Էլեկտրական մեքենա երեկ, այսօր, վաղը. Մաս 3

«Լիթիում-իոնային մարտկոցներ» տերմինը թաքցնում է տեխնոլոգիաների լայն տեսականի:

Մի բան հաստատ է, քանի դեռ լիթիում-իոնային էլեկտրաքիմիան այս առումով մնում է անփոփոխ: Էլեկտրաքիմիական էներգիայի պահպանման ոչ մի այլ տեխնոլոգիա չի կարող մրցել լիթիում-իոնի հետ: Բանն այն է, սակայն, որ կան տարբեր նմուշներ, որոնք օգտագործում են տարբեր նյութեր կաթոդի, անոդի և էլեկտրոլիտի համար, որոնցից յուրաքանչյուրն ունի տարբեր առավելություններ երկարակեցության առումով (լիցքավորման և լիցքաթափման ցիկլերի քանակը մինչև էլեկտրական մեքենաների համար թույլատրելի մնացորդային հզորությունը): 80%), հատուկ հզորություն կՎտժ/կգ, գինը եվրո/կգ կամ հզորություն/հզորության հարաբերակցություն:

Վերադառնալ ժամանակին

Էլեկտրաքիմիական գործընթացների իրականացման հնարավորությունը այսպես կոչված. Լիթիում-իոնային բջիջները գալիս են լիցքավորման ժամանակ կաթոդի լիթիումի միացումից լիթիումի պրոտոնների և էլեկտրոնների բաժանումից: Լիթիումի ատոմը հեշտությամբ նվիրաբերում է իր երեք էլեկտրոններից մեկը, բայց նույն պատճառով այն շատ ռեակտիվ է և պետք է մեկուսացված լինի օդից և ջրից: Լարման աղբյուրում էլեկտրոնները սկսում են շարժվել իրենց շղթայի երկայնքով, իսկ իոններն ուղղվում են դեպի ածխածնի լիթիումային անոդ և, անցնելով թաղանթով, միանում են դրան։ Լիցքաթափման ժամանակ տեղի է ունենում հակադարձ շարժում՝ իոնները վերադառնում են կաթոդ, իսկ էլեկտրոններն իրենց հերթին անցնում են արտաքին էլեկտրական բեռի միջով։ Այնուամենայնիվ, բարձր հոսանքի արագ լիցքավորումը և լրիվ լիցքաթափումը հանգեցնում են նոր ամուր կապերի ձևավորմանը, ինչը նվազեցնում կամ նույնիսկ դադարեցնում է մարտկոցի գործառույթը: Լիթիումը որպես մասնիկների դոնոր օգտագործելու գաղափարը բխում է այն փաստից, որ այն ամենաթեթև մետաղն է և կարող է հեշտությամբ ազատել պրոտոններ և էլեկտրոններ ճիշտ պայմաններում: Այնուամենայնիվ, գիտնականները արագորեն հրաժարվում են մաքուր լիթիումի օգտագործումից՝ դրա բարձր անկայունության, օդի հետ կապվելու ունակության և անվտանգության նկատառումներից ելնելով:

Առաջին լիթիում-իոնային մարտկոցը ստեղծվել է 1970-ականներին Մայքլ Ուիթինգհեմի կողմից, ով որպես էլեկտրոդներ օգտագործել է մաքուր լիթիում և տիտանի սուլֆիդ։ Այս էլեկտրաքիմիան այլևս չի օգտագործվում, բայց իրականում հիմք է դնում լիթիում-իոնային մարտկոցների համար: 1970-ականներին Սամար Բասուն ցուցադրեց գրաֆիտից լիթիումի իոնները կլանելու ունակությունը, սակայն ժամանակի փորձի շնորհիվ մարտկոցները արագորեն ինքնաոչնչացվեցին, երբ լիցքավորվեցին և լիցքաթափվեցին: 1980-ական թվականներին ինտենսիվ զարգացում սկսվեց մարտկոցների կաթոդի և անոդի համար համապատասխան լիթիումային միացություններ գտնելու համար, իսկ իրական առաջընթացը տեղի ունեցավ 1991 թվականին:

NCA, NCM լիթիումային բջիջներ... ի՞նչ է դա իրականում նշանակում:

1991 թվականին տարբեր լիթիումային միացությունների հետ փորձեր կատարելուց հետո գիտնականների ջանքերը պսակվեցին հաջողությամբ. Sony-ն սկսեց լիթիում-իոնային մարտկոցների զանգվածային արտադրությունը: Ներկայումս այս տիպի մարտկոցներն ունեն ամենաբարձր ելքային հզորությունը և էներգիայի խտությունը, և ամենակարևորը՝ զարգացման զգալի ներուժ: Կախված մարտկոցի պահանջներից՝ ընկերությունները դիմում են տարբեր լիթիումային միացությունների՝ որպես կաթոդի նյութ: Սրանք են լիթիումի կոբալտի օքսիդը (LCO), նիկելի, կոբալտի և ալյումինի (NCA) միացությունները կամ նիկելի, կոբալտի և մանգանի (NCM), լիթիումի երկաթի ֆոսֆատը (LFP), լիթիումի մանգանի սպինելը (LMS), լիթիումի տիտանի օքսիդը (LTO) եւ ուրիշներ. Էլեկտրոլիտը լիթիումի աղերի և օրգանական լուծիչների խառնուրդ է և հատկապես կարևոր է լիթիումի իոնների «շարժունակության» համար, իսկ տարանջատիչը, որը պատասխանատու է կարճ միացումները կանխելու համար՝ լիթիումի իոնների համար թափանցելի լինելով, սովորաբար պոլիէթիլեն է կամ պոլիպրոպիլեն։

Ելքային հզորություն, հզորություն կամ երկուսն էլ

Մարտկոցների ամենակարևոր բնութագրերն են հատուկ էներգիան, հուսալիությունը և անվտանգությունը: Ներկայումս արտադրված մարտկոցները ներառում են այս որակների լայն շրջանակ և, կախված օգտագործվող նյութերից, ունեն 100-ից մինչև 265 Վտ/կգ էներգիայի հատուկ միջակայք (և էներգիայի խտությունը 400-ից 700 Վտ/լ): Այս առումով լավագույնը NCA մարտկոցներն են և ամենավատ LFP-ները: Այնուամենայնիվ, նյութը մետաղադրամի մի կողմն է: Ե՛վ հատուկ էներգիան, և՛ էներգիայի խտությունը բարձրացնելու համար օգտագործվում են տարբեր նանոկառուցվածքներ՝ ավելի շատ նյութ կլանելու և իոնային հոսքի ավելի բարձր հաղորդունակություն ապահովելու համար: Կայուն միացման և հաղորդունակության մեջ «պահված» մեծ թվով իոններ ավելի արագ լիցքավորման նախադրյալ են, և զարգացումն ուղղված է այս ուղղություններով։ Միևնույն ժամանակ, մարտկոցի դիզայնը պետք է ապահովի հզորության և հզորության անհրաժեշտ հարաբերակցությունը՝ կախված շարժիչի տեսակից: Օրինակ, plug-in հիբրիդները պետք է ունենան հզորության և հզորության շատ ավելի բարձր հարաբերակցություն ակնհայտ պատճառներով: Ընթացիկ զարգացումները կենտրոնացած են NCA (LiNiCoAlO2 կաթոդով և գրաֆիտ անոդով) և NMC 811 (LiNiMnCoO2 կաթոդով և գրաֆիտային անոդով) մարտկոցների վրա: Առաջինները պարունակում են (լիթիումից դուրս) մոտ 80% նիկել, 15% կոբալտ և 5% ալյումին և ունեն 200-250 Վտ/կգ հատուկ էներգիա, ինչը նշանակում է, որ նրանք ունեն կրիտիկական կոբալտի համեմատաբար սահմանափակ օգտագործում և մինչև 1500% կյանք: 2020 ցիկլ. Նման մարտկոցներ կարտադրի Tesla-ն Նևադայում գտնվող իր Gigafactory-ում: Երբ այն հասնի պլանավորված լրիվ հզորությանը (2021-ին կամ 35-ին, կախված իրավիճակից), կայանը կարտադրի 500 ԳՎտ/ժ մարտկոց, որը բավարար կլինի 000 մեքենա սնուցելու համար։ Սա էլ ավելի կնվազեցնի մարտկոցների արժեքը:

NMC 811 մարտկոցներն ունեն մի փոքր ավելի ցածր հատուկ էներգիա (140-200 Վտ/կգ), բայց ունեն ավելի երկար կյանք՝ հասնելով 2000 ամբողջական ցիկլերի, և 80% նիկել, 10% մանգան և 10% կոբալտ։ Ներկայումս մարտկոցների բոլոր արտադրողներն օգտագործում են այս երկու տեսակներից մեկը: Միակ բացառությունը չինական BYD ընկերությունն է, որը արտադրում է LFP մարտկոցներ։ Դրանցով հագեցած մեքենաներն ավելի ծանր են, բայց կոբալտի կարիք չունեն։ NCA մարտկոցները նախընտրելի են էլեկտրական մեքենաների համար, իսկ NMC-ն՝ plug-in հիբրիդների համար՝ էներգիայի խտության և հզորության խտության առումով իրենց համապատասխան առավելությունների պատճառով: Օրինակներ են էլեկտրական e-Golf-ը` հզորություն/հզորություն 2,8 հարաբերակցությամբ և plug-in հիբրիդային Golf GTE-ն` 8,5 հարաբերակցությամբ: Գնի իջեցման անվան տակ VW-ն մտադիր է օգտագործել նույն բջիջները բոլոր տեսակի մարտկոցների համար։ Եվ ևս մեկ բան. որքան մեծ է մարտկոցի հզորությունը, այնքան քիչ է լրիվ լիցքաթափումների և լիցքավորման քանակը, և դա մեծացնում է դրա ծառայության ժամկետը, հետևաբար՝ որքան մեծ է մարտկոցը, այնքան լավ: Երկրորդը վերաբերում է հիբրիդներին որպես խնդիր։

Շուկայի միտումները

Ներկայումս տրանսպորտային նպատակներով մարտկոցների պահանջարկն արդեն գերազանցում է էլեկտրոնային արտադրանքի պահանջարկը։ Դեռևս կանխատեսվում է, որ մինչև 2020 թվականը աշխարհում տարեկան կվաճառվի 1,5 միլիոն էլեկտրական մեքենա, ինչը կօգնի նվազեցնել մարտկոցների արժեքը: 2010 թվականին լիթիում-իոնային բջիջի 1 կՎտ/ժ-ի արժեքը կազմում էր մոտ 900 եվրո, իսկ այժմ այն ​​200 եվրոյից էլ քիչ է։ Ամբողջ մարտկոցի արժեքի 25%-ը բաժին է ընկնում կաթոդին, 8%-ը՝ անոդին, տարանջատողին և էլեկտրոլիտին, 16%-ը՝ մարտկոցի մյուս բջիջներին և 35%-ը՝ մարտկոցի ընդհանուր դիզայնին: Այլ կերպ ասած, լիթիում-իոնային բջիջները նպաստում են մարտկոցի արժեքի 65 տոկոսին: Tesla-ի գնահատված գները 2020-ի համար, երբ Gigafactory 1-ը գործարկվի, մոտ 300 եվրո/կՎտժ է NCA մարտկոցների համար, և գինը ներառում է պատրաստի արտադրանքը՝ որոշակի միջին ԱԱՀ-ով և երաշխիքով: Դեռևս բավականին բարձր գին, որը ժամանակի ընթացքում կշարունակի նվազել:

Լիթիումի հիմնական պաշարները գտնվում են Արգենտինայում, Բոլիվիայում, Չիլիում, Չինաստանում, ԱՄՆ-ում, Ավստրալիայում, Կանադայում, Ռուսաստանում, Կոնգոյում և Սերբիայում, որոնց ճնշող մեծամասնությունը ներկայումս արդյունահանվում է չոր լճերից: Ավելի ու ավելի շատ մարտկոցների կուտակման հետ մեկտեղ կմեծանա հին մարտկոցներից վերամշակված նյութերի շուկան։ Ավելի կարևոր է, սակայն, կոբալտի խնդիրը, որը թեև առկա է մեծ քանակությամբ, սակայն արդյունահանվում է որպես նիկելի և պղնձի արտադրության կողմնակի արտադրանք։ Կոբալտի արդյունահանումը, չնայած հողում դրա ցածր խտությանը, տեղի է ունենում Կոնգոյում (որն ունի ամենամեծ հասանելի պաշարները), բայց այնպիսի պայմաններում, որոնք կասկածի տակ են դնում էթիկան, բարոյականությունը և շրջակա միջավայրի պաշտպանությունը:

Բարձր տեխնոլոգիաներ

Պետք է նկատի ունենալ, որ որպես մոտ ապագայի հեռանկար ընդունված տեխնոլոգիաները իրականում սկզբունքորեն նոր չեն, այլ լիթիում-իոնային տարբերակներ են։ Սրանք, օրինակ, պինդ վիճակում գտնվող մարտկոցներն են, որոնք հեղուկի փոխարեն օգտագործում են պինդ էլեկտրոլիտ (կամ գել լիթիումի պոլիմերային մարտկոցներում): Այս լուծումը ապահովում է էլեկտրոդների ավելի կայուն դիզայն, որը խախտում է դրանց ամբողջականությունը համապատասխանաբար մեծ հոսանքով լիցքավորելիս։ բարձր ջերմաստիճան և բարձր բեռ: Սա կարող է մեծացնել լիցքավորման հոսանքը, էլեկտրոդի խտությունը և հզորությունը: Պինդ վիճակում գտնվող մարտկոցները դեռ գտնվում են զարգացման շատ վաղ փուլում և հազիվ թե զանգվածային արտադրության մեջ մտնեն մինչև տասնամյակի կեսերը:

Ամստերդամում 2017 թվականի BMW Innovation Technology Competition-ի մրցանակակիր ստարտափներից մեկը մարտկոցով աշխատող ընկերություն էր, որի սիլիկոնային անոդը թույլ է տալիս ավելի մեծ էներգիայի խտություն ապահովել: Ինժեներներն աշխատում են տարբեր նանոտեխնոլոգիաների վրա՝ և՛ անոդը, և՛ կաթոդը ավելի խիտ և ամուր դարձնելու համար, և լուծումներից մեկը գրաֆենի օգտագործումն է: Գրաֆիտի այս մանրադիտակային շերտերը՝ մեկ ատոմ հաստությամբ և վեցանկյուն ատոմային կառուցվածքով, ամենախոստումնալից նյութերից են։ Մշակված է մարտկոցների բջիջների արտադրող Samsung SDI-ի կողմից, որոնք ինտեգրված են կաթոդի և անոդի կառուցվածքին, ապահովում են ավելի բարձր ամրություն, թափանցելիություն և նյութի խտություն և հզորության համապատասխան աճ մոտ 45%-ով և հինգ անգամ ավելի կարճ լիցքավորման ժամանակ: Այս տեխնոլոգիաները կարող են ստանալ ամենաուժեղը: Formula E-ի մեքենաներից, որոնք կարող են լինել առաջինը, որ կհամալրվեն նման մարտկոցներով:

Խաղացողներն այս փուլում

Որպես Tier 123 և Tier 2020 մատակարարներ, այսինքն՝ բջջային և մարտկոցներ արտադրողներ, հիմնական խաղացողներն են Ճապոնիան (Panasonic, Sony, GS Yuasa և Hitachi Vehicle Energy), Կորեան (LG Chem, Samsung, Kokam և SK Innovation), Չինաստանը (BYD Company) . , ATL և Lishen) և ԱՄՆ (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel և Valence Technology): Բջջային հեռախոսների հիմնական մատակարարներն են ներկայումս LG Chem-ը, Panasonic-ը, Samsung SDI-ն (Կորեա), AESC-ը (Ճապոնիա), BYD-ը (Չինաստան) և CATL-ը (Չինաստան), որոնք շուկայի մասնաբաժինը կազմում են երկու երրորդը: Եվրոպայում այս փուլում նրանց դեմ են միայն BMZ Group-ը Գերմանիայից և Northvolth-ը Շվեդիայից: XNUMX թվականին Tesla-ի Gigafactory-ի գործարկումից հետո այս համամասնությունը կփոխվի. ամերիկյան ընկերությանը բաժին կհասնի լիթիում-իոնային բջիջների համաշխարհային արտադրության XNUMX%-ը: Այնպիսի ընկերություններ, ինչպիսիք են Daimler-ը և BMW-ն, արդեն պայմանագրեր են կնքել այդ ընկերություններից մի քանիսի հետ, օրինակ՝ CATL-ը, որը գործարան է կառուցում Եվրոպայում: