Вход

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 10% отстъпка.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 10% отстъпка.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 10% отстъпка.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 10% отстъпка.

0 продукта | 0 лв.

Абонамент

Благодаря, че избрахте да се абонирате за auto motor und sport. Изберете вида абонамент и въведете нужните данни, а ние ще се погрижим списанията да достигнат до Вас максимално бързо.

Избери годишен абонамент и вземи 10% отстъпка.

auto motor und sport Bulgaria logo

Електрическият автомобил вчера, днес и утре: Част 3

22.04.2020 23:48
Електрическият автомобил вчера, днес и утре: Част 3

Зад термина „литиево-йонни батерии" се крие голямо разнообразие от технологии

Едно е безспорно – засега литиево-йонната електрохимия си остава безалтернативна в тази насока. Нито една друга технология за електрохимично съхраняване на енергия не би могла да бъде конкурентна на литиево-йонната. Въпросът обаче е в това, че съществуват различни разработки с използване на различни материали за катода, анода и електролита, всеки от които има различни предимства по отношение на дълговечност (брой цикли на зареждане и разреждане до допустим за електромобили остатъчен капацитет от 80 процента), специфичен капацитет кВтч/кг, цена евро/кг, или съотношение мощност към капацитет. 

Назад във времето 

Възможността за осъществяване на електрохимични процеси в т-нар. Li-Ion елементи се дължи на отделянето на литиеви протони и електрони от литиевото съединение на катода при зареждане. Литиевият атом лесно отдава един от трите си електрона, но по същата причина е и силно реакционноспособен и трябва да бъде държан изолиран от въздух и вода. При източник на напрежение започва движение на електрони през неговата верига, а йоните се насочват към въглеродно-литиевия анод и преминавайки през мембрана, се съединяват с него. При разреждане се получава обратното движение – йоните се връщат към катода, а електроните от своя страна преминават през външния електрически товар. Бързото зареждане с голям ток и пълното разреждане обаче водят до образуване на нови трайни съединения, с което се намаляват и дори прекратяват функциите на батерията. Идеята за използване на лития като донор на елементарни частици е свързана с факта, че той е най-лекият метал и при него лесно могат да се отделят протони и електрони при подходящите условия. Учените обаче много бързо се отказват от възможността за използване на чист литий поради неговата висока летливост, способността му да се свързва с въздуха и от съображения за сигурност. Първата литиево-йонна батерия е създадена през 70-те години от Майкъл Уитингам, който използва за електроди чист литий и титанов сулфид. Тази електрохимия повече не се използва, но всъщност полага основите на литиево-йонните батерии. През 70-те години Самар Басу демонстрира възможността за абсорбиране на литиеви йони от графит, но създадени с тогавашния опит, батериите бързо се саморазрушават при зареждане и разреждане. През 80-те години започва интензивна развойна работа за намиране на подходящи литиеви съединения за катода и анода на батериите и същинският пробив идва през 1991 г. 

NCA, NCM литиеви клетки… какво всъщност значи това?

След експерименти с различни литиеви съединения през 1991 г. усилията на учените се увенчават с успех – компанията Sony започва серийно производство на зареждащи се литиево-йонни батерии. В момента именно този тип батерии имат най-висока изходна мощност и енергийна плътност и най-важното – значителен потенциал за развитие. В зависимост от изискванията към батериите компаниите се насочват към различни съединения на лития като материал за катода. Това са литиево-кобалтов окис (LCO), съединения с никел, кобалт и алуминий (NCA) или с никел, кобалт и манган ( NCM), литиево-железен фосфат (LFP), литиево-манганов шпинел (LMS), литиево-титанов окис (LTO) и прочие. Електролитът е смес от литиеви соли и органични разтворители и е особено важен за „мобилността“ на литиевите йони, а сепараторът, който има отговорността да предотврати късо съединение, като същевременно е проницаем за литиевите йони, обикновено е полиетилен или полипропилен. 

Изходна мощност, капацитет или и двете

Най-съществените характеристики на батериите са специфична енергия, надеждност и безопасност. Произвежданите в момента батерии покриват широк кръг от тези качества и в зависимост от използваните материали имат диапазон на специфична енергия от 100 до 265 Втч/кг (и енергийна плътност между 400 и 700 Втч/л). Най-добри в това отношение са NCA батериите, а най-лоши LFP. Материалът обаче е едната страна на медала. За увеличаване както на специфичната енергия, така и на енергийната плътност се използват различни наноконструкции за поемане на повече материал и за осигуряване на по-висока проводимост на потока йони. Голямото количество йони, „складирани“ в устойчиво съединение, и проводимостта са предпоставки за по-бързо зареждане и развойната дейност е насочена именно в тези посоки. Същевременно конструкцията на батерията трябва да осигури необходимото отношение между мощност и капацитет в зависимост от вида на задвижването. Plug-in хибридите например трябва да имат много по-високо съотношение на предлагана мощност към капацитет по обясними причини. Насоките на разработките в наши дни са концентрирани в NCA (LiNiCoAlO2 катод и графитен анод) и NMC 811 (LiNiMnCoO2 катод и графитен анод) батериите. Първите съдържат (извън лития) около 80% никел, 15% кобалт и 5% алуминий и имат специфична енергия от 200-250 Втч/кг, което означава, че имат сравнително ограничено използване на критичния кобалт и живот до 1500 цикъла. Именно такива батерии ще произвежда Tesla в своята Gigafactory в Невада. Когато достигне планираният пълен капацитет (през 2020 г. или 2021 г. в зависимост от ситуацията), заводът ще произвежда 35 гВтч батерии, стигащи за оборудване на 500 000 автомобила. Това още повече ще намали цената на батериите. 

NMC 811 батериите имат малко по-ниска специфична енергия (140-200 Втч/кг), но по-дълъг живот, достигащ 2000 пълни цикъла, а пропорцията е 80% никел, 10% манган и 10% кобалт. В момента всички производители на батерии използват някой от тези два вида. Единственото изключение е китайската компанията BYD, която произвежда LFP батерии. Автомобилите, снабдени с тях, са по-тежки, но пък нямат нужда от кобалт. NCA батериите са предпочитани за електрически автомобили, а NMC за plug-in хибриди поради съответните предимства по отношение на специфична енергия и специфична мощност. За пример може да бъде посочен електрическият e-Golf със съотношение мощност/капацитет от 2,8 и plug-in хибридът Golf GTE със съотношение от 8,5. В името на намаляването на цената VW възнамерява да използва едни и същи клетки за всички видове батерии от сега нататък. И още нещо – по-големият капацитет на батерията осигурява по-малък брой пълни разреждания и зареждания, а това респективно увеличава живота й. Така че – колкото по-голяма батерия, толкова по-добре. Второто касае като проблем най-вече хибридите. 

Пазарните тенденции

В момента търсенето на акумулаторни батерии за транспортни цели вече надвишава това за електронни изделия. Все още се смята се че към 2020 г. в световен мащаб ще се продават 1,5 милиона електрически автомобила годишно, което ще спомогне за намаляване на себестойността и на батериите. През 2010 г. цената на 1 кВтч литиво-йонна клетка беше в порядъка на 900 евро, а в момента вече е под 200 евро. 25% от себестойността на целия акумулатор се дължи на катода, 8% на анода, сепаратора и електролита, 16% за всички останали компоненти на клетките и 35% за цялостната конструкция на батерията. Другояче казано, литиево-йонните клетки имат 65-процентен принос за стойността на батерията. Прогнозните цени на Tesla за 2020 г., когато Gigafactory 1 влезе в действие, е за около 300 евро/кВтч за NCA батерии, като в цената се включва цялостен завършен продукт с някаква средна стойност на ДДС и гаранция. Доста висока цена все още, която ще продължи да намалява с времето. 

Основните запаси на литий се намират в Аржентина, Боливия, Чили, Китай, САЩ, Австралия, Канада, Русия, Конго и Сърбия, като в момента преобладаващата част се извлича от пресъхнали езера. С натрупването на все повече батерии ще се увеличава и пазарът на рециклирани от стари батерии материали. По-съществен обаче е проблемът с кобалта, който макар и да е наличен в по-големи количества, се добива като страничен продукт при производството на никел и мед. Добив основно на кобалт, въпреки ниската концентрация в почвата се извършва в Конго (който има най-големи разполагаеми запаси), но в условия, които поставят под въпрос етиката, морала и опазването на околната среда. 

Перспективните технологии

Трябва да се има предвид, че технологиите, които се приемат като перспектива за близкото бъдеще, всъщност не са кардинално нови, а разновидности на литиево-йонните. Такива например са твърдотелните батерии, в които вместо течност (или гел при литиево-полимерните батерии) се използва твърд електролит. Това решение позволява по-стабилна конструкция на електродите, които нарушават целостта си при зареждане с голям ток, респ. повишена температура и голямо натоварване. Благодарение на това може да се увеличи зарядният ток, плътността на електродите и капацитетът. Твърдотелните батерии все още са в много ранна развойна фаза и подобни едва ли ще се появят като серийно производство преди средата на десетилетието. 

Една от наградените стартъп компании от конкурса на BMW за новаторски технологии през 2017 г. в Амстердам беше фирма, създала батерия, чийто силициев анод позволява повишаване на енергийната плътност. Инженерите работят върху различни нанотехнологии за осигуряване на по-голяма плътност и здравина на материала както на анода, така и на катода и едно от решенията е използване на графен. Тези микросокопични слоеве от графит с дебелина един атом и шестоъгълна атомна структура са един от най-перспективните материали. Разработените от производителя на акумулаторни клетки Samsung SDI „графенови топчета“, интегрирани в структурата на катода и анода, осигуряват по-висока здравина, пропускливост и плътност на материала и съответно увеличаване на капацитета с около 45% и пет пъти по-кратко време за зареждане. Най-силен импулс тези технологии могат да получат при автомобилите от Формула Е, които може би първи ще се снабдят с подобни батерии. 

Играчите на тази сцена 

Главните играчи като доставчици от първо и второ ниво, тоест производители на клетки и батерии, са от Япония (Panasonic, Sony, GS Yuasa и Hitachi Vehicle Energy), Корея (LG Chem, Samsung, Kokam и SK Innovation), Китай (BYD Company, ATL и Lishen) и САЩ (Tesla, Johnson Controls, A123 Systems, EnerDel и Valence Technology). Основни доставчици на клетки в момента са LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Корея), AESC (Япония), BYD (Китай) и CATL (Китай), които държат пазарен дял от две трети. На този етап в Европа им се противопоставят единствено компании ката BMZ Group от Германия и Northvolth от Швеция. С пускането на Gigafactory на Tesla през 2020 г. тази пропорция ще се промени – американската компания ще има дял от 30% от световното производство на литиево-йонни клетки. Компании като Daimler и BMW вече сключиха договори с някои от споменатите фирми, като CATL, която строи завод в Европа. 

(следва: Електромоторите)

Част втора

Текст: Георги Колев

 

Коментари
comments powered by Disqus