Auto elektrikoa atzo, gaur, bihar: 3. zatia

"Litio-ioizko bateriak" terminoak askotariko teknologiak ezkutatzen ditu.

Gauza bat ziur dago - litio-ioi elektrokimikak zentzu honetan aldatzen ez duen bitartean. Energia elektrokimiko biltegiratzeko beste teknologiarik ezin du litio-ioiarekin lehiatu. Kontua, dena den, katodo, anodo eta elektrolitorako material desberdinak erabiltzen dituzten diseinu desberdinak daudela da, eta horietako bakoitzak abantaila desberdinak ditu iraunkortasunari dagokionez (karga eta deskarga ziklo kopurua ibilgailu elektrikoentzako hondar-ahalmen onargarri bateraino). %80koa, kWh/kg potentzia espezifikoa, euro/kg prezioa edo potentzia-potentzia erlazioa.

Denboran atzera

Deitutakoan prozesu elektrokimikoak egiteko aukera. Litio-ioizko zelulak kargatzean katodoan dagoen litio-loketatik litio-protoiak eta elektroiak bereiztetik datoz. Litio atomoak erraz ematen du bere hiru elektroietako bat, baina arrazoi beragatik oso erreaktiboa da eta airetik eta uretatik isolatu behar da. Tentsio iturrian, elektroiak beren zirkuituan zehar higitzen hasten dira, eta ioiak karbono-litio anodora zuzentzen dira eta, mintzatik igaroz, hari konektatzen dira. Deskargan zehar, alderantzizko mugimendua gertatzen da - ioiak katodora itzultzen dira eta elektroiak, aldi berean, kanpoko karga elektrikotik igarotzen dira. Hala ere, korronte handiko karga azkar eta guztiz deskargatzeak konexio iraunkor berriak sortzen ditu, eta horrek bateriaren funtzioa murrizten edo geldiarazten du. Litioa partikula-emaile gisa erabiltzearen atzean dagoen ideia metalik arinena dela eta baldintza egokietan protoiak eta elektroiak erraz askatu ditzakeela da. Hala ere, zientzialariek azkar uzten ari dira litio puruaren erabilera bere hegazkortasun handiagatik, airearekin lotzeko duen gaitasunagatik eta segurtasun arrazoiengatik.

Litio-ioizko lehen bateria 1970eko hamarkadan sortu zuen Michael Whittingham-ek, litio purua eta titanio sulfuroa elektrodo gisa erabili zituelarik. Elektrokimika hau jada ez da erabiltzen, baina litio-ioizko baterien oinarriak finkatzen ditu. 1970eko hamarkadan, Samar Basuk litio ioiak grafitoaren bidez xurgatzeko gaitasuna erakutsi zuen, baina garai hartako esperientzia dela eta, bateriak azkar autodestruitu ziren kargatu eta deskargatu zirenean. 1980ko hamarkadan, garapen intentsiboa baterien katodo eta anodoetarako litio konposatu egokiak aurkitzen hasi zen, eta benetako aurrerapena 1991n eman zen.

NCA, NCM litio zelulak ... zer esan nahi du benetan?

1991n litio-konposatu ezberdinekin esperimentatu ondoren, zientzialarien ahaleginak arrakastaz bete ziren - Sony-k litio-ioizko baterien ekoizpen masiboa hasi zuen. Gaur egun, mota honetako bateriek irteera potentzia eta energia dentsitate handiena dute, eta garrantzitsuena, garapenerako potentzial handia. Bateriaren eskakizunen arabera, enpresek litio-konposatu ezberdinetara jotzen dute katodoaren material gisa. Hauek dira litio kobalto oxidoa (LCO), nikela, kobaltoa eta aluminioa (NCA) edo nikela, kobaltoa eta manganesoa (NCM) dituzten konposatuak, litio burdin fosfatoa (LFP), litio manganeso espinela (LMS), litio titanio oxidoa (LTO). eta besteak. Elektrolitoa litio-gatz eta disolbatzaile organikoen nahasketa bat da eta bereziki garrantzitsua da litio ioien "mugikortasunerako" eta bereizlea, zirkuitu laburrak saihesteko arduraduna, litio ioiekiko iragazkorra izanik, polietilenoa edo polipropilenoa izan ohi da.

Irteerako potentzia, edukiera edo biak

Baterien ezaugarri garrantzitsuenak energia dentsitatea, fidagarritasuna eta segurtasuna dira. Gaur egun ekoizten diren bateriek ezaugarri horien eskaintza zabala hartzen dute eta, erabilitako materialen arabera, 100 eta 265 W / kg arteko energia tarte zehatza dute (eta 400 eta 700 W / L arteko energia dentsitatea). Zentzu honetan onenak NCA bateriak eta LFP okerrenak dira. Hala ere, materiala txanponaren alde bat da. Bai energia espezifikoa bai energia dentsitatea handitzeko, hainbat nanoegitura erabiltzen dira material gehiago xurgatzeko eta ioi korrontearen eroankortasun handiagoa emateko. Ioi kopuru handia, konposatu egonkor batean "biltegiratuta" eta eroankortasuna ezinbesteko baldintzak dira karga azkarragoa lortzeko, eta garapena norabide horietara zuzentzen da. Aldi berean, bateriaren diseinuak behar den potentzia / edukiera erlazioa eman behar du disko motaren arabera. Adibidez, plug-in hibridoek potentzia-ahalmen erlazioa askoz handiagoa izan behar dute ageriko arrazoiengatik. Gaur egungo garapenak NCA (LiNiCoAlO2 katodo eta grafito anodoarekin) eta NMC 811 (LiNiMnCoO2 katodo eta grafito anodoarekin) bezalako baterietan oinarritzen dira. Lehenengoek (litioaz kanpo)% 80 nikel,% 15 kobalto eta% 5 aluminio inguru dituzte eta 200-250 W / kg-ko energia espezifikoa dute, hau da, kobalto kritikoaren erabilera nahiko mugatua dute eta 1500 zikloko iraupena dute. Halako bateriak Teslak Nevadako Gigafactory-n ekoiztuko ditu. Aurreikusitako ahalmen osoa lortzen duenean (2020an edo 2021ean, egoeraren arabera), lantegiak 35 GWh bateria sortuko ditu, 500 ibilgailu elikatzeko adina. Horrek are gehiago murriztuko du baterien kostua.

NMC 811 bateriek energia espezifiko apur bat txikiagoa dute (140-200W/kg) baina bizitza luzeagoa dute, 2000 ziklo osoetara iristen dira, eta %80 nikela, %10 manganesoa eta %10 kobaltoa dira. Gaur egun, bateria-fabrikatzaile guztiek bi mota horietako bat erabiltzen dute. Salbuespen bakarra BYD konpainia txinatarra da, LFP bateriak egiten dituena. Horiekin hornitutako autoak astunagoak dira, baina ez dute kobaltorik behar. NCA bateriak hobesten dira ibilgailu elektrikoetarako eta NMC hibrido entxufagarrietarako, energia-dentsitateari eta potentzia-dentsitateari dagozkion abantailak direla eta. Adibideak 2,8ko potentzia/edukiera erlazioa duen e-Golf elektrikoa eta 8,5eko ratioa duen Golf GTE hibrido entxufagarria dira. Prezioa jaisteko izenean, bateria mota guztietarako zelula berdinak erabiltzeko asmoa du VWk. Eta gauza bat gehiago - zenbat eta handiagoa izan bateriaren edukiera, orduan eta deskarga eta karga osoen kopurua txikiagoa izango da, eta horrek bere bizitza iraupena areagotzen du, beraz - zenbat eta handiagoa izan bateria, orduan eta hobeto. Bigarrena hibridoei dagokie arazo gisa.

Merkatuko joerak

Gaur egun, garraiorako baterien eskaerak produktu elektronikoen eskaera gainditzen du dagoeneko. Oraindik aurreikusten da urtean 2020 milioi ibilgailu elektriko salduko direla mundu osoan 1,5rako, eta horrek baterien kostua murrizten lagunduko du. 2010ean, litio-ioizko zelula baten 1 kWh-ren prezioa 900 euro ingurukoa zen, eta orain 200 euro baino gutxiago. Bateria osoaren kostuaren % 25 katodorako da, % 8 anodorako, bereizgailurako eta elektrolitorako, % 16 gainerako bateria-zelula guztientzat eta % 35 bateria-diseinu orokorrarentzat. Beste era batera esanda, litio-ioizko zelulek bateria baten kostuan ehuneko 65 laguntzen dute. Gigafactory 2020 zerbitzuan sartzen denean 1rako Teslaren prezio estimatuak 300 €/kWh ingurukoak dira NCA baterientzat eta prezioak produktu bukatua barne hartzen du, batez besteko BEZarekin eta bermearekin. Oraindik prezio nahiko altua da, denborarekin jaisten jarraituko duena.

Litioko erreserba nagusiak Argentinan, Bolivian, Txilen, Txinan, AEBetan, Australian, Kanadan, Errusian, Kongon eta Serbian daude, gehienak aintzira lehorretatik ateratzen baitira. Gero eta bateria gehiago pilatu ahala, bateria zaharretatik birziklatutako materialen merkatua handitu egingo da. Garrantzitsuagoa da, hala ere, kobaltoaren arazoa, kantitate handietan egon arren, nikelaren eta kobrearen ekoizpenean azpiproduktu gisa ateratzen dena. Kobaloa ateratzen da, lurrean kontzentrazio txikia izan arren, Kongon (eskuragarri dauden erreserba handienak dituena), baina etika, morala eta ingurumenaren babesa zalantzan jartzen dituzten baldintzetan.

Hi-tech

Gogoan izan behar da etorkizun hurbilerako irtenbide gisa onartutako teknologiak ez direla funtsean berriak, litio-ioiaren aukerak baizik. Hauek dira, adibidez, egoera solidoan dauden bateriak, elektrolito solidoa erabiltzen dutenak likidoaren ordez (edo gel litio polimerozko baterietan). Soluzio honek elektrodoen diseinu egonkorragoa eskaintzen du, eta horien osotasuna urratzen du korronte handiz kargatuta dagoenean. tenperatura altua eta karga handia. Honek karga-korrontea, elektrodoen dentsitatea eta kapazitantzia handitu ditzake. Egoera solidoaren bateriak oso garapen-fase goiztiarrean daude eta nekez lortuko dute masa-produkzioa hamarkada erdialdera arte.

Amsterdamen 2017ko BMW Berrikuntza Teknologikoko Lehiaketan saritutako start-upetako bat bateria bidezko konpainia bat zen, eta silizio anodoak energia dentsitatea handitzen du. Ingeniariak hainbat nanoteknologiatan ari dira lanean, anodoaren eta katodoaren materialari dentsitate eta indar handiagoa emateko, eta irtenbide bat grafenoa erabiltzea da. Atomo lodiera bakarreko eta egitura atomiko hexagonala duten grafito geruza mikroskopiko hauek material itxaropentsuenetako bat dira. Samsung SDI bateria-zelulen fabrikatzaileak garatutako "grafeno bolak" katodoaren eta anodoaren egituran integratuta daude materialaren erresistentzia, iragazkortasun eta dentsitate handiagoa eta dagokien edukiera% 45 ingurukoa eta bost aldiz azkarrago kargatzeko denbora ematen dute. teknologiek E Formulako autoek jaso dezakete bultzada indartsuena, bateria horiekin hornitzen lehena izan baitaiteke.

Etapa honetako jokalariak

Tier 123 eta Tier 2020 hornitzaile gisa, hau da, zelula eta baterien fabrikatzaileak, Japonia (Panasonic, Sony, GS Yuasa eta Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam eta SK Innovation), Txina (BYD Company) dira. . , ATL eta Lishen) eta AEB (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel eta Valence Technology). Sakelako telefonoen hornitzaile nagusiak LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Japonia), BYD (Txina) eta CATL (Txina) dira, eta bi herenen merkatu kuota dute. Europako fase honetan, Alemaniako BMZ Group eta Suediako Northvolth-ek baino ez dituzte aurka egiten. XNUMXan Teslaren Gigafactory abian jartzearekin batera, proportzio hori aldatu egingo da - konpainia estatubatuarrak litio-ioizko zelulen munduko ekoizpenaren %XNUMX hartuko du. Daimler eta BMW bezalako enpresek dagoeneko kontratuak sinatu dituzte enpresa horietako batzuekin, Europan lantegi bat eraikitzen ari den CATL adibidez.