昨天，今天，明天的電動車：第3部分
「鋰離子電池」一詞隱藏著各種各樣的技術。
有一件事是肯定的——只要鋰離子電化學在這方面保持不變。 沒有其他電化學儲能技術可以與鋰離子競爭。 然而，重點在於正極、負極和電解液採用不同材料的不同設計，在耐久性（電動汽車允許剩餘容量的充放電循環次數）方面各有不同的優勢80%)、比功率 kWh/kg、價格 euro/kg 或功率功率比。
時光倒流
進行所謂的電化學過程的可能性。 鋰離子電池來自鋰質子和電子在充電過程中與陰極鋰結的分離。 鋰原子很容易捐出其三個電子之一，但出於同樣的原因，它具有很高的反應性，必須與空氣和水隔離。 在電壓源中，電子開始沿著它們的電路移動，離子被引導到碳鋰陽極，並通過膜連接到它。 在放電過程中，反向運動發生——離子返回陰極，而電子又通過外部電負載。 然而，快速大電流充電和完全放電會導致形成新的持久連接，從而降低甚至停止電池的功能。 使用鋰作為粒子供體背後的想法源於這樣一個事實，即它是最輕的金屬，並且可以在適當的條件下輕鬆釋放質子和電子。 然而，由於純鋰的高揮發性、與空氣結合的能力以及安全原因，科學家們正在迅速放棄使用純鋰。
第一個鋰離子電池是由 Michael Whittingham 在 1970 世紀 1970 年代發明的，他使用純鋰和硫化鈦作為電極。 這種電化學不再被使用，但實際上為鋰離子電池奠定了基礎。 在1980年代，Samar Basu展示了從石墨中吸收鋰離子的能力，但根據當時的經驗，電池在充電和放電時很快就會自毀。 1991年代開始密集開發，尋找適合電池正極和負極的鋰化合物，真正的突破出現在XNUMX年。
NCA、NCM 鋰電池…這到底代表什麼？
在 1991 年對各種鋰化合物進行試驗後，科學家們的努力獲得了成功——索尼開始大規模生產鋰離子電池。 目前，此類電池的輸出功率和能量密度最高，最重要的是具有巨大的發展潛力。 根據電池要求，公司正在轉向各種鋰化合物作為陰極材料。 這些是鈷酸鋰 (LCO)、鎳、鈷和鋁 (NCA) 或鎳、鈷和錳 (NCM) 的化合物、磷酸鐵鋰 (LFP)、鋰錳尖晶石 (LMS)、鋰鈦氧化物 (LTO)和別的。 電解質是鋰鹽和有機溶劑的混合物，對鋰離子的“流動性”尤為重要，而負責通過鋰離子滲透防止短路的隔膜通常是聚乙烯或聚丙烯。
輸出功率、容量或兩者兼而有之
電池最重要的特性是能量密度、可靠性和安全性。 目前生產的電池涵蓋了廣泛的這些品質，並且根據所使用的材料，其比能量範圍為 100 至 265 W/kg（能量密度為 400 至 700 W/L）。 這方面最好的是NCA電池，最差的是LFP。 然而，材料只是硬幣的一面。 為了增加比能量和能量密度，使用各種奈米結構來吸收更多材料並提供更高的離子流電導率。 以穩定的連接和導電性「儲存」的大量離子是更快充電的先決條件，而開發正是朝著這些方向發展。 同時，電池設計必須根據驅動類型提供所需的功率容量比。 例如，出於顯而易見的原因，插電式混合動力車必須具有更高的功率容量比。 目前的開發重點是NCA（LiNiCoAlO2 陰極和石墨陽極）和NMC 811（LiNiMnCoO2 陰極和石墨陽極）電池。 前者含有（除鋰外）約 80% 的鎳、15% 的鈷和 5% 的鋁，比能量為 200-250 W/kg，這意味著它們對臨界鈷的使用相對有限，使用壽命可達1500次循環。 此類電池將由特斯拉在內華達州的超級工廠生產。 當達到計畫滿載時（視情況在 2020 年或 2021 年），該工廠將生產 35 GWh 的電池，足以為 500 萬輛汽車提供動力。 這將進一步降低電池成本。
NMC 811 電池的比能量略低（140-200W/kg），但壽命更長，達到 2000 個完整循環，並且含有 80% 的鎳、10% 的錳和 10% 的鈷。 目前，所有電池製造商都使用這兩種類型中的一種。 唯一的例外是生產磷酸鐵鋰電池的中國公司比亞迪。 配備它們的汽車較重，但不需要鈷。 NCA電池是電動汽車的首選，NMC是插電式混合動力汽車的首選，因為它們在能量密度和功率密度方面各自具有優勢。 例如功率/容量比為 2,8 的電動 e-Golf 和功率/容量比為 8,5 的插電式混合動力 Golf GTE。 以降低價格的名義，大眾打算對所有類型的電池使用相同的電池。 還有一件事 - 電池容量越大，完全放電和充電的次數越少，這會增加其使用壽命，因此 - 電池越大越好。 第二個問題涉及混合動力車。
市場走向
目前，交通用電池的需求量已經超過了電子產品的需求量。 預計到 2020 年，全球每年將售出 1,5 萬輛電動汽車，這將有助於降低電池成本。 2010年，1千瓦時鋰離子電池的價格約為900歐元，現在不到200歐元。 整個電池成本的 25% 用於陰極，8% 用於陽極、隔膜和電解液，16% 用於所有其他電池單元，35% 用於電池整體設計。 換句話說，鋰離子電池佔電池成本的 65%。 當 Gigafactory 2020 投入使用時，預計 1 年特斯拉 NCA 電池的價格約為 300 歐元/千瓦時，該價格包括成品以及一些平均增值稅和保修。 仍然是一個相當高的價格，隨著時間的推移會繼續下降。
主要鋰儲量分佈在阿根廷、玻利維亞、智利、中國、美國、澳洲、加拿大、俄羅斯、剛果和塞爾維亞，其中絕大多數目前是從乾涸的湖泊中開採的。 隨著越來越多的電池積累，舊電池回收材料的市場將會增加。 然而，更重要的是鈷的問題，儘管鈷的數量很大，但它是作為鎳和銅生產的副產品開採的。 鈷礦開採雖然土壤濃度較低，但發生在剛果（該國擁有最大的可用儲量），但其條件令人質疑倫理、道德和環境保護。
高科技
應該記住的是，作為不久的將來的前景而採用的技術實際上並不是全新的，而是代表了鋰離子的選擇。 例如，固態電池使用固態電解質（或鋰聚合物電池中的凝膠）而不是液體。 該解決方案提供了更穩定的電極設計，這在高電流充電時會損害電極的完整性。 高溫和高負載。 這可以增加充電電流、電極密度和容量。 固態電池仍處於開發的早期階段，直到本世紀中期才可能達到生產規模。
2017 年阿姆斯特丹 BMW 技術創新大賽中獲獎的新創公司之一是一家電池供電公司，其矽陽極可實現更高的能量密度。 工程師正在研究各種奈米技術，為陽極和陰極材料提供更大的密度和強度，其中一個解決方案是使用石墨烯。 這些微觀石墨層厚度為一個原子，具有六方原子結構，是最有前途的材料之一。 由電池芯製造商三星SDI開發的「石墨烯珠」整合到陰極和陽極結構中，可提供更高的強度、滲透性和材料密度，容量相應增加約45%，充電時間縮短五倍。這些技術可能會獲得最大的關注。電動方程式賽車還沒有進步，這可能是第一批配備這種電池的賽車。
這個階段的玩家
作為一級和二級供應商（即電芯和電池組製造商）的主要參與者是日本（松下、索尼、GS Yuasa 和日立汽車能源）、韓國（LG 化學、三星、Kokam 和 SK Innovation）、中國（比亞迪公司） . 、ATL 和力神）和美國（特斯拉、江森自控、A123 Systems、EnerDel 和 Valence Technology）。 目前手機的主要供應商是LG化學、松下、三星SDI（韓國）、AESC（日本）、比亞迪（中國）和寧德時代（中國），佔有三分之二的市場份額。 現階段在歐洲，反對他們的只有德國的BMZ集團和瑞典的Northvolth。 隨著 2020 年特斯拉超級工廠的啟動，這一比例將發生變化——這家美國公司將佔全球鋰離子電池產量的 30%。 戴姆勒和寶馬等公司已經與其中一些公司簽訂了合同，例如正在歐洲建設工廠的CATL。
