Едноставно нели? Освен што ништо за овие батерии не е всушност едноставно кога ќе почнете да копате во деталите, што ќе го направам затоа што не можам да се воздржам.
Но, зошто литиум? (Еве каде се нервирам)
Елемент број 3. Водород, хелиум, литиум. Таков е редот. Супер мал атом затоа што има само 3 протони.
И тука е работата за литиумот - тој НАВИСТИНА сака да се ослободи од надворешниот електрон. Како што очајно сака. Некако е нестабилно на тој начин. Ги знаете тие видеа од луѓе кои фрлаат натриум во вода и таа гази и се запали? Литиумот го прави тоа, но ПОВЕЌЕ. Гледав како некој фрла парче литиум метал во кофа со вода еднаш на безбедносна демонстрација во 2011 (или 2012?) и искрено беше некако страшно колку брзо реагираше. Кофата се стопи.
Чекај не, корпата не се стопи. Водата зоврила и литиумот се запалил на површината. Кофата беше во ред. Меморијата ми е срање.
Како и да е, поентата е: чистиот литиум метал е опасен. Затоа модерните литиум-јонски батерии не користат чист литиум метал - тие користат литиум IONS. Веќе оксидиран литиум. Формата Li+. Многу постабилна.
Напонот што го добивате е околу 3,6-3,7V по ќелија што е пристојно. Подобро од алкално (1,5V) или NiMH (1,2V). Тоа значи дека ви требаат помалку ќелии за да го достигнете целниот напон. Затоа батеријата на вашиот лаптоп има 6 ќелии наместо 15.
Исто така, - и јас требаше да го спомнам ова прво - литиумот е LIGHT. Трет најлесен елемент. Така, добивате висока енергетска густина без луда тежина. Затоа ЕВ користат литиум-јон, а не оловна-киселина. Оловна-киселинска батерија со иста енергија би тежела буквално 5-6 пати повеќе. На вашиот Tesla ќе и треба виљушкар за да ја смени батеријата.
Вистинските компоненти (закопчајте го ова станува технички)
Анода (негативна страна):
Обично графит. Да, истите работи што се во моливи, освен многу почисти и различно обработени.
Графитот ја има оваа слоевита кристална структура - замислете шпил карти на атомско ниво. Слоевите се држат заедно со слабите сили на ван дер Валс (хемијата во средно училиште се враќа да ве прогонува). Литиумските јони можат да се лизгаат помеѓу овие слоеви и само... да се закачат таму. Техничкиот термин е „интеркалација“, но јас го мислам како паркирање автомобили во повеќе-катна гаража.
Теоретскиот максимален капацитет е 372 милиампер-часови по грам. Во реалноста-во светот добивате 340-360 mAh/g ако производството не ви е лошо. Видов ќелии од некои кинески производители кои едвај достигнаа 310 mAh/g. Нема да именувам имиња, но ако ги преуредите буквите во „BYD“ ќе добиете... во ред, именувам имиња. Нивните рани клетки беа груби. Сепак, тие станаа многу подобри од 2018 година.
Сега сите продолжуваат да зборуваат за силиконски аноди бидејќи силиконот теоретски може да собере 10 пати повеќе литиум од графитот. Звучи неверојатно нели? 3700+ mAh/g теоретски капацитет.
Проблемот - и ова е проблемот што е „речиси решен“ откако почнав да се занимавам со оваа индустрија - е тоа што силиконот се шири за околу 300% кога го литивате. Честичките буквално се распарчуваат. Замислете како надувате балон во бетонски блок. Бетонот не се витка, туку само се крши.
Тесла користи силициум сега, измешан со графит. Можеби 5-10% силициум? Слушнав дека е 8% но можеби грешам. Поентата е дека тоа е мала количина. Чистите силиконски аноди сè уште не се подготвени и покрај тоа што го тврди темпераментот на серијата А на секој стартап.
Катода (позитивна страна):
О момче. Ова е местото каде што станува неуредна бидејќи има 6 различни хемикалии на катоди и секој има мислење за тоа која е најдобра и сите грешат затоа што зависи од вашата апликација.
Оригиналниот од Sony во 1991 година беше литиум кобалт оксид - LiCoO2. Накратко го нарекуваме „LCO“. Густината на енергијата е прилично добра - 150-200 mAh/g во зависност од тоа кој ја направил. Но, термичката стабилност е страшна. Ако го преполните или го загреете, кристалната структура ослободува кислород. Кислород + органски електролит + топлина=лош ден. Сепак, вашиот телефон веројатно користи LCO затоа што телефоните не треба да траат 10 години и не ги полните брзо-на 10 °C.
Потоа, тука е NMC - никел-манган кобалт оксид. Ова е она што повеќето електрични возила го користат сега. Односот на никел со манган и кобалт постојано се менува. Започна како 1:1:1 (еднакви делови). Потоа производителите се префрлија на 5:3:2. Потоа 6:2:2. Сега сме на 8:1:1 или дури 9:0.5:0.5 во некои ќелии со висока{20}}крајност.
Зошто смената? Кобалтот е скап. Како навистина скапо. Исто така, најмногу кобалт доаѓа од ДРК (Демократска Република Конго) и ситуацијата со рударството таму е... комплицирана. Детски труд, небезбедни услови, целиот хаос. Така, сите се обидуваат да користат помалку кобалт.
Повеќе никел=повеќе капацитет, но помалку термичка стабилност. Повеќе манган=поевтин и постабилен, но помал капацитет. Повеќе кобалт=постабилен и подобар циклус, но $$$ и етички прашања.
Секогаш е заменлив-. Секогаш. Имав толку многу расправии со менаџерите на производи за ова. Сакаат висока енергетска густина И долг животен циклус И ниска цена И добра безбедност. Можете да изберете можеби две. Можеби.
Има и NCA - никел кобалт алуминиум. Тесла го користеше ова со години во нивните пакети со долг-домет. Панасоник ги направи во гигафабриката во Невада. Еднаш посетив друга фабрика за батерии - не таа, туку објектот на конкурентот - и само сувата просторија беше луда. Системот за ракување со воздух веројатно чини 50+ милиони долари. Сè треба да биде под -40 степени точка на росење или електролитната сол ја апсорбира влагата и создава флуороводородна киселина. ХФ ќе јаде преку се. Стакло, метал, коска. Непријатни работи.
О и LFP - литиум железо фосфат. Овој се враќа. Тој е побезбеден, поевтин за kWh и трае подолго. Слушнав за LFP ќелиите кои прават 5000+ циклуси до капацитет од 80%. Можеби дури и 6000. Негативната страна е помалата енергетска густина - само како 120-140 mAh/g наспроти 180-200 за NMC.
Tesla почна да става LFP во нивниот стандарден опсег Model 3 околу 2021 година. Кинескиот пазар ги доби прв. Има смисла - CATL е најголемиот производител на LFP и тие се во Кина.
Некои луѓе се жалат на губење на опсегот на LFP во студено време. Тоа е полошо од NMC. Но, ќелиите се поевтини и траат подолго, така што за многу апликации вреди да се замени-. Би зел LFP пакет за градски автомобил. За крстосувач со автопат со долг дострел-можеби не.
Електролит:
Ова е течноста во средината. Спроведува јони, но не и електрони, што е важно затоа што ако спроведува електрони, само би имал краток спој.
Обично тоа е литиум хексафлуорофосфат - LiPF6 - растворен во органски растворувачи. Растворувачите обично се мешавина од етилен карбонат (EC) и диметил карбонат (DMC) или диетил карбонат (DEC).
Еве еден чуден детал: EC е цврст на собна температура. Точката на топење е околу 36 степени. Значи чисто ЕЦ би замрзнало во зима. Затоа го мешаш со DMC или DEC кои се течни до -70 степени или што и да е. Смесата останува течна во разумни услови.
Исто така, органските карбонати се запаливи. Не е запалив- на ниво на бензин, но дефинитивно запалив. Еднаш видов тест за пенетрација на нокти каде намерно заковавме шајка низ целосно наполнета ќелија. Прво испушти гас - звук на пукање - потоа пламенот ја изгасна дупката за вентилација. Достигна до 2 метри височина. Целата ќелија достигна можеби 800 степени врз основа на снимката од термалната камера.
Тоа беше контролиран тест со гаснење пожар и се. Сепак, сепак страшно.
Солта LiPF6 е хигроскопна како пекол. Сака вода. Ако се навлажни, се хидролизира во HF. Затоа, производството на батерии се случува во екстремно суви простории. Зборувам точка на росење од -40 степени или пониска. Системот за одвлажнување обично е еден од најголемите потрошувачи на енергија во фабриката за ќелии.
Еднаш посетив објект каде што сувата просторија беше толку сува што ме болеше да дишам. Носот ќе ви се исуши за неколку минути. Сите што работеа таму мораа постојано да користат солен спреј. Не е пријатна работна средина.
Сепаратор:
Заборавената компонента. Тоа е само тенка полимерна мембрана, но е критична.
Обично полипропилен (PP) или полиетилен (PE). Понекогаш трислој со PP-PE-PP. Дебелината е типично 20-25 микрони. Тоа е тенко. Потенки од човечко влакно (70-100 микрони).
Има микроскопски пори - како дијаметар од 100 нанометри - кои ги пропуштаат јоните, но ги блокираат електроните. Исто така, ги одржува физички одделени анодата и катодата. Ако допрат=краток спој=лошите работи се случуваат брзо.
Се сеќавате на палењето на Samsung Galaxy Note 7? 2016. Тоа делумно се должи на оштетување на сепараторот. Samsung ја дизајнираше батеријата премногу агресивно. Премногу тенок, претесно спакуван, без толеранција за проширување. Некои ќелии го притиснаа сепараторот премногу силно во еден агол. Развиена слаба точка. На крајот доби дупка. Внатрешен краток. Термички бегство. Пожар.
Тие повлекоа 2,5 милиони телефони. Забранет од авиони. Самсунг го чини милијарди. Сето тоа поради парче пластика потенко од хартија.
Имам мислење за агресивен дизајн на батерии. Производителите продолжуваат да притискаат потенки и полесни за да ја победат конкуренцијата. Но, има граница. Физиката не се грижи за распоредот за лансирање на вашиот производ.
Како всушност функционира (делот што сите го прескокнуваат)
Полнење:
Го приклучувате телефонот. Полначот ги присилува електроните во анодата и ги повлекува од катодата. Ова ја прави катодата да ослободува литиумски јони. Јоните патуваат низ електролитот до анодата. Тие се мешаат во структурата на графитот.
Помислете на тоа како компресирање на пружина. Литиумските јони природно не сакаат да бидат во анодата - тие се постабилни во катодата. Но, вие ги присилувате таму со примена на напон. Складирана енергија.
Испуштање:
Го исклучувате и го користите телефонот. Пролетните изданија. Литиумските јони течат назад во катодата преку електролитот. Електроните течат низ колото на вашиот телефон од анода до катода. Тој проток на електрони го напојува вашиот уред.
Напонот зависи од хемијата и состојбата на полнење. За NMC или NCA:
Целосно наполнето: ~4,2V
Номинална: ~3,7V
Целосно испразнет: ~3,0V
Немојте да одите под 3,0 V или да почнете да обложувате литиум метал што е опасно. Не одете над 4,2 V или ризикувате термички бегство. Затоа постојат системи за управување со батерии (BMS). Тие ги следат напонот и температурата и струјата и ги исклучуваат работите ако нешто изгледа погрешно.
Добриот дизајн на BMS е тежок. Навистина тешко. Потребни ви се брзо време на одговор, точни сензори, непотребни безбедносни проверки. Евтиниот BMS е еден од најбрзите начини да ја претворите пристојната батерија во опасност од пожар.
Проблемите (о човече, има толку многу проблеми)
Проблем 1: Деградацијата е неизбежна
Секој циклус на полнење-празнење ја оштетува батеријата. Неизбежно. Термодинамика.
Има нешто што се нарекува SEI слој - цврста електролитна интерфаза - што се формира на површината на анодата. Тоа е всушност неопходно за батеријата да функционира. Но, тој продолжува да расте со текот на времето и троши активен литиум. По 500 циклуси можеби ќе ви остане 90% капацитет. После 1000 можеби 80%. После 2000... зависи.
Имам MacBook од 2015 година кој сè уште покажува 78% здравје на батеријата. Ми се допаѓа, иако - ретко го пуштам под 40%, држете го приклучен кога е можно, никогаш не го полнете во жежок автомобил. Мојата сопруга има MacBook од 2018 година кој е со 62% здравје затоа што го работи тешко. Целосно циклуси дневно, го остава да се полни преку ноќ, го користи во скут додека е жешко. Начинот на кој ја третирате батеријата е многу важен.
И катодата се деградира. Високиот-никел NMC е особено лош. Над 4,3 V површината на катодата почнува да реагира со електролит. Јоните на преодните метали (никел, манган, кобалт) можат да се растворат и да мигрираат до анодата каде што го нарушуваат SEI. Постои, исто така, нешто што се нарекува катодна згуснување каде што кристалната структура полека се набива и ја губи порозноста.
Ова навистина не може да се спречи. Тоа е само хемија. Ентропијата секогаш победува.
Проблем 2: Температурата уништува сè
Под 0 степени електролитот станува вискозен како ладен мед. Транспортот на јони се забавува. Ќе изгубите можеби 20-30% капацитет на -10 степени . Уште полошо, ако се обидете брзо да наполните ладна батерија, ќе ставите метален литиум на анодата наместо да ја мешате. Тоа создава дендрити - иглички структури од литиум метал кои можат да растат и на крајот да го пробијат сепараторот. Внатрешен краток. Пожар.
Над 40-45 степени, сите реакции на деградација се забрзуваат. Правило на палецот: секое зголемување од 10 степени ја удвојува стапката на реакција. Така, батеријата на 45 степени се деградира околу 4 пати побрзо отколку на 25 степени.
Јас живеам во Тексас. Летните температури достигнаа 100 степени F+ (38 степени +). Сум видел EV батерии кои изгубиле 15% капацитет за 3 години само од изложување на топлина. Во меѓувреме ЕВ во Минесота едвај се деградираат во лето -, но го губат опсегот во зима поради студот. Не може да се победи.
Идеалната работна температура е 20-25 степени. Среќно одржување на тоа во реалниот свет.
Проблем 3: Брзото полнење е инхерентно проблематично
Секој сака 10-минутно полнење на EV како бензинска пумпа. Но, туркањето на огромна енергија преку батеријата генерира топлина. Загуби I²R - тековната квадратна отпорност. Отпорот е мал, но не е нула. Со полнење од 250 kW генерирате значителна топлина.
Исто така, брзото полнење механички ги напрега материјалите на електродата. Ги принудува јоните брзо да се движат низ структурата. Може да предизвика пукање и фрактура на честички со текот на времето.
Тесла Суперполначите (V3) можат да постигнат максимална моќност од 250 kW. Но, тие брзо се намалуваат. Можеби 250 kW за 5 минути, па 150 kW, па 100 kW, па 50 kW. Тоа е BMS што ги штити клетките.
Поновите 800V системи од Porsche и Hyundai можат да направат 350 kW. Но само накратко. Физиката е физика.
Има истражување за дизајни на електроди за брзо-полнење-. Потенки електроди, помали честички, подобри облоги. Тоа помага. Но, не можете да ја измамите термодинамиката.
Проблем 4: Пожар
Литиум-јонските батерии не се палат често. Многу помалку од автомобилите на бензин. Но, кога го прават тоа е драматично.
Термички бегство. Штом клетката ќе достигне критична температура, - варира според хемија, можеби 150-200 степени - започнуваат егзотермните реакции. SEI се распаѓа. Сепараторот се топи. Електролитот врие. Катодата ослободува кислород. Секоја реакција произведува топлина што предизвикува повеќе реакции. Јамка за позитивна повратна информација.
Не можеш да го изгасиш со вода како обичен оган. Мислам, можеш да фрлаш вода за да се излади, но ќелијата продолжува да генерира топлина внатрешно. Противпожарните служби ги мразат пожарите на ЕВ. Одвојте часови за гаснење. Може повторно да се запали подоцна.
Сепак, модерните ќелии имаат безбедносни карактеристики. Сепаратори за исклучување кои се затвораат кога се загреваат. Отвори под притисок. Тековни прекини. Термички осигурувачи. Плус BMS гледа сè.
Сепак, понекогаш се случува. Ги објавува вестите секој пат, иако статистички ЕВ се побезбедни од автомобилите на гас. ПР проблем.
Проблем 5: Кобалт етика
70% од кобалтот доаѓа од ДРК. Многу од занаетчиските рудници со лоши услови за работа. Извештаи за детскиот труд. Оштетување на животната средина. Тоа е хаос.
Сите се обидуваат да користат помалку кобалт. Високиот-никел NMC користи многу малку. LFP користи нула. Но, кобалтот ја стабилизира структурата на катодата. Без него ви треба подобро термичко управување и построги ограничувања на напонот.
Цените на кобалтот се исто така луди. Под 30 илјади долари/тон во 2016 година. Се искачи на 90 илјади долари+ во 2018 година. Падна на 25 илјади долари во 2020 година. Сега околу 35 илјади долари/тон. Како го планирате производството кога цената на суровината ви варира 3 пати?
Проблем 6: Хаос во синџирот на снабдување
Цените на литиумот се намалија во 2021-2022 година. 6.000 $/тон во 2020 година. Го достигна врвот на околу 80.000 $/тон кон крајот на 2022 година. Падна на 12.000 $/тон во 2024 година. Сега околу 15.000 $/тон во 2025 година.
Најголемиот дел од литиумот доаѓа од Австралија (ископ на тврди карпи) или Јужна Америка (вадење саламура од солени површини во Чиле/Аргентина/Боливија - „литиумскиот триаголник“). Но, најголемиот дел од обработката се случува во Кина. Како 75% од глобалниот капацитет за рафинирање на литиум.
Кина го контролира и производството на батерии - 75% од глобалното производство на ќелии. И 90% од анодните материјали (обработка на графит).
Ова е причината зошто САД и Европа се борат да изградат домашни синџири на снабдување. Но, тоа е бавно. Потребни се години за да се изгради гигафабрика. Потребно е подолго време за да се изгради синџирот на снабдување нагоре.
Литиумот{0}}од степенот на батеријата треба да биде ултра чист. Помалку од 0,01% нечистотии. Тоа ниво на рафинирање не е евтино или брзо.
Зошто сме заглавени со литиум-јон (засега)
И покрај сето она за што сега се пожалив, литиум-јонот сè уште е најдобрата опција во комерцијално ниво.
Густина на енергија: 250-300 Wh/kg на ниво на ќелија. Можеби 160-180 Wh/kg на ниво на пакување по додавање на ладење и структура и BMS. Тоа е доволно за 300+ милји ЕВ без смешна тежина.
Спореди:
Оловна-киселина: 30-50 Wh/kg (тешка колку ебам)
NiMH: 60-120 Wh/kg (што користел Prius)
NiCd: 40-60 Wh/kg (исто така токсичен, главно исфрлен)
Производството е зрело. Десетици добавувачи. Повеќе гигафабрики. Воспоставени синџири на снабдување. Економија на обем.
Гигафабриката на Тесла во Невада цели 35 GWh/годишно. Тоа е доволно за 500k+ ЕВ. CATL во Кина прави уште повеќе - Мислам дека 200+ GWh/година? Можеби 300? Ќе морам да проверам.
Целата инфраструктура претпоставува и литиум-јон. Стандарди за полнење (CCS, NACS, CHAdeMO). BMS алгоритми. Безбедносни прописи. Процеси на рециклирање. Не може едноставно да се замени во друга хемија без да се редизајнира сè.
Што може да го замени на крајот
Батерии во цврста состојба-:Заменете го течниот електролит со цврст керамички или стакло или сулфиден материјал. Предности: нема истекување, помал ризик од пожар, можеби користете литиумски метални аноди за поголема густина на енергија.
QuantumScape, Solid Power, Toyota, Samsung - сите работат на тоа. QuantumScape бара 800 Wh/kg во лабораториски ќелии со 800+ циклуси. Импресивно ако е вистина.
Проблеми: Отпорност на интерфејсот помеѓу цврстиот електролит и електродите. Тешко е да се одржи добар контакт во текот на илјадници циклуси бидејќи материјалите се шират/договараат. Повеќето цврсти електролити се кршливи - дендритите можат да се пробијат низ нив. Производството во обем е целосно недокажано.
Скептичен сум дека ова ќе го видиме во мејнстрим автомобилите пред 2030 година. Можеби 2028 година, ако некој има пробив. Но веројатно подоцна. Слушнав „солидна-состојба е на 5 години“ во последните 10 години.
Литиум-сулфур:Теоретска густина на енергија од 2600 Wh/kg. Сулфурот е евтин и изобилен.
Проблем: ефект на шатл од полисулфид. Средните производи се раствораат во електролитот што предизвикува брзо бледнеење на капацитетот. По 50 циклуси батеријата е тост.
Ова е „речиси решено“ веќе 20+ години. Сè уште не е таму.
Натриум-јон:Всушност се случува сега. CATL започна со производство во 2023 година. BYD работи на тоа.
Натриумот е насекаде (морска вода). Многу поевтино од литиумот. Може да користи слична опрема за производство.
Но, густината на енергијата е помала: 150-160 Wh/kg наспроти 250-300 за литиум-јон.
Има смисла за стационарно складирање и буџетски ЕВ. Во скоро време нема да се замени литиум-јон во премиум производи.
Литиумски метални аноди:Користете литиум метал наместо графит. Чувајте течен електролит. Може да достигне 400-500 Wh/kg на ниво на ќелија.
Проблемот со дендритот опстојува. Секој има свој раствор - премази, електролитни адитиви итн. Ќе видиме кој прв ќе успее.
О илитиум полимерни батерии- веројатно треба да ги спомене. Тие користат гел или цврст полимер електролит наместо течен. Потенки, полесни, пофлексибилни форми. Вашите безжични слушалки веројатно имаат една. Малку побезбедно од течноста, но енергетската густина е приближно иста. Сè уште е технологија на литиум-јони, само поинаку спакувана. Одделите за маркетинг обожаваат да ги нарекуваат „LiPo“ како да е некоја револуционерна работа. Тоа не е.
