מכונית חשמלית אתמול, היום, מחר: חלק 3

המונח "סוללות ליתיום-יון" מסתיר מגוון רחב של טכנולוגיות.

דבר אחד בטוח - כל עוד האלקטרוכימיה של ליתיום-יון נשארת ללא שינוי בהקשר זה. שום טכנולוגיה אחרת לאגירת אנרגיה אלקטרוכימית יכולה להתחרות עם ליתיום-יון. עם זאת, הנקודה היא שיש עיצובים שונים המשתמשים בחומרים שונים עבור הקתודה, האנודה והאלקטרוליט, שלכל אחד מהם יתרונות שונים מבחינת עמידות (מספר מחזורי הטעינה והפריקה עד לקיבולת שיורית מותרת לרכבים חשמליים של 80%), הספק ספציפי קוט"ש/ק"ג, מחיר אירו/ק"ג או יחס הספק להספק.

אחורה בזמן

האפשרות לבצע תהליכים אלקטרוכימיים במה שנקרא. תאי ליתיום-יון מגיעים מהפרדה של פרוטונים ליתיום ואלקטרונים מצומת הליתיום בקתודה במהלך הטעינה. אטום הליתיום תורם בקלות את אחד משלושת האלקטרונים שלו, אבל מאותה סיבה הוא מאוד תגובתי וחייב להיות מבודד מאוויר ומים. במקור המתח, האלקטרונים מתחילים לנוע לאורך המעגל שלהם, והיונים מופנים לאנודת הפחמן-ליתיום ועוברים דרך הממברנה מחוברים אליה. במהלך הפריקה מתרחשת התנועה ההפוכה - היונים חוזרים לקתודה, והאלקטרונים, בתורם, עוברים דרך העומס החשמלי החיצוני. עם זאת, טעינה מהירה בזרם גבוה ופריקה מלאה גורמת להיווצרות חיבורים עמידים חדשים, המפחיתים או אפילו עוצרים את תפקוד הסוללה. הרעיון מאחורי השימוש בליתיום כתורם חלקיקים נובע מהעובדה שהיא המתכת הקלה ביותר ויכולה לשחרר בקלות פרוטונים ואלקטרונים בתנאים הנכונים. עם זאת, מדענים נוטשים במהירות את השימוש בליתיום טהור בשל תנודתיותו הגבוהה, יכולתו להיקשר לאוויר ומסיבות בטיחות.

סוללת הליתיום-יון הראשונה נוצרה בשנות השבעים על ידי מייקל ויטמינגהאם, שהשתמש בליתיום טהור ובטיטניום גופרתי כאלקטרודות. אלקטרוכימיה זו כבר אינה בשימוש, אלא למעשה מניחה את היסודות לסוללות ליתיום-יון. בשנות ה -1970 סמר באסו הפגין את היכולת לספוג יוני ליתיום מגרפיט, אך בשל חוויית התקופה, סוללות נהרסו במהירות כשהן טעונות ופורקות. בשנות השמונים החלה פיתוח אינטנסיבי למציאת תרכובות ליתיום מתאימות לקתודה ולאנודה של סוללות, והפריצה האמיתית הגיעה בשנת 1970.

תאי ליתיום NCA, NCM ... מה זה באמת אומר?

לאחר ניסויים בתרכובות ליתיום שונות ב-1991, מאמציהם של מדענים הוכתרו בהצלחה – סוני החלה בייצור המוני של סוללות ליתיום-יון. נכון להיום, לסוללות מסוג זה יש את הספק התפוקה וצפיפות האנרגיה הגבוהים ביותר, והכי חשוב, פוטנציאל משמעותי לפיתוח. בהתאם לדרישות הסוללה, חברות פונות לתרכובות ליתיום שונות כחומר הקתודה. אלו הם ליתיום קובלט אוקסיד (LCO), תרכובות עם ניקל, קובלט ואלומיניום (NCA) או עם ניקל, קובלט ומנגן (NCM), ליתיום ברזל פוספט (LFP), ליתיום מנגן ספינל (LMS), תחמוצת ליתיום טיטניום (LTO) ואחרים. האלקטרוליט הוא תערובת של מלחי ליתיום וממיסים אורגניים וחשוב במיוחד ל"ניידות" של יוני ליתיום, והמפריד, שאחראי על מניעת קצרים על ידי היותו חדיר ליוני ליתיום, הוא לרוב פוליאתילן או פוליפרופילן.

הספק יציאה, קיבולת או שניהם

המאפיינים החשובים ביותר של סוללות הם צפיפות אנרגיה, אמינות ובטיחות. הסוללות המיוצרות כיום מכסות מגוון רחב של איכויות אלה, ובהתאם לחומרים המשמשים, הן בעלות טווח אנרגיה ספציפי של 100 עד 265 ואט / ק"ג (וצפיפות אנרגיה של 400 עד 700 ואט / ליטר). הטובים ביותר בעניין זה הם סוללות ה- NCA וה- LFP הגרועים ביותר. עם זאת, החומר הוא צד אחד של המטבע. כדי להגדיל הן את האנרגיה הספציפית והן את צפיפות האנרגיה, משתמשים במבנים ננו שונים לקליטת חומר רב יותר ומספקים מוליכות גבוהה יותר של זרם היונים. מספר גדול של יונים, "המאוחסנים" בתרכובת יציבה ומוליכות הם תנאי מוקדם לטעינה מהירה יותר, והפיתוח מכוון לכיוונים אלה. יחד עם זאת, על עיצוב הסוללה לספק את יחס ההספק-קיבולת הנדרש בהתאם לסוג הכונן. לדוגמא, היברידיות תוספות צריכות להיות בעלות יחס הספק-קיבולת גבוה בהרבה מסיבות ברורות. ההתפתחויות של ימינו מתמקדות בסוללות כמו NCA (LiNiCoAlO2 עם קתודה ואנודה גרפיט) ​​ו- NMC 811 (LiNiMnCoO2 עם קתודה ואנודה גרפיט). הראשונים מכילים (מחוץ ליתיום) כ- 80% ניקל, 15% קובלט ו- 5% אלומיניום ובעלי אנרגיה ספציפית של 200-250 W / kg, כלומר יש להם שימוש מוגבל יחסית בקובלט קריטי וחיי שירות של עד 1500 מחזורים. סוללות כאלה יופקו על ידי טסלה ב- Gigafactory שלה בנבאדה. כשהוא יגיע ליכולתו המלאה המתוכננת (בשנת 2020 או 2021, בהתאם למצב), המפעל ייצר 35 סוללות GWh לסוללות, מספיק להספק 500 כלי רכב. זה יקטין עוד יותר את עלות הסוללות.

לסוללות NMC 811 יש אנרגיה ספציפית מעט נמוכה יותר (140-200W/kg) אך בעלות חיים ארוכים יותר, מגיעות ל-2000 מחזורים מלאים, והן 80% ניקל, 10% מנגן ו-10% קובלט. נכון לעכשיו, כל יצרני הסוללות משתמשים באחד משני הסוגים הללו. היוצא מן הכלל היחיד הוא חברת BYD הסינית, המייצרת סוללות LFP. מכוניות המצוידות בהן כבדות יותר, אך הן אינן זקוקות לקובלט. סוללות NCA עדיפות לרכבים חשמליים ו-NMC עבור היברידיות פלאג-אין בשל היתרונות שלהן במונחים של צפיפות אנרגיה וצפיפות הספק. דוגמאות הן ה-e-Golf החשמלי עם יחס הספק/קיבולת של 2,8 וה-Plug-in ההיברידית Golf GTE עם יחס של 8,5. בשם הורדת המחיר, ב-VW מתכוונים להשתמש באותם תאים לכל סוגי הסוללות. ועוד דבר - ככל שהסוללה גדולה יותר, מספר הפריקות והטעינות המלאות קטן יותר, וזה מגדיל את חיי השירות שלה, לכן - ככל שהסוללה גדולה יותר, כך ייטב. השני נוגע להיברידיות כבעיה.

טרנדים בשוק

כיום, הביקוש לסוללות למטרות תחבורה כבר עולה על הביקוש למוצרים אלקטרוניים. עדיין צפוי כי 2020 מיליון כלי רכב חשמליים בשנה יימכרו ברחבי העולם עד 1,5, מה שיעזור להוזיל את עלות הסוללות. בשנת 2010, המחיר של 1 קילוואט של תא ליתיום-יון עמד על כ-900 יורו, וכעת הוא פחות מ-200 יורו. 25% מעלות הסוללה כולה היא עבור הקתודה, 8% עבור האנודה, המפריד והאלקטרוליט, 16% עבור כל שאר תאי הסוללה ו-35% עבור עיצוב הסוללה הכולל. במילים אחרות, תאי ליתיום-יון תורמים 65 אחוז לעלות הסוללה. מחירי טסלה משוערים לשנת 2020 כאשר Gigafactory 1 נכנס לשירות הם בסביבות 300€/kWh עבור סוללות NCA והמחיר כולל את המוצר המוגמר עם מע"מ ממוצע ואחריות. עדיין מחיר גבוה למדי, שימשיך לרדת לאורך זמן.

השמורות העיקריות של ליתיום נמצאות בארגנטינה, בוליביה, צ'ילה, סין, ארה"ב, אוסטרליה, קנדה, רוסיה, קונגו וסרביה, כאשר הרוב המכריע כרוך באגמים יבשים. ככל שיותר ויותר סוללות מצטברות, שוק החומרים הממוחזרים מסוללות ישנות יגדל. אולם חשובה יותר היא בעיית הקובלט, שאף שהיא קיימת בכמויות גדולות, היא כורה כתוצר לוואי בייצור ניקל ונחושת. קובלט ממוקש, למרות ריכוזו הנמוך בקרקע, בקונגו (שיש בה את העתודות הגדולות ביותר שיש), אך בתנאים המאתגרים אתיקה, מוסר והגנה על הסביבה.

טכנולוגיה מתקדמת

יש לזכור כי הטכנולוגיות המקובלות כסיכוי לעתיד הקרוב אינן חדשות באופן בסיסי, אלא הן אפשרויות ליתיום-יון. אלה, למשל, סוללות מצב מוצק, המשתמשות באלקטרוליט מוצק במקום בנוזל (או ג'ל בסוללות ליתיום פולימר). פתרון זה מספק תכנון יציב יותר של האלקטרודות, המפר את שלמותן כאשר הן טעונות בזרם גבוה, בהתאמה. טמפרטורה גבוהה ועומס גבוה. זה יכול להגדיל את זרם הטעינה, את צפיפות האלקטרודה ואת הקיבול. סוללות מצב מוצק עדיין נמצאות בשלב מוקדם מאוד של התפתחות והן לא צפויות להגיע לייצור המוני עד אמצע העשור.

אחד הסטארט-אפים עטורי הפרסים בתחרות הטכנולוגיה החדשנית של BMW 2017 באמסטרדם הייתה חברה המונעת על סוללות שאנודת הסיליקון שלה משפרת את צפיפות האנרגיה. מהנדסים עובדים על ננו -טכנולוגיות שונות כדי לספק צפיפות וחוזק גבוה יותר לחומר של האנודה והקטודה, ופתרון אחד הוא שימוש בגרפן. שכבות גרפיט מיקרוסקופיות אלה עם עובי אטום יחיד ומבנה אטומי משושה הן אחד החומרים המבטיחים ביותר. "כדורי הגרפן" שפותחו על ידי יצרנית תאי הסוללה סמסונג SDI, המשולבים במבנה הקתודה והאנודה, מספקים חוזק גבוה יותר, חדירות וצפיפות החומר ועלייה מקבילה בקיבולת של כ- 45% וזמן טעינה מהיר פי חמישה. טכנולוגיות אלו יכול לקבל את הדחף החזק ביותר ממכוניות פורמולה E, שעשויות להיות הראשונות להצטייד בסוללות כאלה.

שחקנים בשלב זה

השחקנים העיקריים כספקי Tier 123 ו-Tier 2020, כלומר יצרני תאים וסוללות, הם יפן (Panasonic, Sony, GS Yuasa ו-Hitachi Vehicle Energy), קוריאה (LG Chem, Samsung, Kokam ו-SK Innovation), סין (חברת BYD) . , ATL ולישן) וארה"ב (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel ו-Valence Technology). הספקים העיקריים של טלפונים סלולריים הם כיום LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (קוריאה), AESC (יפן), BYD (סין) ו-CATL (סין), שלהן נתח שוק של שני שלישים. בשלב זה באירופה מתנגדים להם רק BMZ Group מגרמניה ו-Northvolth משבדיה. עם השקת Gigafactory של טסלה ב-XNUMX, שיעור זה ישתנה - החברה האמריקאית תהווה XNUMX% מהייצור העולמי של תאי ליתיום-יון. חברות כמו דיימלר וב.מ.וו כבר חתמו על חוזים עם חלק מהחברות הללו, כמו CATL, שבונה מפעל באירופה.