutokea - ions hurudi kwenye cathode, na elektroni, kwa upande wake, hupitia mzigo wa nje wa umeme. Hata hivyo, malipo ya juu ya sasa na kutokwa kamili husababisha kuundwa kwa miunganisho mipya ya kudumu, ambayo hupunguza au hata kusimamisha kazi ya betri. Wazo la kutumia lithiamu kama wafadhili wa chembe linatokana na ukweli kwamba ni chuma chepesi zaidi na inaweza kutoa protoni na elektroni kwa urahisi katika hali sahihi. Walakini, wanasayansi wanaacha haraka utumiaji wa lithiamu safi kwa sababu ya hali tete ya juu, uwezo wake wa kushikamana na hewa, na kwa sababu za usalama.

Betri ya kwanza ya lithiamu-ion iliundwa miaka ya 1970 na Michael Whittingham, ambaye alitumia lithiamu safi na sulfidi ya titani kama elektroni. Electrokemia hii haitumiki tena, lakini kwa kweli inaweka misingi ya betri za lithiamu-ion. Mnamo miaka ya 1970, Bas Basu alionyesha uwezo wa kunyonya ioni za lithiamu kutoka grafiti, lakini kwa sababu ya uzoefu wa wakati huo, betri hujiharibu haraka wakati wa kushtakiwa na kutolewa. Mnamo miaka ya 1980, maendeleo makubwa yakaanza kupata misombo inayofaa ya lithiamu kwa cathode na anode ya betri, na mafanikio ya kweli yalikuja mnamo 1991.

NCA, NCM Lelium Lelium ... hii inamaanisha nini kweli?

Baada ya kujaribu misombo mbalimbali ya lithiamu mwaka wa 1991, juhudi za wanasayansi zilifanikiwa - Sony ilianza uzalishaji wa wingi wa betri za lithiamu-ion. Hivi sasa, betri za aina hii zina nguvu kubwa zaidi ya pato na msongamano wa nishati, na muhimu zaidi, uwezekano mkubwa wa maendeleo. Kulingana na mahitaji ya betri, makampuni yanageukia misombo mbalimbali ya lithiamu kama nyenzo ya cathode. Hizi ni oksidi ya lithiamu cobalt (LCO), misombo yenye nikeli, cobalt na alumini (NCA) au na nickel, cobalt na manganese (NCM), lithiamu iron phosphate (LFP), lithiamu manganese spinel (LMS), lithiamu titanium oxide (LTO) na wengine. Electroliti ni mchanganyiko wa chumvi za lithiamu na vimumunyisho vya kikaboni na ni muhimu sana kwa "uhamaji" wa ioni za lithiamu, na kitenganishi, ambacho kina jukumu la kuzuia mzunguko mfupi kwa kupenyeza kwa ioni za lithiamu, kawaida ni polyethilini au polypropen.

Nguvu ya pato, uwezo, au zote mbili

Tabia muhimu zaidi za betri ni wiani wa nishati, kuegemea na usalama. Betri zilizotengenezwa sasa zinafunika sifa anuwai na, kulingana na vifaa vilivyotumika, zina kiwango maalum cha nishati ya 100 hadi 265 W / kg (na wiani wa nishati ya 400 hadi 700 W / L). Bora zaidi katika suala hili ni betri za NCA na LFP mbaya zaidi. Walakini, nyenzo ni upande mmoja wa sarafu. Kuongeza msongamano maalum wa nishati na nishati, miundo anuwai anuwai hutumiwa kunyonya nyenzo nyingi na kutoa upitishaji wa juu wa mkondo wa ion. Idadi kubwa ya ioni, "zilizohifadhiwa" kwenye kiwanja kilicho imara, na utaftaji ni mahitaji ya malipo ya haraka, na maendeleo yanaelekezwa kwa mwelekeo huu. Wakati huo huo, muundo wa betri lazima utoe uwiano unaohitajika wa nguvu-kwa-uwezo kulingana na aina ya gari. Kwa mfano, mahuluti ya kuziba yanahitaji kuwa na uwiano mkubwa zaidi wa nguvu-kwa-uwezo kwa sababu dhahiri. Maendeleo ya leo yanazingatia betri kama NCA (LiNiCoAlO2 iliyo na cathode na anode ya grafiti) na NMC 811 (LiNiMnCoO2 iliyo na cathode na anode ya grafiti). Ya zamani yana (nje ya lithiamu) karibu nikeli 80%, 15% ya cobalt na 5% ya aluminium na wana nishati maalum ya 200-250 W / kg, ambayo inamaanisha kuwa wana utumiaji mdogo wa cobalt muhimu na maisha ya huduma ya hadi mizunguko 1500. Betri kama hizo zitatolewa na Tesla katika Gigafactory huko Nevada. Inapofikia uwezo wake kamili uliopangwa (mnamo 2020 au 2021, kulingana na hali), mmea utazalisha 35 GWh za betri, za kutosha kuwezesha magari 500. Hii itapunguza zaidi gharama ya betri.

Betri za NMC 811 zina nishati maalum ya chini kidogo (140-200W/kg) lakini zina maisha marefu, kufikia mizunguko 2000 kamili, na ni 80% ya nikeli, 10% ya manganese na 10% ya cobalt. Hivi sasa, wazalishaji wote wa betri hutumia moja ya aina hizi mbili. Mbali pekee ni kampuni ya Kichina ya BYD, ambayo hufanya betri za LFP. Magari yaliyo na vifaa ni nzito, lakini hayaitaji cobalt. Betri za NCA hupendelewa kwa magari ya umeme na NMC kwa mahuluti ya programu-jalizi kutokana na faida zake katika suala la msongamano wa nishati na msongamano wa nishati. Mifano ni e-Gofu ya umeme yenye uwiano wa nguvu/uwezo wa 2,8 na mseto wa Golf GTE wa 8,5. Kwa jina la kupunguza bei, VW inakusudia kutumia seli sawa kwa aina zote za betri. Na jambo moja zaidi - uwezo mkubwa wa betri, chini ya idadi ya kutokwa kamili na malipo, na hii huongeza maisha yake ya huduma, kwa hiyo - betri kubwa, ni bora zaidi. Ya pili inahusu mahuluti kama shida.

Mwelekeo wa soko

Kwa sasa, mahitaji ya betri kwa madhumuni ya usafiri tayari yanazidi mahitaji ya bidhaa za elektroniki. Bado inakadiriwa kuwa magari milioni 2020 ya umeme kwa mwaka yatauzwa duniani kote kufikia 1,5, ambayo itasaidia kupunguza gharama ya betri. Mnamo 2010, bei ya 1 kWh ya seli ya lithiamu-ion ilikuwa karibu euro 900, na sasa ni chini ya euro 200. 25% ya gharama ya betri nzima ni ya cathode, 8% kwa anode, kitenganishi na elektroliti, 16% kwa seli zingine zote za betri na 35% kwa muundo wa jumla wa betri. Kwa maneno mengine, seli za lithiamu-ion huchangia asilimia 65 kwa gharama ya betri. Kadirio la bei za Tesla kwa 2020 wakati Gigafactory 1 inapoanza huduma ni karibu 300€/kWh kwa betri za NCA na bei inajumuisha bidhaa iliyokamilishwa na VAT ya wastani na dhamana. Bado bei ya juu, ambayo itaendelea kupungua kwa wakati.

Akiba kuu ya lithiamu hupatikana katika Argentina, Bolivia, Chile, Uchina, USA, Australia, Canada, Urusi, Kongo na Serbia, na idadi kubwa ya watu inayochimbwa kwa sasa kutoka maziwa yaliyokauka. Kadiri betri zaidi na zaidi zinavyojilimbikiza, soko la vifaa vilivyosindikwa kutoka kwa betri za zamani litaongezeka. La muhimu zaidi, hata hivyo, ni shida ya cobalt, ambayo, ingawa iko kwa idadi kubwa, inachimbwa kama bidhaa inayotokana na utengenezaji wa nikeli na shaba. Cobalt inachimbwa, licha ya mkusanyiko mdogo katika mchanga, huko Kongo (ambayo ina akiba kubwa zaidi inayopatikana), lakini chini ya hali ambazo zinakabili maadili, maadili na utunzaji wa mazingira.

Teknolojia ya hali ya juu

Ikumbukwe kwamba teknolojia zilizokubalika kama matarajio ya siku za usoni sio msingi kabisa, lakini ni chaguzi za lithiamu-ion. Hizi ni, kwa mfano, betri zenye hali ngumu, ambazo hutumia elektroni thabiti badala ya kioevu (au gel kwenye betri za lithiamu za polima). Suluhisho hili hutoa muundo thabiti zaidi wa elektroni, ambayo inakiuka uadilifu wao wakati wa kushtakiwa kwa sasa ya juu, mtawaliwa. joto la juu na mzigo mkubwa. Hii inaweza kuongeza malipo ya sasa, wiani wa elektroni na uwezo. Betri za hali thabiti bado ziko katika hatua ya mapema sana ya maendeleo na haziwezekani kugonga uzalishaji wa habari hadi katikati ya muongo mmoja.

Moja ya kuanza kwa kushinda tuzo katika Mashindano ya Teknolojia ya Uvumbuzi ya BMW 2017 huko Amsterdam ilikuwa kampuni inayotumia betri ambayo anode ya silicon inaboresha wiani wa nishati. Wahandisi wanafanya kazi kwa nanoteknolojia anuwai kutoa wiani mkubwa na nguvu kwa nyenzo zote za anode na cathode, na suluhisho moja ni kutumia graphene. Matabaka haya ya grafiti yenye unene wa atomu moja na muundo wa atomiki yenye hexagonal ni moja wapo ya vifaa vya kuahidi zaidi. "Mipira ya graphene" iliyotengenezwa na mtengenezaji wa seli ya betri ya Samsung SDI, iliyojumuishwa kwenye muundo wa cathode na anode, hutoa nguvu ya juu, upenyezaji na wiani wa nyenzo na ongezeko linalolingana la uwezo wa karibu 45% na wakati wa kuchaji haraka. Teknolojia hizi wanaweza kupokea msukumo wenye nguvu kutoka kwa magari ya Mfumo E, ambayo inaweza kuwa ya kwanza kuwa na vifaa kama hivyo.

Wachezaji katika hatua hii

Wachezaji wakuu kama wasambazaji wa Tier 123 na Tier 2020, yaani watengenezaji wa seli na betri, ni Japan (Panasonic, Sony, GS Yuasa na Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam na SK Innovation), Uchina (BYD Company) . , ATL na Lishen) na Marekani (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel na Valence Technology). Wasambazaji wakuu wa simu za rununu kwa sasa ni LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Japan), BYD (China) na CATL (China), ambazo zina sehemu ya soko ya theluthi mbili. Katika hatua hii huko Uropa, wanapingwa tu na BMZ Group kutoka Ujerumani na Northvolth kutoka Uswidi. Kwa kuzinduliwa kwa Gigafactory ya Tesla mnamo XNUMX, idadi hii itabadilika - kampuni ya Amerika itahesabu XNUMX% ya uzalishaji wa seli za lithiamu-ion ulimwenguni. Kampuni kama vile Daimler na BMW tayari zimesaini mikataba na baadhi ya kampuni hizo, kama vile CATL, ambayo inajenga kiwanda barani Ulaya.