Historia akumulatorów pojazdów elektrycznych: wyjaśnianie tajemnic NCM, NCA, LFP i chemii ciała stałego

Głównym powodem, dla którego pojazdy elektryczne nie przejęły całkowicie obciążenia transportowego, jest poziom technologii akumulatorów wysokiego napięcia. Mimo że w ciągu ostatniej dekady poczyniono ogromne postępy w tej dziedzinie, zawartość energii w akumulatorach nie jest nawet zbliżona do zawartości energii w paliwach płynnych. Świętym Graalem badań motoryzacyjnych jest akumulator o znacznie większej gęstości energii niż obecnie dostępne. Postanowiliśmy więc dokonać przeglądu obecnych i obiecujących nadchodzących technologii akumulatorów i poinformować Cię o tym.

Aktualnie stosowane technologie

Litowo-jonowy - katoda NCM i NCA

Historia akumulatorów litowo-jonowych sięga około 30 lat wstecz, kiedy firma Sony wprowadziła je do komercyjnego urządzenia – kamery Sony CCD-TR1. Jak działa bateria litowo-jonowa? Krótko mówiąc, jony litu przemieszczają się od anody do katody tam i z powrotem. Podczas rozładowywania anoda wysyła jony litu do katody. Jony litu przemieszczają się przez ciekłe elektrolity, podczas gdy elektrony przemieszczają się przez obwód zewnętrzny i łączą się ponownie na katodzie ogniwa. Podczas ładowania dzieje się odwrotnie.

Obecnie akumulatory wysokonapięciowe litowo-jonowe NCM i NCA są stosowane prawie wyłącznie w pojazdach elektrycznych. N oznacza nikiel, C kobalt, M mangan, a A aluminium. W zależności od procentowej zawartości tych materiałów w katodzie akumulatora uzyskuje się różne właściwości. Na przykład bateria NCM 712 oznacza, że ​​składa się z 70% niklu, 10% kobaltu i 20% manganu. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa zawartość niklu w akumulatorze, tym wyższą gęstość energii może zapewnić akumulator, co ma znaczący pozytywny wpływ na wagę i wymiary akumulatora.

Ze względu na niedostatek kobaltu w skorupie ziemskiej i wątpliwą etykę wydobycia (praca dzieci), producenci akumulatorów starają się stosować chemikalia o niższym udziale procentowym materiału lub jego całkowitym wykluczeniu. Połączenie katody o wysokiej zawartości niklu, układu ogniw do pakowania i krzemu w anodzie może zwiększyć gęstość energii do 325 Wh/kg. Można powiedzieć, że tego typu akumulatory zbliżają się do granic swoich możliwości technologicznych.

Litowo-jonowy - katoda LFP

Inną alternatywą dla katody w akumulatorach litowo-jonowych jest zastosowanie fosforanu litowo-żelazowego. Chociaż wydajność tego rodzaju akumulatorów jest generalnie niższa niż akumulatorów typu NMC, niektórzy producenci preferują je ze względu na dłuższą żywotność oraz tańsze i powszechniejsze użyte materiały. Specyficzna gęstość energii jest tutaj niższa z powodu dwóch głównych czynników.

Po pierwsze dlatego, że napięcie maksymalne jest niższe, co oznacza, że przy tej samej pojemności otrzymamy mniejszą kWh, a po drugie, ponieważ jony litu poruszają się w jednym wymiarze przestrzennym (zamiast dwóch w akumulatorach NMC). Fakt, że jony litu poruszają się tylko w jednym wymiarze przestrzennym, oznacza, że ​​maksymalna moc rozładowania akumulatora jest również niższa, dlatego ten rodzaj akumulatora nie jest uważany za odpowiedni do zastosowań o wysokiej wydajności.

To jest powód, dla którego Tesla używa tego rodzaju baterii tylko w podstawowej wersji Modelu 3. Ten rodzaj baterii ma jednak dwie główne zalety. Jego żywotność jest uważana za wyższą niż innych typów akumulatorów litowo-jonowych i nie tylko nie ma problemu z ładowaniem go do 100%, ale jest to wręcz silna rekomendacja dla tych akumulatorów.

Możliwe technologie przyszłości

Lit - Powietrze

Baterie litowo-powietrzne są obecnie w większości projektem technologicznym i są w fazie badań, ale ten typ baterii wydaje się najbardziej obiecujący ze wszystkich i charakteryzuje się konkretną wydajnością energetyczną podobną do paliw płynnych wynoszącą 11,4 kWh/kg. Lit znajduje się w anodzie, podczas gdy powietrze znajduje się w katodzie i te dwa elementy są oddzielone elektrolitem. Podczas rozładowywania jony litu z anody przemieszczają się do katody, gdzie występuje powietrze i reagują z tlenem.

Niestety wysokie temperatury podczas ładowania uniemożliwiają szybkie doładowanie akumulatora, natomiast powstawanie dendrytów w trakcie procesu znacznie skraca żywotność akumulatora, ograniczając jego obecne użytkowanie do środowiska laboratoryjnego. Jeśli pokonane zostaną wyzwania technologiczne, a koszt będzie rozsądny, pojazdy ICE z dnia na dzień staną się przestarzałe.

Solid State

Uważany jest za Świętego Graala akumulatorów samochodowych, a szeroko zakrojone badania prowadzą obecnie wszyscy giganci branży motoryzacyjnej. Współczesne konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe wykorzystują ciekłe elektrolity i separator do oddzielania anody od katody. W akumulatorze półprzewodnikowym ciekły elektrolit i separator zastępuje się elektrolitem stałym.

Naukowcy oceniają obecnie szereg opcji dotyczących elektrolitu stałego, obejmujących zarówno substancje metaliczne, jak i ceramiczne. Choć obecnie żaden pojazd elektryczny nie wykorzystuje tej technologii akumulatorów, przewiduje się, że pierwsze modele produkcyjne pojawią się na rynku w ciągu najbliższych dwóch–trzech lat. Przewiduje się, że akumulator ten będzie zapewniał gęstość energii dwukrotnie większą niż tradycyjne akumulatory litowo-jonowe z ciekłymi elektrolitami, zachowując jednocześnie żywotność wynoszącą 1000 cykli, chociaż szacunki te mogą potencjalnie ulec poprawie w miarę postępu prac rozwojowych.