รถยนต์ไฟฟ้าเมื่อวานวันนี้พรุ่งนี้: ตอนที่ 3

คำว่า "แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน" ซ่อนเทคโนโลยีต่างๆไว้มากมาย

สิ่งหนึ่งที่แน่นอนคือ ตราบใดที่ลิเธียมไอออนไฟฟ้าเคมียังคงไม่เปลี่ยนแปลงในเรื่องนี้ ไม่มีเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าเคมีอื่นใดที่สามารถแข่งขันกับลิเธียมไอออนได้ อย่างไรก็ตาม ประเด็นคือมีการออกแบบที่แตกต่างกันซึ่งใช้วัสดุที่แตกต่างกันสำหรับแคโทด แอโนด และอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งแต่ละชนิดมีข้อดีที่แตกต่างกันในแง่ของความทนทาน (จำนวนรอบการชาร์จและการคายประจุจนถึงความจุที่เหลืออยู่ที่อนุญาตสำหรับยานยนต์ไฟฟ้า 80%), กำลังไฟฟ้าเฉพาะ kWh/kg, ราคายูโร/กก. หรืออัตราส่วนกำลังต่อกำลัง

ย้อนเวลากลับไป

ความเป็นไปได้ของการดำเนินกระบวนการทางเคมีไฟฟ้าในสิ่งที่เรียกว่า เซลล์ลิเธียมไอออนเกิดจากการแยกลิเธียมโปรตอนและอิเล็กตรอนออกจากจุดแยกลิเธียมที่แคโทดระหว่างการชาร์จ อะตอมลิเธียมสามารถบริจาคอิเล็กตรอนหนึ่งในสามตัวได้อย่างง่ายดาย แต่ด้วยเหตุผลเดียวกัน อะตอมจึงมีปฏิกิริยาสูงและต้องแยกออกจากอากาศและน้ำ ในแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้า อิเล็กตรอนเริ่มเคลื่อนที่ไปตามวงจร และไอออนจะถูกส่งตรงไปยังขั้วบวกคาร์บอน-ลิเธียม และเชื่อมต่อกับเมมเบรนผ่านเมมเบรน ในระหว่างการคายประจุจะเกิดการเคลื่อนที่ย้อนกลับ - ไอออนจะกลับไปที่แคโทดและอิเล็กตรอนจะผ่านโหลดไฟฟ้าภายนอก อย่างไรก็ตาม การชาร์จด้วยกระแสไฟฟ้าสูงอย่างรวดเร็วและการคายประจุจนเต็มจะส่งผลให้เกิดการเชื่อมต่อใหม่ที่ทนทาน ซึ่งลดหรือแม้แต่หยุดการทำงานของแบตเตอรี่ แนวคิดเบื้องหลังการใช้ลิเธียมในฐานะผู้บริจาคอนุภาคเกิดจากความจริงที่ว่าลิเธียมเป็นโลหะที่เบาที่สุดและสามารถปล่อยโปรตอนและอิเล็กตรอนได้อย่างง่ายดายภายใต้สภาวะที่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์กำลังเลิกใช้ลิเธียมบริสุทธิ์อย่างรวดเร็วเนื่องจากความผันผวนสูง ความสามารถในการยึดเกาะกับอากาศ และเหตุผลด้านความปลอดภัย

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนตัวแรกถูกสร้างขึ้นในปี 1970 โดย Michael Whittingham ซึ่งใช้ลิเธียมและไททาเนียมซัลไฟด์บริสุทธิ์เป็นอิเล็กโทรด เคมีไฟฟ้านี้ไม่ได้ใช้อีกต่อไป แต่จริงๆแล้วเป็นรากฐานสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ในปี 1970 Samar Basu แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการดูดซับลิเธียมไอออนจากกราไฟต์ แต่เนื่องจากประสบการณ์ในช่วงเวลานั้นแบตเตอรี่จะถูกทำลายตัวเองอย่างรวดเร็วเมื่อชาร์จและคายประจุ ในช่วงทศวรรษที่ 1980 การพัฒนาอย่างเข้มข้นเริ่มค้นหาสารประกอบลิเธียมที่เหมาะสมสำหรับแคโทดและขั้วบวกของแบตเตอรี่และการพัฒนาที่แท้จริงเกิดขึ้นในปีพ. ศ.

NCA, NCM ลิเธียมเซลล์ ... นี่หมายความว่าอย่างไร?

หลังจากทำการทดลองกับสารประกอบลิเธียมหลายชนิดในปี 1991 ความพยายามของนักวิทยาศาสตร์ก็ประสบความสำเร็จ Sony เริ่มผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปริมาณมาก ปัจจุบัน แบตเตอรี่ประเภทนี้มีกำลังขับสูงสุดและความหนาแน่นของพลังงาน และที่สำคัญที่สุดคือมีศักยภาพในการพัฒนาอย่างมาก บริษัทต่างๆ หันมาใช้สารประกอบลิเธียมหลายชนิดเป็นวัสดุแคโทด ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของแบตเตอรี่ ได้แก่ ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LCO), สารประกอบที่มีนิกเกิล โคบอลต์ และอะลูมิเนียม (NCA) หรือที่มีนิกเกิล โคบอลต์ และแมงกานีส (NCM), ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LFP), ลิเธียมแมงกานีสสปิเนล (LMS), ลิเธียมไททาเนียมออกไซด์ (LTO) และคนอื่น ๆ. อิเล็กโทรไลต์เป็นส่วนผสมของเกลือลิเธียมและตัวทำละลายอินทรีย์ และมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อ "การเคลื่อนที่" ของลิเธียมไอออน และตัวแยกซึ่งมีหน้าที่ป้องกันการลัดวงจรโดยการซึมผ่านของลิเธียมไอออน มักเป็นโพลิเอทิลีนหรือโพรพิลีน

กำลังขับความจุหรือทั้งสองอย่าง

ลักษณะที่สำคัญที่สุดของแบตเตอรี่คือความหนาแน่นของพลังงานความน่าเชื่อถือและความปลอดภัย แบตเตอรี่ที่ผลิตในปัจจุบันครอบคลุมคุณสมบัติเหล่านี้หลากหลายและขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้มีช่วงพลังงานเฉพาะ 100 ถึง 265 W / kg (และความหนาแน่นของพลังงาน 400 ถึง 700 W / L) สิ่งที่ดีที่สุดในเรื่องนี้คือแบตเตอรี่ NCA และ LFP ที่แย่ที่สุด อย่างไรก็ตามวัสดุเป็นด้านหนึ่งของเหรียญ เพื่อเพิ่มพลังงานจำเพาะและความหนาแน่นของพลังงานโครงสร้างนาโนต่างๆจะถูกใช้เพื่อดูดซับวัสดุมากขึ้นและให้การนำกระแสไอออนสูงขึ้น ไอออนจำนวนมาก "เก็บ" ไว้ในสารประกอบที่เสถียรและการนำไฟฟ้าเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการชาร์จที่เร็วขึ้นและการพัฒนาจะมุ่งไปในทิศทางเหล่านี้ ในขณะเดียวกันการออกแบบแบตเตอรี่จะต้องให้อัตราส่วนพลังงานต่อความจุที่ต้องการโดยขึ้นอยู่กับประเภทของไดรฟ์ ตัวอย่างเช่นลูกผสมปลั๊กอินจำเป็นต้องมีอัตราส่วนพลังงานต่อความจุสูงกว่ามากด้วยเหตุผลที่ชัดเจน การพัฒนาในปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่แบตเตอรี่เช่น NCA (LiNiCoAlO2 ที่มีขั้วบวกแคโทดและแกรไฟต์) และ NMC 811 (LiNiMnCoO2 ที่มีขั้วบวกและขั้วกราไฟท์) เดิมประกอบด้วยนิกเกิล 80% โคบอลต์ 15% และอะลูมิเนียม 5% และมีพลังงานจำเพาะ 200-250 วัตต์ / กก. ซึ่งหมายความว่ามีการใช้โคบอลต์วิกฤตค่อนข้าง จำกัด และมีอายุการใช้งานนานถึง 1500 รอบ แบตเตอรี่ดังกล่าวจะผลิตโดย Tesla ที่ Gigafactory ในเนวาดา เมื่อถึงกำลังการผลิตเต็มตามแผน (ในปี 2020 หรือ 2021 ขึ้นอยู่กับสถานการณ์) โรงงานจะผลิตแบตเตอรี่ 35 GWh เพียงพอที่จะใช้พลังงาน 500 คัน ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนของแบตเตอรี่ได้มากขึ้น

แบตเตอรี่ NMC 811 มีพลังงานเฉพาะที่ต่ำกว่าเล็กน้อย (140-200 วัตต์/กก.) แต่มีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า โดยใช้งานได้ถึง 2000 รอบเต็ม และมีนิกเกิล 80% แมงกานีส 10% และโคบอลต์ 10% ปัจจุบันผู้ผลิตแบตเตอรี่ทุกรายใช้หนึ่งในสองประเภทนี้ ข้อยกเว้นประการเดียวคือบริษัทจีน BYD ซึ่งผลิตแบตเตอรี่ LFP รถยนต์ที่ติดตั้งนั้นหนักกว่า แต่ไม่จำเป็นต้องใช้โคบอลต์ แบตเตอรี่ NCA เป็นที่ต้องการสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า และ NMC สำหรับปลั๊กอินไฮบริด เนื่องจากมีข้อได้เปรียบในแง่ของความหนาแน่นของพลังงานและความหนาแน่นของพลังงาน ตัวอย่าง ได้แก่ e-Golf ไฟฟ้าที่มีอัตราส่วนพลังงาน/ความจุ 2,8 และ Golf GTE แบบปลั๊กอินไฮบริดที่มีอัตราส่วน 8,5 ในนามของการลดราคา VW ตั้งใจที่จะใช้เซลล์เดียวกันสำหรับแบตเตอรี่ทุกประเภท และอีกสิ่งหนึ่ง - ยิ่งความจุของแบตเตอรี่มากขึ้น จำนวนการคายประจุและการชาร์จเต็มก็จะยิ่งน้อยลง และสิ่งนี้จะเป็นการเพิ่มอายุการใช้งาน ดังนั้น - ยิ่งแบตเตอรี่มีขนาดใหญ่เท่าใด ก็ยิ่งดีเท่านั้น ประการที่สองเกี่ยวข้องกับลูกผสมเป็นปัญหา

แนวโน้มของตลาด

ในปัจจุบัน ความต้องการแบตเตอรี่เพื่อการขนส่งมีมากกว่าความต้องการผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์แล้ว ยังคงมีการคาดการณ์ว่ารถยนต์ไฟฟ้า 2020 ล้านคันต่อปีจะจำหน่ายทั่วโลกภายในปี 1,5 ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนของแบตเตอรี่ ในปี 2010 ราคาเซลล์ลิเธียมไอออนขนาด 1 กิโลวัตต์ชั่วโมงอยู่ที่ประมาณ 900 ยูโร และตอนนี้มีราคาต่ำกว่า 200 ยูโร 25% ของราคาแบตเตอรี่ทั้งหมดเป็นของแคโทด, 8% สำหรับแอโนด, ตัวแยกและอิเล็กโทรไลต์, 16% สำหรับเซลล์แบตเตอรี่อื่นๆ ทั้งหมด และ 35% สำหรับการออกแบบแบตเตอรี่โดยรวม กล่าวอีกนัยหนึ่ง เซลล์ลิเธียมไอออนมีส่วนทำให้ต้นทุนของแบตเตอรี่ถึง 65 เปอร์เซ็นต์ ราคาโดยประมาณของ Tesla ในปี 2020 เมื่อ Gigafactory 1 เข้าสู่บริการอยู่ที่ประมาณ 300€/kWh สำหรับแบตเตอรี่ NCA และราคารวมผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปพร้อมภาษีมูลค่าเพิ่มและการรับประกันโดยเฉลี่ยบางส่วน ยังคงเป็นราคาที่ค่อนข้างสูงซึ่งจะลดลงอย่างต่อเนื่องเมื่อเวลาผ่านไป

ลิเธียมสำรองหลักอยู่ในอาร์เจนตินาโบลิเวียชิลีจีนสหรัฐอเมริกาออสเตรเลียแคนาดารัสเซียคองโกและเซอร์เบียโดยส่วนใหญ่ในปัจจุบันขุดได้จากทะเลสาบแห้ง เมื่อแบตเตอรี่สะสมมากขึ้นเรื่อย ๆ ตลาดวัสดุรีไซเคิลจากแบตเตอรี่เก่าก็จะเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตามสิ่งที่สำคัญกว่าคือปัญหาของโคบอลต์ซึ่งแม้ว่าจะมีอยู่ในปริมาณมาก แต่ก็ถูกขุดเป็นผลพลอยได้ในการผลิตนิกเกิลและทองแดง โคบอลต์ถูกขุดได้แม้จะมีความเข้มข้นต่ำในดินในคองโก (ซึ่งมีปริมาณสำรองมากที่สุด) แต่ภายใต้เงื่อนไขที่ท้าทายจริยธรรมศีลธรรมและการปกป้องสิ่งแวดล้อม

ไฮเทค

ควรระลึกไว้เสมอว่าเทคโนโลยีที่ได้รับการยอมรับว่าเป็นความคาดหวังในอนาคตอันใกล้นั้นไม่ใช่เรื่องใหม่ แต่เป็นตัวเลือกลิเธียมไอออน ตัวอย่างเช่นแบตเตอรี่โซลิดสเตตซึ่งใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งแทนของเหลว (หรือเจลในแบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์) โซลูชันนี้ให้การออกแบบอิเล็กโทรดที่มีเสถียรภาพมากขึ้นซึ่งละเมิดความสมบูรณ์ของขั้วไฟฟ้าเมื่อชาร์จด้วยกระแสไฟฟ้าสูงตามลำดับ อุณหภูมิสูงและโหลดสูง สิ่งนี้สามารถเพิ่มกระแสชาร์จความหนาแน่นของอิเล็กโทรดและความจุ แบตเตอรี่โซลิดสเตตยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนาและไม่น่าจะมีการผลิตจำนวนมากจนถึงกลางทศวรรษ

หนึ่งในบริษัทสตาร์ทอัพที่ได้รับรางวัลจากการแข่งขัน BMW Innovation Technology Competition ประจำปี 2017 ที่อัมสเตอร์ดัมคือบริษัทที่ขับเคลื่อนด้วยแบตเตอรี่ ซึ่งซิลิคอนแอโนดช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน วิศวกรกำลังทำงานเกี่ยวกับนาโนเทคโนโลยีต่างๆ เพื่อเพิ่มความหนาแน่นและความแข็งแรงให้กับวัสดุของทั้งขั้วบวกและขั้วลบ และวิธีหนึ่งคือการใช้กราฟีน ชั้นกราไฟต์ด้วยกล้องจุลทรรศน์เหล่านี้ที่มีความหนาของอะตอมเดี่ยวและโครงสร้างอะตอมหกเหลี่ยมเป็นหนึ่งในวัสดุที่มีแนวโน้มมากที่สุด "ลูกกราฟีน" ที่พัฒนาโดยผู้ผลิตเซลล์แบตเตอรี่ Samsung SDI ซึ่งรวมเข้ากับโครงสร้างแคโทดและแอโนดทำให้วัสดุมีความแข็งแรง การซึมผ่าน และความหนาแน่นสูงขึ้น และความจุเพิ่มขึ้นประมาณ 45% และเวลาในการชาร์จเร็วขึ้น XNUMX เท่า เทคโนโลยีเหล่านี้ สามารถรับแรงกระตุ้นสูงสุดจากรถยนต์ฟอร์มูล่า อี ซึ่งอาจเป็นคนแรกที่ติดตั้งแบตเตอรี่ดังกล่าว

ผู้เล่นในขั้นตอนนี้

ผู้เล่นหลักในฐานะซัพพลายเออร์ Tier 123 และ Tier 2020 เช่น ผู้ผลิตเซลล์และแบตเตอรี่ ได้แก่ ญี่ปุ่น (Panasonic, Sony, GS Yuasa และ Hitachi Vehicle Energy), เกาหลี (LG Chem, Samsung, Kokam และ SK Innovation), จีน (บริษัท BYD) . , ATL และ Lishen) และสหรัฐอเมริกา (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel และ Valence Technology) ซัพพลายเออร์หลักของโทรศัพท์มือถือในปัจจุบันคือ LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (เกาหลี), AESC (ญี่ปุ่น), BYD (จีน) และ CATL (จีน) ซึ่งมีส่วนแบ่งตลาดสองในสาม ในขั้นตอนนี้ในยุโรป พวกเขาถูกต่อต้านโดยกลุ่ม BMZ จากเยอรมนี และ Northvolth จากสวีเดนเท่านั้น ด้วยการเปิดตัว Gigafactory ของ Tesla ในปี XNUMX สัดส่วนนี้จะเปลี่ยนไป - บริษัทอเมริกันจะคิดเป็น XNUMX% ของการผลิตเซลล์ลิเธียมไอออนของโลก บริษัทต่างๆ เช่น Daimler และ BMW ได้ลงนามในสัญญากับบริษัทเหล่านี้แล้ว เช่น CATL ซึ่งกำลังสร้างโรงงานในยุโรป