Elektroauto gëschter, haut, muer: Deel 3

De Begrëff "Lithium-Ionbatterien" verstoppt eng grouss Varietéit un Technologien.

Eng Saach ass sécher - soulaang d'Lithium-Ion Elektrochemie an dëser Hisiicht onverännert bleift. Keng aner elektrochemesch Energiespeichertechnologie ka mat Lithium-Ion konkurréiere. De Punkt ass awer datt et verschidden Designen sinn déi verschidde Materialien fir d'Kathode, d'Anode an d'Elektrolyt benotzen, déi jidderee verschidde Virdeeler huet wat d'Haltbarkeet ugeet (d'Zuel vun de Lade- an Entladungszyklen bis zu enger zulässlecher Reschtkapazitéit fir elektresch Gefierer vun 80%), spezifesch Muecht kWh / kg, Präis Euro / kg oder Muecht ze Muecht Verhältnis.

Zréck an Zäit

D'Méiglechkeet vun Ausféierung vun elektrochemesche Prozesser am sougenannte. Lithium-Ionzellen kommen aus der Trennung vu Lithiumprotonen an Elektronen aus der Lithium-Kräizung bei der Kathode beim Laden. De Lithiumatom spendt einfach ee vun hiren dräi Elektronen, awer aus dem selwechte Grond ass et héich reaktiv a muss vu Loft a Waasser isoléiert ginn. An der Spannungsquell fänken d'Elektronen un hirem Circuit ze beweegen, an d'Ione ginn op d'Kuelestoff-Lithium-Anode geleet an, duerch d'Membran, si verbonne mat deem. Wärend der Entladung geschitt déi ëmgedréint Bewegung - d'Ionen ginn zréck an d'Kathode, an d'Elektronen, am Tour, duerch d'extern elektresch Laascht passéieren. Wéi och ëmmer, séier Héichstroumladung a voll Entladung resultéiert an der Bildung vun neien haltbaren Verbindungen, wat d'Funktioun vun der Batterie reduzéiert oder souguer stoppt. D'Iddi hannert der Benotzung vu Lithium als Partikelspender staamt aus der Tatsaach datt et dat liichste Metal ass a Protonen an Elektronen ënner de richtege Bedéngungen einfach fräiginn. Wéi och ëmmer, d'Wëssenschaftler verloossen séier d'Benotzung vu pure Lithium wéinst senger héijer Volatilitéit, senger Fäegkeet fir mat der Loft ze verbannen, an aus Sécherheetsgrënn.

Déi éischt Lithium-Ionbatterie gouf an den 1970er vum Michael Whittingham erstallt, dee reng Lithium an Titansulfid als Elektroden benotzt huet. Dës Elektrochemie gëtt net méi benotzt, awer leet tatsächlech d'Fundamenter fir Lithium-Ionbatterien. An den 1970s huet de Samar Basu d'Fäegkeet demonstréiert Lithiumionen aus Grafit opzehuelen, awer dank der Erfahrung vun där Zäit hunn d'Batterien séier selwer zerstéiert wann se opgelueden an entlooss goufen. An den 1980er huet intensiv Entwécklung ugefaang passend Lithiumverbindunge fir d'Kathode an d'Anode vu Batterien ze fannen, an de richtegen Duerchbroch koum 1991.

NCA, NCM Lithium Zellen ... wat heescht dat wierklech?

No Experimenter mat verschiddene Lithiumverbindungen am Joer 1991, goufen d'Efforte vun de Wëssenschaftler mat Erfolleg gekréint - Sony huet d'Massproduktioun vu Lithium-Ion Batterien ugefaang. Am Moment hunn Batterien vun dësem Typ déi héchst Ausgangskraaft an Energiedicht, an am wichtegsten e wesentleche Potenzial fir Entwécklung. Ofhängeg vun Batteriefuerderunge wenden d'Firmen sech op verschidde Lithiumverbindungen als Kathodematerial. Dëst sinn Lithium Kobaltoxid (LCO), Verbindunge mat Néckel, Kobalt an Aluminium (NCA) oder mat Néckel, Kobalt a Mangan (NCM), Lithium Eisenphosphat (LFP), Lithium Mangan Spinel (LMS), Lithium Titanoxid (LTO) an anerer. Den Elektrolyt ass eng Mëschung aus Lithiumsalze an organeschen Léisungsmëttelen an ass besonnesch wichteg fir d'"Mobilitéit" vu Lithiumionen, an de Separator, dee verantwortlech ass fir Kuerzschluss ze vermeiden andeems se duerch Lithiumionen permeabel sinn, ass normalerweis Polyethylen oder Polypropylen.

Ausgabekraaft, Kapazitéit oder béid

Déi wichtegst Charakteristike vun Akkuen sinn Energiedicht, Zouverlässegkeet a Sécherheet. Batterien, déi aktuell produzéiert ginn, decken eng breet Palette vun dëse Qualitéiten an, ofhängeg vun de benotzte Materialien, hunn e spezifescht Energieberäich vun 100 bis 265 W / kg (an eng Energiedicht vu 400 bis 700 W / L). Déi bescht an dëser Hisiicht sinn d'NCA Batterien an déi schlëmmst LFPs. Wéi och ëmmer, d'Material ass eng Säit vun der Mënz. Fir déi spezifesch Energie an d'Energiedicht ze erhéijen, gi verschidde Nanostrukture benotzt fir méi Material opzehuelen a méi héich Leitung vum Ionstroum ze bidden. Eng grouss Unzuel vun Ionen, "gespäichert" an enger stabiler Verbindung a Konduktivitéit si Viraussetzunge fir méi séier ze lueden, an d'Entwécklung gëtt an dës Richtunge geleet. Zur selwechter Zäit muss de Batteriestruktur deen néidege Stroum-Kapazitéits-Verhältnis ofhängeg vun der Aart vum Drive. Zum Beispill, Plug-in Hybriden mussen aus offensichtleche Grënn e vill méi héich Power-to-Capacity-Verhältnis hunn. D'Entwécklunge vun haut fokusséiere sech op Batterien wéi NCA (LiNiCoAlO2 mat Kathode a Grafit Anode) an NMC 811 (LiNiMnCoO2 mat Kathode a Grafit Anode). Déi fréier enthalen (ausserhalb vu Lithium) ongeféier 80% Nickel, 15% Kobalt a 5% Aluminium an hunn eng spezifesch Energie vun 200-250 W / kg, dat heescht datt se eng relativ limitéiert Notzung vu kritescher Kobalt hunn an eng Liewensdauer vu bis zu 1500 Zyklen. Sou Batterien ginn vun Tesla a senger Gigafactory an Nevada hiergestallt. Wann et seng geplangte voll Kapazitéit erreecht (am Joer 2020 oder 2021, ofhängeg vun der Situatioun), produzéiert d'Planz 35 GWh Batterien, genuch fir 500 Gefierer ze bedreiwen. Dëst wäert d'Käschte vun de Batterien weider reduzéieren.

NMC 811 Batterien hunn e bësse méi niddereg spezifesch Energie (140-200W / kg) awer hunn e méi laang Liewensdauer, erreechen 2000 voll Zyklen, a sinn 80% Néckel, 10% Mangan an 10% Kobalt. De Moment benotzen all Batterie Hiersteller eng vun dësen zwou Zorte. Déi eenzeg Ausnam ass déi chinesesch Firma BYD, déi LFP Batterien mécht. Autoen, déi mat hinnen ausgestatt sinn, si méi schwéier, awer si brauche kee Kobalt. NCA Batterien gi fir elektresch Gefierer bevorzugt an NMC fir Plug-in Hybriden wéinst hire jeweilege Virdeeler wat Energiedicht a Kraaftdicht ugeet. Beispiller sinn den elektreschen e-Golf mat engem Kraaft/Kapazitéit Verhältnis vun 2,8 an de Plug-in Hybrid Golf GTE mat engem Verhältnis vun 8,5. Am Numm vun der Ofsenkung vum Präis wëll VW déi selwecht Zellen fir all Zorte vu Batterien benotzen. An eng Saach méi - wat méi grouss ass d'Kapazitéit vun der Batterie, wat manner d'Zuel vu vollen Entladungen a Ladungen ass, an dëst erhéicht seng Liewensdauer, also - wat d'Batterie méi grouss ass, wat besser. Déi zweet betrëfft Hybriden als Problem.

Maarttrends

De Moment ass d'Nofro fir Batterien fir Transportzwecker scho méi wéi d'Demande fir elektronesch Produkter. Et gëtt nach ëmmer virausgesot datt 2020 Millioune elektresch Gefierer pro Joer weltwäit bis 1,5 verkaaft ginn, wat hëlleft d'Käschte vun de Batterien erofzesetzen. Am Joer 2010 war de Präis vun 1 kWh vun enger Lithium-Ion Zelle ronn 900 Euro, an elo manner wéi 200 Euro. 25% vun de Käschte vun der ganzer Batterie si fir d'Kathode, 8% fir d'Anode, d'Separator an d'Elektrolyt, 16% fir all aner Batteriezellen an 35% fir de Gesamtbatteriedesign. An anere Wierder, Lithium-Ion Zellen droen 65 Prozent un d'Käschte vun enger Batterie bäi. Geschätzte Tesla Präisser fir 2020 wann Gigafactory 1 Service erakënnt sinn ongeféier 300 € / kWh fir NCA Batterien an de Präis enthält de fäerdege Produkt mat e puer duerchschnëttlech TVA a Garantie. Nach ëmmer en zimlech héije Präis, dee mat der Zäit weider geet.

D'Haaptreserven vu Lithium ginn an Argentinien, Bolivien, Chile, China, USA, Australien, Kanada, Russland, Kongo a Serbien fonnt, mat der grousser Majoritéit aktuell aus gedréchent Séien ofgebaut. Wéi ëmmer méi Batterien accumuléieren, klëmmt de Maart fir Material aus alen Akkuen recycléiert. Méi wichteg ass awer de Problem vu Kobalt, deen zwar a grousse Quantitéite präsent ass, awer als Nieweprodukt bei der Produktioun vu Nickel a Koffer ofgebaut gëtt. Kobalt gëtt ofgebaut, trotz senger gerénger Konzentratioun am Buedem, am Kongo (deen déi gréisst verfügbar Reserven huet), awer a Bedéngungen déi Ethik, Moral an Ëmweltschutz erausfuerderen.

Fortgeschratt Technologie

Et sollt gedroen ginn datt d'Technologien, déi als Perspektiv fir déi noer Zukunft akzeptéiert sinn, eigentlech net grondsätzlech nei sinn, awer Lithium-Ion Optiounen sinn. Dëst sinn zum Beispill Solid-State Batterien, déi e festen Elektrolyt anstatt eng Flëssegkeet benotzen (oder Gel a Lithium-Polymer-Batterien). Dës Léisung bitt e méi stabile Design vun den Elektroden, wat hir Integritéit verletzt wann se mat héije Stroum respektiv gelueden sinn. héich Temperatur an héich Laascht. Dëst kann d'Ladungsstroum, d'Elektrodensitéit an d'Kapazitanz erhéijen. Solid State Batterien sinn nach ëmmer op engem ganz fréie Stadium vun der Entwécklung a si kaum d'Masseproduktioun bis an d'Mëtt vum Joerzéngt treffen.

Ee vun de preisgekräftege Start-Ups um BMW BMW 2017 Innovation Technology Competition zu Amsterdam war eng batteriegedriwwe Firma där hir Siliziumanode d'Energiedicht verbessert. Ingenieuren schaffen un verschiddenen Nanotechnologien fir eng méi grouss Dicht a Stäerkt béid Anode a Kathodematerial ze bidden, an eng Léisung ass d'Grafen ze benotzen. Dës mikroskopesch Schichten vu Grafit mat enger eenzeger Atomdicke an enger sechseckeger atomarer Struktur sinn ee vun de villverspriechendste Materialien. D '"Graphene Bäll" entwéckelt vum Batteriezell Hiersteller Samsung SDI, integréiert an d'Kathode an d'Anode Struktur, bidden méi Stäerkt, Permeabilitéit an Dicht vum Material an eng entspriechend Erhéijung vun der Kapazitéit vun ongeféier 45% a fënnef Mol méi séier Opluedzäit. Dës Technologien kann de stäerkste Impuls vu Formel E Autoen kréien, déi vläicht déi éischt si mat sou Akkuen ausgestatt ze sinn.

Spiller op dëser Etapp

D'Haaptspiller als Tier 123 an Tier 2020 Fournisseuren, dh Zell- a Batterie Hiersteller, si Japan (Panasonic, Sony, GS Yuasa an Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam a SK Innovation), China (BYD Company) . , ATL a Lishen) an d'USA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel a Valence Technology). D'Haaptliwwerer vun Handyen sinn am Moment LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Japan), BYD (China) an CATL (China), déi e Maartundeel vun zwee-Drëttel hunn. Op dëser Etapp an Europa si se nëmme géint BMZ Group aus Däitschland an Northvolth aus Schweden. Mat der Start vun der Tesla Gigafactory am Joer XNUMX wäert dësen Undeel änneren - d'amerikanesch Firma wäert XNUMX% vun der Weltproduktioun vu Lithium-Ionzellen ausmaachen. Firmen wéi Daimler a BMW hu scho Kontrakter mat e puer vun dëse Firmen ënnerschriwwen, wéi CATL, déi eng Fabréck an Europa baut.