Coche eléctrico onte, hoxe e mañá: 3a parte

O termo "baterías de ión-litio" agocha unha gran variedade de tecnoloxías.

Unha cousa é segura, sempre que a electroquímica de ións de litio permaneza sen cambios neste sentido. Ningunha outra tecnoloxía de almacenamento de enerxía electroquímica pode competir co ión de litio. A cuestión, con todo, é que existen diferentes deseños que utilizan materiais diferentes para o cátodo, o ánodo e o electrólito, cada un dos cales ten vantaxes diferentes en termos de durabilidade (o número de ciclos de carga e descarga ata unha capacidade residual permitida para os vehículos eléctricos). do 80%), potencia específica kWh/kg, prezo euro/kg ou relación potencia/potencia.

De volta no tempo

A posibilidade de realizar procesos electroquímicos no chamado. As células de ión-litio proceden da separación de protóns e electróns de litio da unión de litio no cátodo durante a carga. O átomo de litio doa facilmente un dos seus tres electróns, pero pola mesma razón é moi reactivo e debe estar illado do aire e da auga. Na fonte de tensión, os electróns comezan a moverse ao longo do seu circuíto, e os ións son dirixidos ao ánodo de carbono-litio e, ao atravesar a membrana, conéctanse a el. Durante a descarga, prodúcese o movemento inverso: os ións volven ao cátodo e os electróns, á súa vez, pasan pola carga eléctrica externa. Non obstante, a carga rápida de alta corrente e a descarga total orixinan a formación de novas conexións duradeiras, o que reduce ou mesmo detén a función da batería. A idea detrás do uso do litio como doador de partículas deriva do feito de que é o metal máis lixeiro e pode liberar facilmente protóns e electróns nas condicións adecuadas. Non obstante, os científicos están abandonando rapidamente o uso do litio puro debido á súa alta volatilidade, á súa capacidade de unirse ao aire e por razóns de seguridade.

A primeira batería de ión-litio foi creada nos anos 1970 por Michael Whittingham, que utilizou litio puro e sulfuro de titanio como electrodos. Esta electroquímica xa non se usa, pero en realidade senta as bases das baterías de ión-litio. Na década de 1970, Samar Basu demostrou a capacidade de absorber ións de litio do grafito, pero debido á experiencia da época, as baterías autodestruíronse rapidamente cando se cargaban e descargaban. Na década de 1980, o desenvolvemento intensivo comezou a atopar compostos de litio adecuados para o cátodo e o ánodo das baterías, e o verdadeiro avance produciuse en 1991.

NCA, NCM Lithium Cells ... que significa isto realmente?

Despois de experimentar con varios compostos de litio en 1991, os esforzos dos científicos foron coroados con éxito: Sony comezou a produción en masa de baterías de ión-litio. Actualmente, as baterías deste tipo teñen a maior potencia de saída e densidade enerxética e, o máis importante, un importante potencial de desenvolvemento. Dependendo dos requisitos da batería, as empresas recurren a varios compostos de litio como material do cátodo. Trátase de óxido de litio cobalto (LCO), compostos con níquel, cobalto e aluminio (NCA) ou con níquel, cobalto e manganeso (NCM), fosfato de ferro litio (LFP), espinela de litio manganeso (LMS), óxido de litio e titanio (LTO). e outros. O electrólito é unha mestura de sales de litio e disolventes orgánicos e é especialmente importante para a "mobilidade" dos ións de litio, e o separador, que se encarga de evitar curtocircuítos ao ser permeable aos ións de litio, adoita ser polietileno ou polipropileno.

Potencia de saída, capacidade ou ambos

As características máis importantes das baterías son a densidade de enerxía, a fiabilidade e a seguridade. As baterías producidas actualmente cobren unha gran variedade destas calidades e, dependendo dos materiais empregados, teñen un rango de enerxía específico de 100 a 265 W / kg (e unha densidade de enerxía de 400 a 700 W / L). O mellor neste sentido son as baterías NCA e os peores LFP. Non obstante, o material é unha das caras da moeda. Para aumentar a enerxía específica e a densidade de enerxía, utilízanse varias nanoestruturas para absorber máis material e proporcionar unha maior condutividade da corrente iónica. Un gran número de ións, "almacenados" nun composto estable e a condutividade son requisitos previos para unha carga máis rápida e o desenvolvemento diríxese a estas direccións. Ao mesmo tempo, o deseño da batería debe proporcionar a relación de potencia / capacidade necesaria segundo o tipo de unidade. Por exemplo, os híbridos enchufables deben ter unha relación potencia-capacidade moito maior por razóns obvias. Os desenvolvementos actuais céntranse en baterías como NCA (LiNiCoAlO2 con cátodo e ánodo de grafito) e NMC 811 (LiNiMnCoO2 con cátodo e ánodo de grafito). Os primeiros conteñen (fóra do litio) aproximadamente un 80% de níquel, un 15% de cobalto e un 5% de aluminio e teñen unha enerxía específica de 200-250 W / kg, o que significa que teñen un uso relativamente limitado de cobalto crítico e unha vida útil de ata 1500 ciclos. Tesla producirá estas baterías no seu Gigafactory en Nevada. Cando alcance a súa capacidade máxima prevista (en 2020 ou 2021, segundo a situación), a planta producirá 35 GWh de baterías, suficientes para alimentar 500 vehículos. Isto reducirá aínda máis o custo das baterías.

As baterías NMC 811 teñen unha enerxía específica lixeiramente menor (140-200 W/kg) pero teñen unha vida útil máis longa, chegando aos 2000 ciclos completos, e son un 80% de níquel, un 10% de manganeso e un 10% de cobalto. Actualmente, todos os fabricantes de baterías usan un destes dous tipos. A única excepción é a empresa chinesa BYD, que fabrica baterías LFP. Os coches equipados con eles son máis pesados, pero non necesitan cobalto. As baterías NCA son preferidas para vehículos eléctricos e NMC para híbridos enchufables debido ás súas respectivas vantaxes en termos de densidade de enerxía e densidade de potencia. Exemplos son o e-Golf eléctrico cunha relación potencia/capacidade de 2,8 e o Golf GTE híbrido enchufable cunha relación de 8,5. En nome da baixada do prezo, VW pretende utilizar as mesmas celas para todo tipo de baterías. E unha cousa máis: canto maior sexa a capacidade da batería, menor será o número de descargas e cargas completas, e isto aumenta a súa vida útil, polo tanto, canto maior sexa a batería, mellor. A segunda refírese aos híbridos como problema.

Tendencias do mercado

Na actualidade, a demanda de baterías para fins de transporte xa supera a demanda de produtos electrónicos. Aínda está previsto que se venderán 2020 millóns de vehículos eléctricos ao ano en todo o mundo para 1,5, o que axudará a reducir o custo das baterías. En 2010, o prezo de 1 kWh dunha pila de iones de litio era duns 900 euros, e agora é de menos de 200 euros. O 25 % do custo de toda a batería é para o cátodo, o 8 % para o ánodo, o separador e o electrólito, o 16 % para todas as outras células da batería e o 35 % para o deseño global da batería. Noutras palabras, as células de iones de litio contribúen ao 65 por cento do custo dunha batería. Os prezos estimados de Tesla para 2020 cando Gigafactory 1 entra en servizo roldan os 300 €/kWh para as baterías NCA e o prezo inclúe o produto acabado con algún IVE medio e garantía. Aínda é un prezo bastante elevado, que seguirá baixando co paso do tempo.

As principais reservas de litio atópanse en Arxentina, Bolivia, Chile, China, Estados Unidos, Australia, Canadá, Rusia, Congo e Serbia, sendo a gran maioría minada actualmente de lagos secos. A medida que se acumulen máis baterías, aumentará o mercado de materiais reciclados a partir de baterías antigas. Non obstante, o máis importante é o problema do cobalto, que, aínda que está presente en grandes cantidades, extraese como subproduto da produción de níquel e cobre. O cobalto extraese, a pesar da súa baixa concentración no chan, no Congo (que ten as maiores reservas dispoñibles), pero en condicións que desafían a ética, a moral e a protección do ambiente.

Ola tecnoloxía

Hai que ter en conta que as tecnoloxías aceptadas como perspectiva para un futuro próximo en realidade non son fundamentalmente novas, senón que son opcións de ión-litio. Trátase, por exemplo, de baterías de estado sólido que utilizan un electrólito sólido en lugar dun líquido (ou xel en baterías de polímero de litio). Esta solución proporciona un deseño máis estable dos electrodos, que viola a súa integridade cando se cargan con alta corrente, respectivamente. alta temperatura e alta carga. Isto pode aumentar a corrente de carga, a densidade de electrodos e a capacidade. As baterías de estado sólido aínda están nunha fase moi temperá de desenvolvemento e é improbable que chegue á produción en masa ata mediados da década.

Unha das startups premiadas no BMW Innovation Technology Competition de Amsterdam en 2017 foi unha empresa alimentada por baterías cuxo ánodo de silicio aumenta a densidade de enerxía. Os enxeñeiros están a traballar en varias nanotecnoloxías para proporcionar maior densidade e resistencia ao material do ánodo e do cátodo, e unha solución é empregar grafeno. Estas capas microscópicas de grafito cun único grosor de átomo e unha estrutura atómica hexagonal son un dos materiais máis prometedores. As "bolas de grafeno" desenvolvidas polo fabricante de pilas de batería Samsung SDI, integradas na estrutura de cátodo e ánodo, proporcionan maior resistencia, permeabilidade e densidade do material e un correspondente aumento da capacidade de aproximadamente un 45% e un tempo de carga cinco veces máis rápido. Estas tecnoloxías pode recibir o impulso máis forte dos coches de Fórmula E, que poden ser os primeiros en equiparse con tales baterías.

Xogadores nesta etapa

Os principais actores como provedores de Tier 123 e Tier 2020, é dicir, fabricantes de pilas e baterías, son Xapón (Panasonic, Sony, GS Yuasa e Hitachi Vehicle Energy), Corea (LG Chem, Samsung, Kokam e SK Innovation), China (BYD Company) . , ATL e Lishen) e os EUA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel e Valence Technology). Os principais provedores de teléfonos móbiles son actualmente LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Corea), AESC (Xapón), BYD (China) e CATL (China), que teñen unha cota de mercado de dous terzos. Neste momento en Europa, só se opoñen BMZ Group de Alemaña e Northvolth de Suecia. Co lanzamento da Gigafactory de Tesla en XNUMX, esta proporción cambiará: a compañía estadounidense representará o XNUMX% da produción mundial de células de iones de litio. Empresas como Daimler ou BMW xa asinaron contratos con algunhas destas empresas, como CATL, que está a construír unha fábrica en Europa.