سيارة كهربائية أمس ، غدًا ، اليوم: الجزء الأول
جهاز السيارة

سيارة كهربائية أمس ، غدًا ، اليوم: الجزء الأول

يخفي مصطلح "بطاريات ليثيوم أيون" مجموعة واسعة من التقنيات.

هناك شيء واحد مؤكد - طالما بقيت الكيمياء الكهربية لليثيوم أيون دون تغيير في هذا الصدد. لا توجد أي تقنية أخرى لتخزين الطاقة الكهروكيميائية يمكنها منافسة أيون الليثيوم. ومع ذلك ، فإن النقطة هي أن هناك تصميمات مختلفة تستخدم مواد مختلفة للكاثود والأنود والإلكتروليت ، ولكل منها مزايا مختلفة من حيث المتانة (عدد دورات الشحن والتفريغ حتى السعة المتبقية المسموح بها للسيارات الكهربائية 80٪) ، طاقة محددة كيلو وات ساعة / كجم ، سعر يورو / كجم أو نسبة الطاقة إلى الطاقة.

الرجوع بالزمن

إمكانية إجراء العمليات الكهروكيميائية فيما يسمى ب. تأتي خلايا الليثيوم أيون من فصل بروتونات الليثيوم والإلكترونات من تقاطع الليثيوم عند الكاثود أثناء الشحن. تتبرع ذرة الليثيوم بسهولة بأحد إلكتروناتها الثلاثة ، ولكنها لنفس السبب شديدة التفاعل ويجب عزلها عن الهواء والماء. في مصدر الجهد ، تبدأ الإلكترونات في التحرك على طول دائرتها ، ويتم توجيه الأيونات إلى أنود الكربون والليثيوم ، والتي تمر عبر الغشاء ، وتتصل به. أثناء التفريغ ، تحدث الحركة العكسية - تعود الأيونات إلى الكاثود ، وتمر الإلكترونات بدورها عبر الحمل الكهربائي الخارجي. ومع ذلك ، يؤدي الشحن السريع للتيار العالي والتفريغ الكامل إلى تكوين اتصالات متينة جديدة ، مما يقلل أو حتى يوقف وظيفة البطارية. تنبع الفكرة وراء استخدام الليثيوم كمانح للجسيمات من حقيقة أنه أخف معدن ويمكنه بسهولة إطلاق البروتونات والإلكترونات في ظل الظروف المناسبة. ومع ذلك ، يتخلى العلماء بسرعة عن استخدام الليثيوم النقي بسبب تقلبه الشديد وقدرته على الارتباط بالهواء ولأسباب تتعلق بالسلامة.

تم إنشاء أول بطارية ليثيوم أيون في السبعينيات بواسطة مايكل ويتنغهام ، الذي استخدم الليثيوم النقي وكبريتيد التيتانيوم كأقطاب كهربائية. لم تعد هذه الكيمياء الكهربائية مستخدمة ، ولكنها في الواقع تضع الأساس لبطاريات ليثيوم أيون. في السبعينيات ، أثبتت سمر باسو القدرة على امتصاص أيونات الليثيوم من الجرافيت ، ولكن بفضل تجربة ذلك الوقت ، دمرت البطاريات سريعًا ذاتيًا أثناء الشحن والتفريغ. بدأ التطور المكثف في الثمانينيات للعثور على مركبات الليثيوم المناسبة للكاثود وأنود البطاريات ، وحدث اختراق حقيقي في عام 1970.

NCA ، خلايا الليثيوم NCM ... ماذا يعني ذلك حقًا؟

بعد تجربة العديد من مركبات الليثيوم في عام 1991 ، توجت جهود العلماء بالنجاح - بدأت سوني في الإنتاج الضخم لبطاريات الليثيوم أيون. حاليًا ، تتمتع البطاريات من هذا النوع بأعلى طاقة خرج وكثافة طاقة ، والأهم من ذلك أنها تتمتع بإمكانية كبيرة للتطوير. اعتمادًا على متطلبات البطارية ، تتجه الشركات إلى استخدام مركبات الليثيوم المختلفة كمواد الكاثود. هذه هي أكسيد الكوبالت الليثيوم (LCO) ، مركبات مع النيكل والكوبالت والألمنيوم (NCA) أو مع النيكل والكوبالت والمنغنيز (NCM) ، فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) ، الإسبنيل الليثيوم والمنغنيز (LMS) ، وأكسيد التيتانيوم والليثيوم (LTO) و اخرين. الإلكتروليت عبارة عن خليط من أملاح الليثيوم والمذيبات العضوية وهو مهم بشكل خاص "لحركة" أيونات الليثيوم ، والفاصل ، المسؤول عن منع الدوائر القصيرة من خلال نفاذه لأيونات الليثيوم ، يكون عادةً بولي إيثيلين أو بولي بروبيلين.

طاقة الإخراج أو السعة أو كليهما

أهم خصائص البطارية هي الطاقة والموثوقية والسلامة المحددة. تغطي البطاريات المنتجة حاليًا مجموعة واسعة من هذه الصفات ، واعتمادًا على المواد المستخدمة ، لها طاقة محددة تتراوح من 100 إلى 265 واط / كجم (وكثافة طاقة 400 إلى 700 واط / لتر). الأفضل في هذا الصدد هي بطاريات NCA وأسوأ LFPs. ومع ذلك ، فإن المادة هي جانب واحد من العملة. لزيادة كل من الطاقة المحددة وكثافة الطاقة ، يتم استخدام العديد من الهياكل النانوية لامتصاص المزيد من المواد وتوفير موصلية أعلى لتدفق الأيونات. عدد كبير من الأيونات "المخزنة" في مركب ثابت ، والتوصيل هي متطلبات مسبقة للشحن السريع ، ويتم توجيه التطوير في هذه الاتجاهات. في الوقت نفسه ، يجب أن يوفر تصميم البطارية النسبة اللازمة من الطاقة إلى السعة ، اعتمادًا على نوع محرك الأقراص. على سبيل المثال ، يجب أن تحتوي السيارات الهجينة الإضافية على نسبة طاقة أعلى بكثير إلى السعة لأسباب واضحة. تركز التطورات اليوم على البطاريات من نوع NCA (LiNiCoAlO2 مع الكاثود والأنود الجرافيت) و NMC 811 (LiNiMnCoO2 مع الكاثود والأنود الجرافيت). يحتوي الأول (خارج الليثيوم) على حوالي 80 ٪ من النيكل و 15 ٪ من الكوبالت و 5 ٪ من الألمنيوم ولديه طاقة محددة من 200-250 واط / كجم ، مما يعني أن لديهم استخدامًا محدودًا نسبيًا للكوبالت الحرجة وعمر خدمة يصل إلى 1500 دورة. سيتم إنتاج هذه البطاريات من قبل شركة Tesla في مصنعها العملاق في نيفادا. عندما تصل إلى السعة الكاملة المخططة (في 2020 أو 2021 ، حسب الحالة) ، سينتج المصنع 35 جيجاوات في الساعة من البطاريات ، وهو ما يكفي لتجهيز 500 سيارة. سيؤدي ذلك إلى تقليل تكاليف البطارية.

تتميز بطاريات NMC 811 بطاقة محددة أقل قليلاً (140-200 واط / كجم) ولكنها تتمتع بعمر أطول ، حيث تصل إلى 2000 دورة كاملة ، وتتكون من 80٪ نيكل و 10٪ منجنيز و 10٪ كوبالت. حاليًا ، تستخدم جميع الشركات المصنعة للبطاريات أحد هذين النوعين. الاستثناء الوحيد هو شركة BYD الصينية ، التي تصنع بطاريات LFP. السيارات المجهزة بها أثقل وزناً ولكنها لا تحتاج إلى كوبالت. تُفضل بطاريات NCA للسيارات الكهربائية و NMC للهجينة الموصولة بالكهرباء نظرًا لمزاياها من حيث كثافة الطاقة وكثافة الطاقة. ومن الأمثلة على ذلك سيارة e-Golf الكهربائية التي تبلغ نسبة الطاقة / السعة فيها 2,8 ، والجولف GTE الهجين المزود بالكهرباء بنسبة 8,5. باسم خفض السعر ، تعتزم شركة فولكس فاجن استخدام نفس الخلايا لجميع أنواع البطاريات. وهناك شيء آخر - كلما زادت سعة البطارية ، قل عدد عمليات التفريغ والشحن الكاملة ، وهذا يزيد من عمر الخدمة ، وبالتالي - كلما كانت البطارية أكبر ، كان ذلك أفضل. والثاني يتعلق بالهجن كمشكلة.

اتجاهات السوق

في الوقت الحالي ، يتجاوز الطلب على البطاريات لأغراض النقل بالفعل الطلب على المنتجات الإلكترونية. لا يزال من المتوقع أن يتم بيع 2020 مليون سيارة كهربائية سنويًا على مستوى العالم بحلول عام 1,5 ، مما سيساعد في خفض تكلفة البطاريات. في عام 2010 ، كان سعر خلية أيون الليثيوم 1 كيلو وات في الساعة حوالي 900 يورو ، والآن هو أقل من 200 يورو. 25٪ من تكلفة البطارية بأكملها مخصصة للكاثود ، و 8٪ للأنود والفاصل والإلكتروليت ، و 16٪ لجميع خلايا البطارية الأخرى و 35٪ للتصميم الكلي للبطارية. بمعنى آخر ، تساهم خلايا أيونات الليثيوم بنسبة 65 بالمائة في تكلفة البطارية. تبلغ أسعار Tesla المقدرة لعام 2020 عندما يدخل Gigafactory 1 الخدمة حوالي 300 يورو / كيلو واط ساعة لبطاريات NCA ويشمل السعر المنتج النهائي مع بعض متوسط ​​ضريبة القيمة المضافة والضمان. لا يزال سعرًا مرتفعًا إلى حد ما ، والذي سيستمر في الانخفاض بمرور الوقت.

الاحتياطيات الرئيسية من الليثيوم موجودة في الأرجنتين وبوليفيا وشيلي والصين والولايات المتحدة وأستراليا وكندا وروسيا والكونغو وصربيا ، ويتم استخراج الغالبية العظمى منها حاليًا من البحيرات الجافة. مع تراكم عدد متزايد من البطاريات ، سيزداد سوق المواد المعاد تدويرها من البطاريات القديمة. ومع ذلك ، فإن الأهم من ذلك هو مشكلة الكوبالت ، والتي ، على الرغم من وجودها بكميات كبيرة ، يتم استخراجها كمنتج ثانوي في إنتاج النيكل والنحاس. على الرغم من التركيز المنخفض في التربة ، يتم استخراج الكوبالت في الكونغو (التي لديها أكبر الاحتياطيات المتاحة) ، ولكن في ظل ظروف تتحدى الأخلاق والأخلاق وحماية البيئة.

مرحبا التكنولوجيا

يجب أن يوضع في الاعتبار أن التقنيات المعتمدة كآفاق مستقبلية ، في الواقع ، ليست جديدة بشكل أساسي ، ولكنها خيارات أيونات الليثيوم. على سبيل المثال ، هي بطاريات الحالة الصلبة ، حيث يتم استخدام المنحل بالكهرباء الصلبة (أو هلام في بطاريات ليثيوم بوليمر) بدلاً من السائل. يوفر هذا الحل تصميمًا أكثر استقرارًا للأقطاب الكهربائية ، مما ينتهك سلامتها عند الشحن بالتيار العالي ، على التوالي. درجة حرارة عالية وحمولة عالية. هذا يمكن أن يزيد تيار الشحن وكثافة القطب والسعة. لا تزال بطاريات الحالة الصلبة في مرحلة مبكرة جدًا من التطور ، ومن غير المحتمل أن تظهر في الإنتاج الضخم حتى منتصف العقد.

كانت إحدى الشركات الناشئة الحائزة على جوائز في مسابقة BMW Innovation Technology لعام 2017 في أمستردام شركة تعمل بالبطاريات يعمل أنود السيليكون على تحسين كثافة الطاقة. يعمل المهندسون على تقنيات النانو المختلفة لتوفير كثافة وقوة أكبر لكل من مادة الأنود والكاثود ، ويتمثل أحد الحلول في استخدام الجرافين. هذه الطبقات المجهرية من الجرافيت بسمك ذرة واحدة وبنية ذرية سداسية هي واحدة من أكثر المواد الواعدة. توفر "كرات الجرافين" التي طورتها الشركة المصنعة لخلية البطارية Samsung SDI ، المدمجة في هيكل الكاثود والأنود ، قوة ونفاذية وكثافة أعلى للمادة وزيادة مقابلة في السعة بحوالي 45٪ ووقت شحن أسرع بخمس مرات. هذه التقنيات يمكن أن تتلقى أقوى دفعة من سيارات Formula E ، والتي قد تكون أول من يتم تجهيزها بمثل هذه البطاريات.

اللاعبون في هذه المرحلة

اللاعبون الرئيسيون كموردي المستوى 123 والمستوى 2020 ، أي مصنعي الخلايا والبطاريات ، هم اليابان (Panasonic و Sony و GS Yuasa و Hitachi Vehicle Energy) وكوريا (LG Chem و Samsung و Kokam و SK Innovation) ، الصين (شركة BYD) . و ATL و Lishen) والولايات المتحدة الأمريكية (Tesla و Johnson Controls و A30 Systems و EnerDel و Valence Technology). الموردين الرئيسيين للهواتف المحمولة حاليًا هم LG Chem و Panasonic و Samsung SDI (كوريا) و AESC (اليابان) و BYD (الصين) و CATL (الصين) ، التي تمتلك حصة سوقية تبلغ الثلثين. في هذه المرحلة في أوروبا ، لا تعارضهم سوى مجموعة BMZ من ألمانيا ونورث فولث من السويد. مع إطلاق مصنع Gigafactory في Tesla في عام XNUMX ، ستتغير هذه النسبة - ستمثل الشركة الأمريكية XNUMX ٪ من إنتاج العالم من خلايا الليثيوم أيون. وقعت شركات مثل Daimler و BMW بالفعل عقودًا مع بعض هذه الشركات ، مثل CATL ، التي تبني مصنعًا في أوروبا.

إضافة تعليق