Dün, bugün, yarın elektrikli otomobil: 3. bölüm

"Lityum iyon piller" terimi çok çeşitli teknolojileri gizler.

Kesin olan bir şey var - bu konuda lityum-iyon elektrokimyası değişmeden kaldığı sürece. Başka hiçbir elektrokimyasal enerji depolama teknolojisi lityum iyonla rekabet edemez. Bununla birlikte, katot, anot ve elektrolit için farklı malzemeler kullanan ve her birinin dayanıklılık açısından farklı avantajları olan (elektrikli araçlar için izin verilen bir artık kapasiteye kadar şarj ve deşarj döngüsü sayısı) farklı tasarımlar vardır. %80), özgül güç kWh/kg, fiyat euro/kg veya güç-güç oranı.

Zamanda geriye

Sözde elektrokimyasal işlemleri gerçekleştirme olasılığı. Lityum-iyon piller, şarj sırasında lityum protonlarının ve elektronların katottaki lityum bağlantısından ayrılmasından gelir. Lityum atomu, üç elektronundan birini kolayca bağışlar, ancak aynı nedenle oldukça reaktiftir ve havadan ve sudan izole edilmesi gerekir. Voltaj kaynağında elektronlar devreleri boyunca hareket etmeye başlar ve iyonlar karbon-lityum anoda yönlendirilir ve zardan geçerek ona bağlanır. Deşarj sırasında ters hareket meydana gelir - iyonlar katoda geri döner ve elektronlar da harici elektrik yükünden geçer. Bununla birlikte, hızlı yüksek akım şarjı ve tam deşarj, pilin işlevini azaltan ve hatta durduran yeni dayanıklı bağlantıların oluşmasına neden olur. Lityumun parçacık donörü olarak kullanılmasının ardındaki fikir, en hafif metal olması ve doğru koşullar altında kolayca proton ve elektron salabilmesi gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Bununla birlikte, bilim adamları, yüksek uçuculuğu, hava ile bağ oluşturma yeteneği ve güvenlik nedenleriyle saf lityum kullanımını hızla terk ediyor.

İlk lityum iyon pil 1970'lerde elektrot olarak saf lityum ve titanyum sülfit kullanan Michael Whittingham tarafından yaratıldı. Bu elektrokimya artık kullanılmıyor, ancak lityum iyon pillerin temelini atıyor. 1970'lerde Samar Basu, lityum iyonlarını grafitten emme yeteneğini gösterdi, ancak zamanın deneyimi nedeniyle piller şarj edildiğinde ve boşaldığında hızla kendi kendini imha etti. 1980'lerde, yoğun geliştirme pillerin katot ve anotları için uygun lityum bileşikleri bulmaya başladı ve asıl atılım 1991'de geldi.

NCA, NCM lityum hücreleri ... bu gerçekten ne anlama geliyor?

1991'de çeşitli lityum bileşikleri ile deneyler yaptıktan sonra, bilim adamlarının çabaları başarı ile taçlandırıldı - Sony, lityum iyon pillerin seri üretimine başladı. Şu anda, bu tür piller en yüksek çıkış gücüne ve enerji yoğunluğuna ve en önemlisi önemli bir geliştirme potansiyeline sahiptir. Pil gereksinimlerine bağlı olarak, şirketler katot malzemesi olarak çeşitli lityum bileşiklerine yöneliyor. Bunlar, lityum kobalt oksit (LCO), nikel, kobalt ve alüminyum (NCA) veya nikel, kobalt ve manganez (NCM) içeren bileşikler, lityum demir fosfat (LFP), lityum manganez spinel (LMS), lityum titanyum oksittir (LTO). ve diğerleri. Elektrolit, lityum tuzları ve organik çözücülerin bir karışımıdır ve özellikle lityum iyonlarının "hareketi" için önemlidir ve lityum iyonlarını geçirerek kısa devrelerin önlenmesinden sorumlu olan ayırıcı genellikle polietilen veya polipropilendir.

Çıkış gücü, kapasite veya her ikisi

Pillerin en önemli özellikleri enerji yoğunluğu, güvenilirlik ve güvenliktir. Halihazırda üretilen piller, bu niteliklerin geniş bir aralığını kapsamaktadır ve kullanılan malzemelere bağlı olarak, 100 ila 265 W / kg (ve 400 ila 700 W / L enerji yoğunluğu) arasında belirli bir enerji aralığına sahiptir. Bu konuda en iyisi NCA pilleri ve en kötü LFP'lerdir. Bununla birlikte, malzeme madalyonun bir yüzüdür. Hem spesifik enerjiyi hem de enerji yoğunluğunu artırmak için, daha fazla malzemeyi emmek ve iyon akışının daha yüksek iletkenliğini sağlamak için çeşitli nano yapılar kullanılır. Kararlı bir bileşik içinde "depolanan" çok sayıda iyon ve iletkenlik, daha hızlı şarj için ön şartlardır ve geliştirme bu yönlerde yönlendirilir. Aynı zamanda pil tasarımı, sürücü tipine bağlı olarak gerekli güç-kapasite oranını sağlamalıdır. Örneğin, geçmeli hibritlerin açık nedenlerden dolayı çok daha yüksek bir güç-kapasite oranına sahip olması gerekir. Bugünün geliştirmeleri, NCA (katot ve grafit anotlu LiNiCoAlO2) ve NMC 811 (katot ve grafit anotlu LiNiMnCoO2) gibi pillere odaklanmıştır. İlki (lityum dışında) yaklaşık% 80 nikel,% 15 kobalt ve% 5 alüminyum içerir ve 200-250 W / kg özgül enerjiye sahiptir, bu da nispeten sınırlı bir kritik kobalt kullanımına ve 1500 döngüye kadar hizmet ömrüne sahip oldukları anlamına gelir. Bu tür piller Tesla tarafından Nevada'daki Gigafactory'de üretilecek. Planlanan tam kapasitesine ulaştığında (duruma bağlı olarak 2020 veya 2021'de), tesis 35 araca güç sağlamaya yetecek kadar 500 GWh pil üretecek. Bu, pillerin maliyetini daha da düşürecektir.

NMC 811 piller biraz daha düşük özgül enerjiye (140-200W/kg) sahiptir ancak daha uzun ömürlüdür, 2000 tam döngüye ulaşır ve %80 nikel, %10 manganez ve %10 kobalttır. Şu anda, tüm pil üreticileri bu iki türden birini kullanıyor. Bunun tek istisnası, LFP pilleri üreten Çinli şirket BYD'dir. Onlarla donatılmış arabalar daha ağırdır, ancak kobalta ihtiyaçları yoktur. Enerji yoğunluğu ve güç yoğunluğu açısından kendi avantajları nedeniyle elektrikli araçlar için NCA piller ve plug-in hibrit araçlar için NMC tercih edilmektedir. Örnekler, güç/kapasite oranı 2,8 olan elektrikli e-Golf ve 8,5 oranlı plug-in hibrit Golf GTE'dir. Fiyatı düşürmek adına VW, tüm pil türleri için aynı hücreleri kullanmayı planlıyor. Ve bir şey daha - pilin kapasitesi ne kadar büyükse, tam deşarj ve şarj sayısı o kadar az olur ve bu, hizmet ömrünü uzatır, bu nedenle - pil ne kadar büyükse o kadar iyidir. İkincisi, bir sorun olarak melezlerle ilgilidir.

Pazar eğilimleri

Şu anda, ulaşım amaçlı pillere olan talep, elektronik ürünlere olan talebi çoktan aşıyor. Hala yılda 2020 milyon elektrikli aracın 1,5 yılına kadar dünya çapında satılacağı ve bunun pil maliyetlerinin düşürülmesine yardımcı olacağı öngörülüyor. 2010 yılında 1 kWh'lik bir lityum-iyon pilin fiyatı yaklaşık 900 Euro'ydu ve şimdi 200 Euro'nun altında. Tüm pil maliyetinin %25'i katot, %8'i anot, ayırıcı ve elektrolit, %16'sı diğer tüm pil hücreleri ve %35'i genel pil tasarımı içindir. Diğer bir deyişle, lityum-iyon piller bir pilin maliyetine yüzde 65 katkıda bulunuyor. Gigafactory 2020'in hizmete girdiği 1 yılı için tahmini Tesla fiyatları, NCA piller için yaklaşık 300 €/kWh'dir ve fiyata bitmiş ürün, ortalama KDV ve garanti dahildir. Hala oldukça yüksek bir fiyat ve zamanla düşmeye devam edecek.

Ana lityum rezervleri Arjantin, Bolivya, Şili, Çin, ABD, Avustralya, Kanada, Rusya, Kongo ve Sırbistan'da bulunmakta olup, büyük çoğunluğu şu anda kuru göllerden çıkarılmaktadır. Daha fazla pil biriktikçe, eski pillerden geri dönüştürülen malzeme pazarı da artacaktır. Ancak daha da önemlisi, büyük miktarlarda bulunmasına rağmen, nikel ve bakır üretiminde bir yan ürün olarak çıkarılan kobalt sorunudur. Kobalt, topraktaki düşük konsantrasyonuna rağmen (mevcut en büyük rezervlere sahip olan) Kongo'da, ancak etik, ahlak ve çevre korumasına meydan okuyan koşullar altında çıkarılmaktadır.

İleri teknoloji

Yakın gelecek için bir olasılık olarak kabul edilen teknolojilerin aslında temelde yeni olmadığı, ancak lityum iyon seçenekleri olduğu unutulmamalıdır. Bunlar, örneğin bir sıvı (veya lityum polimer pillerde jel) yerine katı bir elektrolit kullanan katı hal pillerdir. Bu çözüm, elektrotların sırasıyla yüksek akımla şarj edildiğinde bütünlüğünü bozan daha kararlı bir tasarım sağlar. yüksek sıcaklık ve yüksek yük. Bu, şarj akımını, elektrot yoğunluğunu ve kapasitansı artırabilir. Katı hal pilleri hala geliştirme sürecinin çok erken bir aşamasındadır ve on yılın ortasına kadar seri üretime geçme olasılığı düşüktür.

Amsterdam'daki 2017 BMW İnovasyon Teknolojisi Yarışması'nda ödüllü start-up'lardan biri, silikon anodu enerji yoğunluğunu artıran, pille çalışan bir şirketti. Mühendisler, hem anot hem de katot malzemesine daha fazla yoğunluk ve dayanıklılık sağlamak için çeşitli nanoteknolojiler üzerinde çalışıyor ve bir çözüm grafen kullanmak. Tek atom kalınlığına ve altıgen atomik yapıya sahip bu mikroskobik grafit katmanları, en umut verici malzemelerden biridir. Pil hücresi üreticisi Samsung SDI tarafından geliştirilen ve katot ve anot yapısına entegre edilen "grafen topları", malzemenin daha yüksek mukavemetini, geçirgenliğini ve yoğunluğunu ve buna karşılık olarak yaklaşık %45 kapasite artışı ve beş kat daha hızlı şarj süresi sağlar. Bu tür akülerle ilk donatılan Formula E otomobillerinden en güçlü dürtüyü alabilir.

Bu aşamadaki oyuncular

Tier 123 ve Tier 2020 tedarikçileri yani hücre ve pil üreticileri olarak ana oyuncular Japonya (Panasonic, Sony, GS Yuasa ve Hitachi Vehicle Energy), Kore (LG Chem, Samsung, Kokam ve SK Innovation), Çin (BYD Company )'dir. . , ATL ve Lishen) ve ABD (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel ve Valence Technology). Cep telefonlarının ana tedarikçileri şu anda üçte iki pazar payına sahip olan LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Kore), AESC (Japonya), BYD (Çin) ve CATL (Çin)'dir. Avrupa'da bu aşamada sadece Almanya'dan BMZ Group ve İsveç'ten Northvolth karşı çıkıyor. Tesla'nın Gigafactory'sinin XNUMX'de piyasaya sürülmesiyle bu oran değişecek - Amerikan şirketi dünyadaki lityum iyon pil üretiminin %XNUMX'unu oluşturacak. Daimler ve BMW gibi şirketler, Avrupa'da fabrika kuran CATL gibi bu şirketlerden bazılarıyla şimdiden sözleşmeler imzaladı.