Mobil listrik kemarin, hari ini, besok: bagian 3

Istilah "baterai lithium-ion" menyembunyikan berbagai macam teknologi.

Satu hal yang pasti – selama elektrokimia lithium-ion tetap tidak berubah dalam hal ini. Tidak ada teknologi penyimpanan energi elektrokimia lainnya yang dapat bersaing dengan lithium-ion. Intinya, bagaimanapun, adalah bahwa ada desain berbeda yang menggunakan bahan berbeda untuk katoda, anoda, dan elektrolit, yang masing-masing memiliki keunggulan berbeda dalam hal daya tahan (jumlah siklus pengisian dan pengosongan hingga kapasitas sisa yang diizinkan untuk kendaraan listrik sebesar 80%), daya spesifik kWh/kg, harga euro/kg atau rasio daya terhadap daya.

Kembali ke waktu itu

Kemungkinan melakukan proses elektrokimia dalam apa yang disebut. Sel lithium-ion berasal dari pemisahan proton lithium dan elektron dari persimpangan lithium di katoda selama pengisian. Atom litium dengan mudah menyumbangkan salah satu dari tiga elektronnya, tetapi untuk alasan yang sama ia sangat reaktif dan harus diisolasi dari udara dan air. Dalam sumber tegangan, elektron mulai bergerak di sepanjang sirkuitnya, dan ion diarahkan ke anoda karbon-lithium dan, melewati membran, terhubung ke sana. Selama pelepasan, gerakan sebaliknya terjadi - ion kembali ke katoda, dan elektron, pada gilirannya, melewati beban listrik eksternal. Namun, pengisian arus tinggi yang cepat dan pengosongan penuh menghasilkan pembentukan sambungan baru yang tahan lama, yang mengurangi atau bahkan menghentikan fungsi baterai. Ide di balik penggunaan litium sebagai donor partikel berasal dari fakta bahwa litium adalah logam paling ringan dan dapat dengan mudah melepaskan proton dan elektron dalam kondisi yang tepat. Namun, para ilmuwan dengan cepat meninggalkan penggunaan litium murni karena volatilitasnya yang tinggi, kemampuannya untuk berikatan dengan udara, dan demi alasan keamanan.

Baterai lithium-ion pertama dibuat pada 1970-an oleh Michael Whittingham, yang menggunakan litium murni dan titanium sulfida sebagai elektroda. Elektrokimia ini tidak lagi digunakan, tetapi sebenarnya meletakkan dasar-dasar untuk baterai lithium-ion. Pada tahun 1970-an, Samar Basu mendemonstrasikan kemampuan untuk menyerap ion litium dari grafit, tetapi karena pengalaman saat itu, baterai dengan cepat rusak sendiri saat diisi dan dikosongkan. Pada 1980-an, pengembangan intensif mulai menemukan senyawa lithium yang cocok untuk katoda dan anoda baterai, dan terobosan nyata terjadi pada 1991.

NCA, NCM Lithium Cells ... apa artinya ini?

Setelah bereksperimen dengan berbagai senyawa lithium pada tahun 1991, upaya para ilmuwan dimahkotai dengan sukses - Sony memulai produksi massal baterai lithium-ion. Saat ini, baterai jenis ini memiliki daya keluaran dan kepadatan energi tertinggi, dan yang terpenting, potensi pengembangan yang signifikan. Bergantung pada kebutuhan baterai, perusahaan beralih ke berbagai senyawa litium sebagai bahan katoda. Ini adalah lithium kobalt oksida (LCO), senyawa dengan nikel, kobalt dan aluminium (NCA) atau dengan nikel, kobalt dan mangan (NCM), lithium besi fosfat (LFP), lithium mangan spinel (LMS), lithium titanium oksida (LTO) dan lain-lain. Elektrolitnya adalah campuran garam lithium dan pelarut organik dan sangat penting untuk "mobilitas" ion lithium, dan pemisah, yang bertanggung jawab untuk mencegah korsleting dengan permeabel terhadap ion lithium, biasanya polietilen atau polipropilena.

Daya keluaran, kapasitas, atau keduanya

Karakteristik baterai yang paling penting adalah kepadatan energi, keandalan, dan keamanan. Baterai yang saat ini diproduksi mencakup berbagai kualitas ini dan, bergantung pada bahan yang digunakan, memiliki rentang energi spesifik 100 hingga 265 W / kg (dan kepadatan energi 400 hingga 700 W / L). Yang terbaik dalam hal ini adalah baterai NCA dan LFP terburuk. Namun, bahannya adalah salah satu sisi mata uang. Untuk meningkatkan energi spesifik dan kepadatan energi, berbagai struktur nano digunakan untuk menyerap lebih banyak material dan memberikan konduktivitas aliran ion yang lebih tinggi. Sejumlah besar ion, "disimpan" dalam senyawa yang stabil, dan konduktivitas merupakan prasyarat untuk pengisian yang lebih cepat, dan pengembangan diarahkan ke arah ini. Pada saat yang sama, desain baterai harus menyediakan rasio daya terhadap kapasitas yang diperlukan tergantung pada jenis drive. Misalnya, hibrida plug-in harus memiliki rasio daya-ke-kapasitas yang jauh lebih tinggi untuk alasan yang jelas. Perkembangan saat ini difokuskan pada baterai seperti NCA (LiNiCoAlO2 dengan katoda dan anoda grafit) dan NMC 811 (LiNiMnCoO2 dengan katoda dan anoda grafit). Yang pertama mengandung (di luar lithium) sekitar 80% nikel, 15% kobalt, dan 5% aluminium dan memiliki energi spesifik 200-250 W / kg, yang berarti bahwa mereka memiliki penggunaan kobalt kritis yang relatif terbatas dan masa pakai hingga 1500 siklus. Baterai semacam itu akan diproduksi oleh Tesla di Gigafactory di Nevada. Ketika mencapai kapasitas penuh yang direncanakan (pada 2020 atau 2021, tergantung situasinya), pabrik akan menghasilkan baterai 35 GWh, cukup untuk memberi daya pada 500 kendaraan. Ini selanjutnya akan mengurangi biaya baterai.

Baterai NMC 811 memiliki energi spesifik yang sedikit lebih rendah (140-200W/kg) tetapi memiliki umur yang lebih panjang, mencapai 2000 siklus penuh, dan 80% nikel, 10% mangan, dan 10% kobalt. Saat ini, semua produsen baterai menggunakan salah satu dari dua jenis ini. Satu-satunya pengecualian adalah perusahaan China BYD, yang membuat baterai LFP. Mobil yang dilengkapi dengannya lebih berat, tetapi tidak membutuhkan kobalt. Baterai NCA lebih disukai untuk kendaraan listrik dan NMC untuk hibrida plug-in karena keunggulan masing-masing dalam hal kepadatan energi dan kepadatan daya. Contohnya adalah e-Golf elektrik dengan rasio daya/kapasitas 2,8 dan Golf GTE hibrida plug-in dengan rasio 8,5. Atas nama menurunkan harga, VW berniat menggunakan sel yang sama untuk semua jenis aki. Dan satu hal lagi - semakin besar kapasitas baterai, semakin sedikit jumlah pengosongan dan pengisian penuh, dan ini meningkatkan masa pakainya, oleh karena itu - semakin besar baterainya, semakin baik. Yang kedua menyangkut hibrida sebagai masalah.

Trend pasar

Saat ini, permintaan baterai untuk keperluan transportasi sudah melebihi permintaan produk elektronik. Masih diproyeksikan 2020 juta kendaraan listrik per tahun akan dijual secara global pada tahun 1,5, yang akan membantu menurunkan biaya baterai. Pada tahun 2010, harga 1 kWh sel lithium-ion sekitar 900 euro, dan sekarang kurang dari 200 euro. 25% dari biaya seluruh baterai adalah untuk katoda, 8% untuk anoda, separator dan elektrolit, 16% untuk semua sel baterai lainnya dan 35% untuk keseluruhan desain baterai. Dengan kata lain, sel lithium-ion berkontribusi 65 persen terhadap biaya baterai. Perkiraan harga Tesla untuk tahun 2020 saat Gigafactory 1 mulai beroperasi adalah sekitar 300€/kWh untuk baterai NCA dan harga tersebut sudah termasuk produk jadi dengan beberapa PPN rata-rata dan garansi. Masih harga yang cukup tinggi, yang akan terus menurun dari waktu ke waktu.

Cadangan utama litium ditemukan di Argentina, Bolivia, Chili, Cina, AS, Australia, Kanada, Rusia, Kongo, dan Serbia, dengan sebagian besar saat ini ditambang dari danau yang mengering. Karena semakin banyak baterai menumpuk, pasar bahan daur ulang dari baterai lama akan meningkat. Yang lebih penting, bagaimanapun, adalah masalah kobalt, yang, meskipun ada dalam jumlah besar, ditambang sebagai produk sampingan dalam produksi nikel dan tembaga. Kobalt ditambang, meskipun konsentrasinya rendah di dalam tanah, di Kongo (yang memiliki cadangan terbesar yang tersedia), tetapi dalam kondisi yang menantang etika, moralitas, dan perlindungan lingkungan.

Teknologi canggih

Perlu diingat bahwa teknologi yang diambil sebagai prospek dalam waktu dekat sebenarnya bukanlah hal baru yang fundamental, tetapi merupakan opsi lithium-ion. Ini adalah, misalnya, baterai solid-state, yang menggunakan elektrolit padat, bukan cairan (atau gel dalam baterai polimer litium). Solusi ini memberikan desain elektroda yang lebih stabil, yang melanggar integritas masing-masing saat diisi dengan arus tinggi. suhu tinggi dan beban tinggi. Ini dapat meningkatkan arus pengisian, kerapatan elektroda dan kapasitansi. Baterai solid state masih dalam tahap pengembangan yang sangat awal dan kemungkinan tidak akan mencapai produksi massal hingga pertengahan dekade.

Salah satu perusahaan rintisan pemenang penghargaan di Kompetisi Teknologi Inovasi BMW 2017 di Amsterdam adalah perusahaan bertenaga baterai yang anoda silikonnya meningkatkan kepadatan energi. Insinyur sedang mengerjakan berbagai nanoteknologi untuk memberikan kepadatan dan kekuatan yang lebih besar pada material anoda dan katoda, dan salah satu solusinya adalah menggunakan graphene. Lapisan mikroskopis grafit dengan ketebalan atom tunggal dan struktur atom heksagonal ini adalah salah satu bahan yang paling menjanjikan. "Bola graphene" yang dikembangkan oleh produsen sel baterai Samsung SDI, terintegrasi ke dalam struktur katoda dan anoda, memberikan kekuatan, permeabilitas dan kepadatan material yang lebih tinggi dan peningkatan kapasitas yang sesuai sekitar 45% dan waktu pengisian lima kali lebih cepat. dapat menerima dorongan terkuat dari mobil Formula E, yang mungkin menjadi yang pertama dilengkapi dengan baterai tersebut.

Pemain di tahap ini

Pemain utama sebagai pemasok Tier 123 dan Tier 2020, yaitu produsen sel dan baterai, adalah Jepang (Panasonic, Sony, GS Yuasa dan Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam dan SK Innovation), China (Perusahaan BYD) . , ATL dan Lishen) dan AS (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel, dan Valence Technology). Pemasok utama ponsel saat ini adalah LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Jepang), BYD (China) dan CATL (China), yang memiliki pangsa pasar dua pertiga. Saat ini di Eropa, mereka hanya ditentang oleh BMZ Group dari Jerman dan Northvolth dari Swedia. Dengan peluncuran Gigafactory Tesla pada tahun XNUMX, proporsi ini akan berubah - perusahaan Amerika akan menyumbang XNUMX% dari produksi sel lithium-ion dunia. Perusahaan seperti Daimler dan BMW telah menandatangani kontrak dengan beberapa perusahaan tersebut, seperti CATL yang membangun pabrik di Eropa.