Càr dealain an-dè, an-diugh, a-màireach: pàirt 3

Tha an teirm "bataraidhean lithium-ion" a ’falach iomadh seòrsa teicneòlas.

Tha aon rud cinnteach - fhad ‘s a tha electrochemistry lithium-ion fhathast gun atharrachadh a thaobh seo. Chan urrainn do theicneòlas stòraidh lùth electrochemical sam bith eile farpais ri lithium-ion. Is e a’ phuing, ge-tà, gu bheil diofar dhealbhaidhean ann a bhios a’ cleachdadh diofar stuthan airson an catode, anod agus electrolyte, agus tha buannachdan eadar-dhealaichte aig gach fear dhiubh a thaobh seasmhachd (an àireamh de chuairtean cosgais is sgaoilidh suas gu comas fuigheall ceadaichte airson carbadan dealain. de 80%), cumhachd sònraichte kWh/kg, prìs euro/kg no co-mheas cumhachd gu cumhachd.

Air ais ann an tìm

An comas pròiseasan electrochemical a dhèanamh anns an t-ainm ris an canar. Bidh ceallan lithium-ion a’ tighinn bho bhith a’ sgaradh protonaichean lithium agus dealanan bhon t-snaim lithium aig a’ chatod aig àm cosgais. Bidh an atom lithium gu furasta a’ toirt seachad aon de na trì dealanan aige, ach airson an aon adhbhar tha e gu math reactive agus feumaidh e a bhith air a sgaradh bho èadhar agus uisge. Anns an stòr bholtachd, bidh na dealanan a ’tòiseachadh a’ gluasad air feadh a ’chuairt aca, agus tha na h-ianan air an stiùireadh chun anod carbon-lithium agus, a’ dol tron ​​​​membran, tha iad ceangailte ris. Rè an t-sgaoilidh, bidh an gluasad air ais a 'tachairt - bidh na h-ianan a' tilleadh don chatod, agus bidh na dealanan, an uair sin, a 'dol tron ​​​​luchd-dealain taobh a-muigh. Ach, bidh cosgais luath àrd-làthaireach agus làn sgaoileadh a’ leantainn gu cruthachadh cheanglaichean seasmhach ùra, a lughdaicheas no eadhon a chuireas stad air gnìomh a’ bhataraidh. Tha am beachd air cùl cleachdadh lithium mar neach-tabhartais gràin a’ tighinn bhon fhìrinn gur e am meatailt as aotrom a th’ ann agus gun urrainn dha protonaichean agus dealanan a leigeil ma sgaoil gu furasta fo na suidheachaidhean ceart. Ach, tha luchd-saidheans gu luath a’ trèigsinn cleachdadh lithium fìor-ghlan air sgàth cho caochlaideach ‘s a tha e, a chomas ceangal ri èadhar, agus airson adhbharan sàbhailteachd.

Chaidh a ’chiad bataraidh lithium-ion a chruthachadh anns na 1970an le Mìcheal Whittingham, a chleachd lithium fìor-ghlan agus titanium sulfide mar electrodan. Chan eilear a ’cleachdadh an electrochemistry seo, ach gu dearbh tha e a’ suidheachadh bhunaitean airson bataraidhean lithium-ion. Anns na 1970n, sheall Samar Basu an comas ions lithium a ghabhail a-steach bho ghraifite, ach le eòlas na h-ùine sin, bidh bataraidhean gan fèin-sgrios gu sgiobalta nuair a thèid an gearradh agus an leigeil ma sgaoil. Anns na 1980n, thòisich leasachadh dian a ’lorg todhar lithium freagarrach airson an catod agus anode bataraidhean, agus thàinig am fìor bhriseadh ann an 1991.

Ceallan Lithium NCA, NCM ... dè tha seo a ’ciallachadh ann an da-rìribh?

Às deidh deuchainn a dhèanamh air diofar choimeasgaidhean lithium ann an 1991, chaidh oidhirpean luchd-saidheans a chrùnadh gu soirbheachail - thòisich Sony air cinneasachadh mòr de bataraidhean lithium-ion. An-dràsta, tha an cumhachd toraidh agus an dùmhlachd lùth as àirde aig bataraidhean den t-seòrsa seo, agus as cudromaiche, tha comas mòr airson leasachadh. A rèir riatanasan bataraidh, tha companaidhean a’ tionndadh gu diofar choimeasgaidhean lithium mar stuth catod. Is iad seo lithium cobalt oxide (LCO), coimeasgaidhean le nicil, cobalt agus alùmanum (NCA) no le nicil, cobalt agus manganese (NCM), lithium iarann ​​phosphate (LFP), lithium manganese spinel (LMS), lithium titanium oxide (LTO). agus feadhainn eile. Tha an electrolyte na mheasgachadh de shalainn lithium agus fuasglaidhean organach agus tha e gu sònraichte cudromach airson “gluasad” ions lithium, agus mar as trice is e polyethylene no polypropylene an dealaiche, a tha an urra ri casg a chuir air cuairtean goirid le bhith permeable gu ions lithium.

Cumhachd toraidh, comas, no an dà chuid

Is e na feartan as cudromaiche de bataraidhean dùmhlachd lùth, earbsachd agus sàbhailteachd. Tha bataraidhean a chaidh an dèanamh an-dràsta a ’còmhdach raon farsaing de na feartan sin agus, a rèir dè na stuthan a thathas a’ cleachdadh, tha raon lùtha sònraichte aca eadar 100 is 265 W / kg (agus dùmhlachd lùth de 400 gu 700 W / L). Is e an fheadhainn as fheàrr a thaobh seo bataraidhean NCA agus na LFPan as miosa. Ach, tha an stuth air aon taobh den bhuinn. Gus an dà chuid dùmhlachd lùth is lùth sònraichte a mheudachadh, thathas a ’cleachdadh diofar nanostructaran gus barrachd stuth a ghabhail a-steach agus seoltachd nas àirde a thoirt don t-sruth ian. Tha àireamh mhòr de ions, "air an stòradh" ann an todhar seasmhach, agus seoltachd nan ro-ghoireasan airson cosgais nas luaithe, agus tha leasachadh air a stiùireadh anns na stiùiridhean sin. Aig an aon àm, feumaidh dealbhadh a ’bhataraidh an co-mheas cumhachd is comas riatanach a thoirt seachad a rèir an seòrsa draibhidh. Mar eisimpleir, feumaidh co-mheas cumhachd-gu-comas mòran nas àirde a bhith aig hibridan plug-in airson adhbharan follaiseach. Tha leasachaidhean an latha an-diugh ag amas air bataraidhean leithid NCA (LiNiCoAlO2 le catod agus anode grafite) agus NMC 811 (LiNiMnCoO2 le catod agus anode grafite). Anns a ’chiad fhear tha (taobh a-muigh lithium) timcheall air 80% nicil, 15% cobalt agus 5% alùmanum agus tha lùth sònraichte aca de 200-250 W / kg, a tha a’ ciallachadh nach eil mòran cleachdaidh aca de cobalt èiginneach agus beatha seirbheis suas ri 1500 cearcall. Thèid bataraidhean mar sin a thoirt gu buil le Tesla aig a Gigafactory ann an Nevada. Nuair a ruigeas e an làn chomas a tha san amharc (ann an 2020 no 2021, mar a thachras), bheir an lus a-mach 35 GWh de bhataraidhean, gu leòr airson cumhachd a thoirt do 500 carbad. Lughdaichidh seo tuilleadh cosgais nan bataraidhean.

Tha lùth sònraichte beagan nas ìsle aig bataraidhean NMC 811 (140-200W / kg) ach tha beatha nas fhaide aca, a’ ruighinn 2000 làn chearcall, agus tha iad 80% nicil, 10% manganese agus 10% cobalt. An-dràsta, bidh a h-uile neach-dèanamh bataraidh a’ cleachdadh aon den dà sheòrsa sin. Is e an aon eisgeachd a’ chompanaidh Sìneach BYD, a bhios a ’dèanamh bataraidhean LFP. Tha càraichean uidheamaichte leotha nas truime, ach chan fheum iad cobalt. Is fheàrr le bataraidhean NCA airson carbadan dealain agus NMC airson hybrids plug-in air sgàth na buannachdan aca a thaobh dùmhlachd lùtha agus dùmhlachd cumhachd. Is e eisimpleirean an e-Golf dealain le co-mheas cumhachd / comas de 2,8 agus an Golf Golf GTE plug-in le co-mheas de 8,5. Ann an ainm a bhith a 'lùghdachadh a' phrìs, tha VW an dùil na h-aon cheallan a chleachdadh airson gach seòrsa bataraidh. Agus aon rud eile - mar as motha comas a’ bhataraidh, is ann as lugha a bhios an àireamh de làn sgaoilidhean is chosgais, agus àrdaichidh seo am beatha seirbheis, mar sin - mar as motha am bataraidh, ’s ann as fheàrr. Tha an dàrna fear mu dheidhinn hybrids mar dhuilgheadas.

Gluasadan margaidh

Aig an àm seo, tha an t-iarrtas airson bataraidhean airson adhbharan còmhdhail mu thràth nas àirde na an iarrtas airson toraidhean dealanach. Thathas fhathast an dùil gun tèid 2020 millean carbad dealain gach bliadhna a reic air feadh na cruinne ro 1,5, a chuidicheas le bhith a’ lughdachadh cosgais bataraidhean. Ann an 2010, bha prìs 1 kWh de chealla lithium-ion timcheall air 900 iùro, agus a-nis tha e nas lugha na 200 iùro. Tha 25% de chosgais a’ bhataraidh gu lèir airson a’ chatóid, 8% airson an anod, dealaiche agus electrolyte, 16% airson a h-uile cealla bataraidh eile agus 35% airson dealbhadh iomlan a’ bhataraidh. Ann am faclan eile, tha ceallan lithium-ion a 'cur 65 sa cheud ri cosgais bataraidh. Tha prìsean tuairmseach Tesla airson 2020 nuair a thig Gigafactory 1 a-steach don t-seirbheis timcheall air 300 € / kWh airson bataraidhean NCA agus tha a’ phrìs a ’toirt a-steach an toradh crìochnaichte le beagan VAT agus barantas cuibheasach. Fhathast prìs gu math àrd, a chumas a 'crìonadh thar ùine.

Lorgar na prìomh stòran lithium ann an Argentina, Bolivia, Chile, Sìona, na SA, Astràilia, Canada, an Ruis, Congo agus Serbia, leis a ’mhòr-chuid an-dràsta air am mèinneadh bho lochan tiormaichte. Mar a bhios barrachd is barrachd bataraidhean a ’cruinneachadh, bidh a’ mhargaidh airson stuthan air an ath-chuairteachadh bho seann bhataraidhean ag àrdachadh. Nas cudromaiche, ge-tà, tha duilgheadas cobalt, a tha, ged a tha e an làthair ann am meudan mòra, air a mhèinneadh mar fo-thoradh ann an dèanamh nicil agus copar. Tha Cobalt air a mhèinneadh, a dh ’aindeoin cho ìosal sa tha e san ùir, anns a’ Chongo (aig a bheil na stòran as motha a tha rim faighinn), ach ann an suidheachaidhean a bheir dùbhlan do bheusachd, moraltachd agus dìon na h-àrainneachd.

Teicneòlas adhartach

Bu chòir cuimhneachadh nach eil na teicneòlasan a chaidh an cleachdadh mar shealladh san àm ri teachd gu ìre mhòr ùr, ach gu bheil iad nan roghainnean lithium-ion. Is iad sin, mar eisimpleir, bataraidhean stàite cruaidh, a bhios a ’cleachdadh electrolyte cruaidh an àite leaghan (no gel ann am bataraidhean lithium polymer). Tha am fuasgladh seo a ’toirt seachad dealbhadh nas seasmhaiche de na dealanan, a bhios a’ dol an aghaidh an ionracas nuair a thèid an togail le sruth àrd, fa leth. teòthachd àrd agus luchdan àrd. Faodaidh seo àrdachadh a dhèanamh air sruth cosgais, dùmhlachd dealain agus comas. Tha bataraidhean stàite solid fhathast aig ìre leasachaidh gu math tràth agus chan eil coltas ann gum buail iad mòr-chinneasachadh gu meadhan na deichead.

B ’e aon de na companaidhean tòiseachaidh a choisinn duaisean aig Farpais Teicneòlas Ùr-ghnàthachaidh BMW 2017 ann an Amsterdam companaidh cumhachd bataraidh a tha an anod silicon a’ leasachadh dùmhlachd lùtha. Tha innleadairean ag obair air grunn nano-theicneòlasan gus barrachd dùmhlachd agus neart a thoirt do stuth an anode agus catod, agus is e aon fhuasgladh a bhith a ’cleachdadh graphene. Tha na sreathan microscopach seo de ghraifite le tiugh aon atom agus structar atamach sia-thaobhach mar aon de na stuthan as gealltanach. Bidh na "bàlaichean graphene" a chaidh an leasachadh leis an neach-dèanamh cealla bataraidh Samsung SDI, air an amalachadh a-steach do structar catod agus anode, a ’toirt neart nas àirde, permeability agus dùmhlachd an stuth agus àrdachadh co-fhreagarrach ann an comas timcheall air 45% agus còig uairean nas luaithe ann an ùine cosgais. Tha na teicneòlasan sin. gheibh iad an sparradh as làidire bho chàraichean Formula E, is dòcha gur e seo a ’chiad fhear a gheibh uidheamachd le bataraidhean mar sin.

Cluicheadairean aig an ìre seo

Is e na prìomh chluicheadairean mar sholaraichean Tier 123 agus Tier 2020, ie luchd-saothrachaidh cealla is bataraidh, Iapan (Panasonic, Sony, GS Yuasa agus Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam agus SK Innovation), Sìona (BYD Company ) . , ATL agus Lishen) agus na SA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel agus Valence Technology). Is e na prìomh sholaraichean fònaichean cealla an-dràsta LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Iapan), BYD (Sìona) agus CATL (Sìona), aig a bheil roinn margaidh de dhà thrian. Aig an ìre seo san Roinn Eòrpa, tha iad a-mhàin an aghaidh BMZ Group às a 'Ghearmailt agus Northvolth bhon t-Suain. Le foillseachadh Tesla's Gigafactory ann an XNUMX, atharraichidh a 'chuibhreann seo - bidh a' chompanaidh Ameireaganach a 'toirt cunntas air XNUMX% de riochdachadh ceallan lithium-ion an t-saoghail. Tha companaidhean leithid Daimler agus BMW mar-thà air cùmhnantan a shoidhnigeadh le cuid de na companaidhean sin, leithid CATL, a tha a’ togail factaraidh san Roinn Eòrpa.