Elektrické auto včera, dnes, zítra: 3. část

Pojem „lithium-iontové baterie“ skrývá širokou škálu technologií.

Jedna věc je jistá – pokud lithium-iontová elektrochemie zůstane v tomto ohledu nezměněna. Žádná jiná elektrochemická technologie skladování energie nemůže konkurovat lithium-iontovým. Jde však o to, že existují různé konstrukce, které používají různé materiály pro katodu, anodu a elektrolyt, přičemž každý z nich má jiné výhody z hlediska životnosti (počet nabíjecích a vybíjecích cyklů až do povolené zbytkové kapacity pro elektromobily 80 %), měrný výkon kWh/kg, cena euro/kg nebo poměr výkonu k výkonu.

Zpět v čase

Možnost provádění elektrochemických procesů v tzv. Lithium-iontové články pocházejí z oddělení lithiových protonů a elektronů z lithiové křižovatky na katodě během nabíjení. Atom lithia snadno daruje jeden ze svých tří elektronů, ale ze stejného důvodu je vysoce reaktivní a musí být izolován od vzduchu a vody. Ve zdroji napětí se elektrony začnou pohybovat po svém obvodu a ionty jsou nasměrovány na uhlíkovo-lithnou anodu a procházející membránou jsou s ní spojeny. Během výboje dochází ke zpětnému pohybu - ionty se vracejí ke katodě a elektrony zase procházejí vnější elektrickou zátěží. Rychlé vysokoproudé nabíjení a úplné vybití však má za následek vytvoření nových odolných spojení, což snižuje nebo dokonce zastavuje funkci baterie. Myšlenka použití lithia jako dárce částic vychází ze skutečnosti, že jde o nejlehčí kov a za správných podmínek může snadno uvolňovat protony a elektrony. Vědci však rychle opouštějí používání čistého lithia kvůli jeho vysoké těkavosti, schopnosti vázat se se vzduchem a z bezpečnostních důvodů.

První lithium-iontová baterie byla vytvořena v 1970. letech Michaelem Whittinghamem, který jako elektrody používal čistý lithium a sulfid titanu. Tato elektrochemie se již nepoužívá, ale ve skutečnosti vytváří základy pro lithium-iontové baterie. V 1970. letech Samar Basu prokázal schopnost absorbovat lithiové ionty z grafitu, ale díky zkušenostem z té doby se baterie při nabíjení a vybíjení rychle samy zničily. V 1980. letech začal intenzivní vývoj hledat vhodné sloučeniny lithia pro katodu a anodu baterií a skutečný průlom nastal v roce 1991.

Lithiové články NCA, NCM ... co to ve skutečnosti znamená?

Po experimentech s různými sloučeninami lithia v roce 1991 bylo úsilí vědců korunováno úspěchem – Sony zahájila hromadnou výrobu lithium-iontových baterií. V současné době mají baterie tohoto typu nejvyšší výstupní výkon a hustotu energie a hlavně významný potenciál rozvoje. V závislosti na požadavcích na baterie se společnosti obracejí na různé sloučeniny lithia jako katodový materiál. Jedná se o oxid lithný a kobaltnatý (LCO), sloučeniny s niklem, kobaltem a hliníkem (NCA) nebo s niklem, kobaltem a manganem (NCM), fosforečnan lithný (LFP), lithium mangan spinel (LMS), oxid lithný a titaničitý (LTO) a další. Elektrolyt je směsí solí lithia a organických rozpouštědel a je zvláště důležitý pro "mobilitu" iontů lithia a separátor, který je zodpovědný za prevenci zkratů tím, že je propustný pro ionty lithia, je obvykle polyethylen nebo polypropylen.

Výstupní výkon, kapacita nebo obojí

Nejdůležitějšími vlastnostmi baterií jsou hustota energie, spolehlivost a bezpečnost. Aktuálně vyráběné baterie pokrývají širokou škálu těchto kvalit a v závislosti na použitých materiálech mají specifický rozsah energie 100 až 265 W / kg (a hustotu energie 400 až 700 W / L). Nejlepší v tomto ohledu jsou baterie NCA a nejhorší LFP. Materiál je však jednou stranou mince. Ke zvýšení jak specifické energie, tak energetické hustoty se používají různé nanostruktury, které absorbují více materiálu a poskytují vyšší vodivost proudu iontů. Velký počet iontů „uložených“ ve stabilní sloučenině a vodivost jsou předpoklady pro rychlejší nabíjení a vývoj je směrován těmito směry. Současně musí konstrukce baterie poskytovat požadovaný poměr výkonu a kapacity v závislosti na typu pohonu. Například plug-in hybridy musí mít ze zřejmých důvodů mnohem vyšší poměr výkonu a kapacity. Dnešní vývoj se zaměřuje na baterie jako NCA (LiNiCoAlO2 s katodou a grafitovou anodou) a NMC 811 (LiNiMnCoO2 s katodou a grafitovou anodou). První obsahují (mimo lithium) asi 80% niklu, 15% kobaltu a 5% hliníku a mají specifickou energii 200-250 W / kg, což znamená, že mají relativně omezené použití kritického kobaltu a životnost až 1500 cyklů. Tyto baterie bude vyrábět společnost Tesla ve své Gigafactory v Nevadě. Když dosáhne plánované plné kapacity (v letech 2020 nebo 2021, v závislosti na situaci), bude závod vyrábět 35 GWh baterií, což je dost na pohon 500 000 vozidel. To dále sníží náklady na baterie.

Baterie NMC 811 mají o něco nižší měrnou energii (140-200W/kg), ale mají delší životnost, dosahující 2000 plných cyklů, a obsahují 80 % niklu, 10 % manganu a 10 % kobaltu. V současné době všichni výrobci baterií používají jeden z těchto dvou typů. Jedinou výjimkou je čínská společnost BYD, která vyrábí baterie LFP. Auta jimi vybavená jsou těžší, ale nepotřebují kobalt. Baterie NCA jsou preferovány pro elektrická vozidla a NMC pro plug-in hybridy kvůli jejich příslušným výhodám, pokud jde o hustotu energie a hustotu výkonu. Příkladem může být elektrický e-Golf s poměrem výkon/kapacita 2,8 a plug-in hybridní Golf GTE s poměrem 8,5. Ve jménu snížení ceny hodlá VW používat stejné články pro všechny typy baterií. A ještě něco - čím větší kapacita baterie, tím menší počet úplných vybití a nabití a tím se zvyšuje její životnost, proto - čím větší baterie, tím lépe. Druhý se týká hybridů jako problému.

Trendy na trhu

V současné době již poptávka po bateriích pro přepravní účely převyšuje poptávku po elektronických produktech. Stále se předpokládá, že do roku 2020 se bude celosvětově prodávat 1,5 milionu elektrických vozidel ročně, což pomůže snížit náklady na baterie. V roce 2010 byla cena 1 kWh lithium-iontového článku asi 900 eur, nyní je to necelých 200 eur. 25 % nákladů na celou baterii připadá na katodu, 8 % na anodu, separátor a elektrolyt, 16 % na všechny ostatní články baterie a 35 % na celkovou konstrukci baterie. Jinými slovy, lithium-iontové články přispívají 65 procenty k ceně baterie. Odhadované ceny Tesly pro rok 2020, kdy Gigafactory 1 vstoupí do provozu, se pohybují kolem 300 €/kWh pro baterie NCA a cena zahrnuje hotový produkt s určitou průměrnou DPH a zárukou. Stále poměrně vysoká cena, která bude časem dále klesat.

Hlavní zásoby lithia se nacházejí v Argentině, Bolívii, Chile, Číně, USA, Austrálii, Kanadě, Rusku, Kongu a Srbsku, přičemž velká většina se v současnosti těží ze sušených jezer. Jak se hromadí stále více baterií, zvýší se trh s materiály recyklovanými ze starých baterií. Mnohem důležitější je však problém kobaltu, který se sice vyskytuje ve velkém množství, ale těží se jako vedlejší produkt při výrobě niklu a mědi. Kobalt se těží, navzdory své nízké koncentraci v půdě, v Kongu (které má největší dostupné zásoby), ale za podmínek, které zpochybňují etiku, morálku a ochranu životního prostředí.

Hi-tech

Je třeba mít na paměti, že technologie přijaté jako vyhlídka na blízkou budoucnost ve skutečnosti nejsou zásadně nové, ale představují lithium-iontové možnosti. Jsou to například polovodičové baterie, které místo kapaliny používají pevný elektrolyt (nebo gel v lithium-polymerových bateriích). Toto řešení poskytuje stabilnější konstrukci elektrod, která narušuje jejich integritu při nabíjení vysokým proudem. vysoká teplota a vysoké zatížení. To může zvýšit nabíjecí proud, hustotu elektrody a kapacitu. Polovodičové baterie jsou stále ve velmi rané fázi vývoje a je nepravděpodobné, že by zasáhly masovou výrobu až v polovině desetiletí.

Jedním z oceněných startů na soutěži BMW Innovation Technology Competition 2017 v Amsterdamu byla společnost napájená bateriemi, jejíž křemíková anoda zvyšuje hustotu energie. Inženýři pracují na různých nanotechnologiích, aby poskytli anodě i katodovému materiálu větší hustotu a pevnost, a jedním řešením je použít grafen. Tyto mikroskopické vrstvy grafitu s tloušťkou jednoho atomu a hexagonální atomovou strukturou jsou jedním z nejslibnějších materiálů. „Grafenové kuličky“ vyvinuté výrobcem bateriových článků Samsung SDI, integrované do struktury katody a anody, zajišťují vyšší pevnost, propustnost a hustotu materiálu a tomu odpovídající zvýšení kapacity přibližně o 45% a pětkrát rychlejší dobu nabíjení. Tyto technologie může získat nejsilnější impuls z vozů Formule E, které mohou být první, kdo bude vybaven takovými bateriemi.

Hráči v této fázi

Hlavními hráči jako dodavatelé Tier 123 a Tier 2020, tedy výrobci článků a baterií, jsou Japonsko (Panasonic, Sony, GS Yuasa a Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam a SK Innovation), Čína (BYD Company) . , ATL a Lishen) a USA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel a Valence Technology). Hlavními dodavateli mobilních telefonů jsou v současnosti LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Japonsko), BYD (Čína) a CATL (Čína), které mají dvoutřetinový podíl na trhu. V této fázi v Evropě proti nim stojí pouze BMZ Group z Německa a Northvolth ze Švédska. Se spuštěním Teslovy Gigafactory v roce XNUMX se tento podíl změní – americká společnost bude tvořit XNUMX % světové produkce lithium-iontových článků. Společnosti jako Daimler a BMW již podepsaly smlouvy s některými z těchto společností, jako je CATL, která staví závod v Evropě.