Xe điện hôm qua, hôm nay, ngày mai: phần 3

Thuật ngữ "pin lithium-ion" ẩn chứa nhiều loại công nghệ.

Có một điều chắc chắn – miễn là điện hóa học lithium-ion không thay đổi về mặt này. Không có công nghệ lưu trữ năng lượng điện hóa nào khác có thể cạnh tranh với lithium-ion. Tuy nhiên, vấn đề là có những thiết kế khác nhau sử dụng các vật liệu khác nhau cho cực âm, cực dương và chất điện phân, mỗi loại có những ưu điểm khác nhau về độ bền (số chu kỳ sạc và xả lên đến công suất dư cho phép đối với xe điện là 80%), công suất cụ thể kWh/kg, giá euro/kg hoặc tỷ lệ công suất trên công suất.

Ngược dòng thời gian

Khả năng thực hiện các quá trình điện hóa trong cái gọi là. Các tế bào lithium-ion được hình thành từ quá trình tách các proton và electron của lithium khỏi điểm nối lithium ở cực âm trong quá trình sạc. Nguyên tử liti dễ dàng nhường một trong ba electron của nó, nhưng cũng vì lý do đó, nó có tính phản ứng cao và phải được cách ly khỏi không khí và nước. Trong nguồn điện áp, các electron bắt đầu di chuyển dọc theo mạch của chúng và các ion được hướng đến cực dương carbon-lithium và đi qua màng, được kết nối với nó. Trong quá trình phóng điện, chuyển động ngược lại xảy ra - các ion quay trở lại cực âm và các electron lần lượt đi qua tải điện bên ngoài. Tuy nhiên, sạc nhanh và xả đầy dòng điện cao dẫn đến việc hình thành các kết nối bền mới, làm giảm hoặc thậm chí ngừng hoạt động của pin. Ý tưởng đằng sau việc sử dụng lithium làm chất cho hạt bắt nguồn từ thực tế rằng nó là kim loại nhẹ nhất và có thể dễ dàng giải phóng proton và electron trong điều kiện thích hợp. Tuy nhiên, các nhà khoa học đang nhanh chóng từ bỏ việc sử dụng lithium nguyên chất do tính dễ bay hơi cao, khả năng liên kết với không khí và vì lý do an toàn của nó.

Pin lithium-ion đầu tiên được tạo ra vào những năm 1970 bởi Michael Whittingham, người đã sử dụng lithium và titan sulfide tinh khiết làm điện cực. Điện hóa học này không còn được sử dụng nữa, nhưng thực sự đặt nền móng cho pin lithium-ion. Vào những năm 1970, Samar Basu đã chứng minh khả năng hấp thụ các ion lithium từ than chì, nhưng do kinh nghiệm thời bấy giờ, pin nhanh chóng tự hủy khi sạc và xả. Vào những năm 1980, quá trình phát triển chuyên sâu đã bắt đầu tìm ra các hợp chất lithium thích hợp cho cực âm và cực dương của pin, và bước đột phá thực sự đã đến vào năm 1991.

Tế bào lithium NCA, NCM ... điều này thực sự có ý nghĩa gì?

Sau khi thử nghiệm với nhiều hợp chất lithium khác nhau vào năm 1991, nỗ lực của các nhà khoa học đã thành công rực rỡ - Sony bắt đầu sản xuất hàng loạt pin lithium-ion. Hiện tại, loại pin này có công suất đầu ra và mật độ năng lượng cao nhất, và quan trọng nhất là có tiềm năng phát triển đáng kể. Tùy thuộc vào yêu cầu của pin, các công ty đang chuyển sang sử dụng các hợp chất lithium khác nhau làm vật liệu cực âm. Đó là liti coban oxit (LCO), hợp chất với niken, coban và nhôm (NCA) hoặc với niken, coban và mangan (NCM), liti sắt photphat (LFP), liti mangan spinel (LMS), liti titan oxit (LTO) và những người khác. Chất điện phân là hỗn hợp của muối liti và dung môi hữu cơ và đặc biệt quan trọng đối với tính "di động" của các ion liti, và chất phân tách, chịu trách nhiệm ngăn ngừa đoản mạch do cho các ion liti thẩm thấu, thường là polyetylen hoặc polypropylen.

Công suất đầu ra, công suất hoặc cả hai

Các đặc điểm quan trọng nhất của pin là mật độ năng lượng, độ tin cậy và an toàn. Pin hiện được sản xuất bao gồm nhiều loại chất lượng này và, tùy thuộc vào vật liệu được sử dụng, có phạm vi năng lượng cụ thể từ 100 đến 265 W / kg (và mật độ năng lượng từ 400 đến 700 W / L). Tốt nhất về mặt này là pin NCA và pin LFP kém nhất. Tuy nhiên, vật liệu là một mặt của đồng xu. Để tăng cả mật độ năng lượng và năng lượng cụ thể, các cấu trúc nano khác nhau được sử dụng để hấp thụ nhiều vật chất hơn và cung cấp độ dẫn dòng ion cao hơn. Một số lượng lớn các ion, được "lưu trữ" trong một hợp chất ổn định, và độ dẫn điện là điều kiện tiên quyết để sạc nhanh hơn và sự phát triển được định hướng theo những hướng này. Đồng thời, thiết kế pin phải cung cấp tỷ lệ điện năng trên dung lượng cần thiết tùy thuộc vào loại ổ đĩa. Ví dụ, plug-in hybrid cần phải có tỷ lệ công suất trên công suất cao hơn nhiều vì những lý do rõ ràng. Sự phát triển ngày nay tập trung vào các loại pin như NCA (LiNiCoAlO2 với cực âm và cực dương bằng than chì) và NMC 811 (LiNiMnCoO2 với cực âm và cực dương bằng than chì). Loại trước đây chứa (ngoài lithium) khoảng 80% niken, 15% coban và 5% nhôm và có năng lượng riêng 200-250 W / kg, có nghĩa là chúng có mức sử dụng tương đối hạn chế coban quan trọng và tuổi thọ lên đến 1500 chu kỳ. Những loại pin như vậy sẽ được Tesla sản xuất tại Gigafactory ở Nevada. Khi đạt công suất tối đa theo kế hoạch (vào năm 2020 hoặc 2021, tùy tình hình), nhà máy sẽ sản xuất 35 GWh pin, đủ cung cấp năng lượng cho 500 xe. Điều này sẽ làm giảm thêm chi phí của pin.

Pin NMC 811 có năng lượng riêng thấp hơn một chút (140-200W/kg) nhưng có tuổi thọ cao hơn, đạt 2000 chu kỳ đầy đủ và có 80% niken, 10% mangan và 10% coban. Hiện tại, tất cả các nhà sản xuất pin đều sử dụng một trong hai loại này. Ngoại lệ duy nhất là công ty Trung Quốc BYD, công ty sản xuất pin LFP. Những chiếc xe được trang bị chúng nặng hơn, nhưng chúng không cần coban. Pin NCA được ưa chuộng hơn cho xe điện và NMC cho xe hybrid cắm điện do những ưu điểm tương ứng của chúng về mật độ năng lượng và mật độ năng lượng. Ví dụ như e-Golf chạy điện với tỷ lệ công suất/công suất là 2,8 và Golf GTE hybrid cắm điện với tỷ lệ 8,5. Để giảm giá, VW dự định sử dụng cùng loại pin cho tất cả các loại pin. Và một điều nữa - dung lượng của pin càng lớn thì số lần xả và sạc đầy càng ít, và điều này làm tăng tuổi thọ của nó, do đó - pin càng lớn thì càng tốt. Thứ hai liên quan đến giống lai như một vấn đề.

Xu hướng thị trường

Hiện tại, nhu cầu về pin cho mục đích vận chuyển đã vượt quá nhu cầu về các sản phẩm điện tử. Người ta vẫn dự đoán rằng 2020 triệu xe điện mỗi năm sẽ được bán trên toàn cầu vào năm 1,5, điều này sẽ giúp giảm chi phí pin. Năm 2010, giá 1 kWh của pin lithium-ion là khoảng 900 euro thì nay chỉ còn dưới 200 euro. 25% chi phí của toàn bộ pin là dành cho cực âm, 8% cho cực dương, dải phân cách và chất điện phân, 16% cho tất cả các loại pin khác và 35% cho thiết kế tổng thể của pin. Nói cách khác, pin lithium-ion đóng góp 65% vào giá thành của pin. Giá ước tính của Tesla cho năm 2020 khi Gigafactory 1 đi vào hoạt động là khoảng 300 €/kWh đối với pin NCA và giá đã bao gồm thành phẩm với một số VAT trung bình và bảo hành. Vẫn là một mức giá khá cao, sẽ tiếp tục giảm theo thời gian.

Trữ lượng lithium chính được tìm thấy ở Argentina, Bolivia, Chile, Trung Quốc, Mỹ, Úc, Canada, Nga, Congo và Serbia, với phần lớn hiện được khai thác từ các hồ khô. Khi ngày càng nhiều pin tích tụ, thị trường vật liệu tái chế từ pin cũ sẽ tăng lên. Tuy nhiên, vấn đề quan trọng hơn là coban, mặc dù có mặt với số lượng lớn, được khai thác như một sản phẩm phụ trong quá trình sản xuất niken và đồng. Coban được khai thác, mặc dù nồng độ thấp trong đất, ở Congo (nơi có trữ lượng lớn nhất hiện có), nhưng trong những điều kiện thách thức đạo đức, luân lý và bảo vệ môi trường.

Công nghệ cao

Cần lưu ý rằng các công nghệ được chấp nhận như một triển vọng cho tương lai gần về cơ bản không phải là mới, mà là các lựa chọn lithium-ion. Ví dụ, chúng là pin thể rắn, sử dụng chất điện phân rắn thay vì chất lỏng (hoặc gel trong pin lithium polymer). Giải pháp này cung cấp thiết kế ổn định hơn của các điện cực, điều này vi phạm tính toàn vẹn của chúng khi được sạc với dòng điện cao. nhiệt độ cao và tải cao. Điều này có thể làm tăng dòng điện sạc, mật độ điện cực và điện dung. Pin trạng thái rắn vẫn đang ở giai đoạn phát triển rất sớm và khó có khả năng được sản xuất hàng loạt cho đến giữa thập kỷ.

Một trong những công ty khởi nghiệp từng đoạt giải thưởng tại Cuộc thi Công nghệ Sáng tạo BMW 2017 ở Amsterdam là một công ty chạy bằng pin có cực dương silicon giúp cải thiện mật độ năng lượng. Các kỹ sư đang nghiên cứu các công nghệ nano khác nhau để cung cấp mật độ và sức mạnh lớn hơn cho cả vật liệu cực dương và cực âm, và một giải pháp là sử dụng graphene. Những lớp graphite cực nhỏ với độ dày một nguyên tử và cấu trúc nguyên tử hình lục giác này là một trong những vật liệu hứa hẹn nhất. Các "quả bóng graphene" được phát triển bởi nhà sản xuất tế bào pin Samsung SDI, được tích hợp vào cấu trúc cực âm và cực dương, cung cấp độ bền, độ thẩm thấu và mật độ của vật liệu cao hơn và tăng dung lượng tương ứng khoảng 45% và thời gian sạc nhanh hơn năm lần. Các công nghệ này có thể nhận xung lực mạnh nhất từ ​​những chiếc xe Công thức E, đây có thể là chiếc đầu tiên được trang bị loại pin như vậy.

Người chơi ở giai đoạn này

Các nhà cung cấp chính với tư cách là nhà cung cấp Cấp 123 và Cấp 2020, tức là các nhà sản xuất pin và tế bào, là Nhật Bản (Panasonic, Sony, GS Yuasa và Hitachi Vehicle Energy), Hàn Quốc (LG Chem, Samsung, Kokam và SK Innovation), Trung Quốc (Công ty BYD) . , ATL và Lishen) và Hoa Kỳ (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel và Valence Technology). Các nhà cung cấp điện thoại di động chính hiện nay là LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Hàn Quốc), AESC (Nhật Bản), BYD (Trung Quốc) và CATL (Trung Quốc), chiếm XNUMX/XNUMX thị phần. Ở giai đoạn này ở châu Âu, họ chỉ bị phản đối bởi Tập đoàn BMZ từ Đức và Northvolth từ Thụy Điển. Với việc ra mắt Gigafactory của Tesla vào năm XNUMX, tỷ lệ này sẽ thay đổi - công ty Mỹ sẽ chiếm XNUMX% sản lượng pin lithium-ion của thế giới. Các công ty như Daimler và BMW đã ký hợp đồng với một số công ty này, chẳng hạn như CATL, công ty đang xây dựng một nhà máy ở châu Âu.