Cotxe elèctric ahir, avui i demà: primera part

El terme "bateries de ions de liti" amaga una gran varietat de tecnologies.

Una cosa és segura, sempre que l'electroquímica d'ions de liti no canviï en aquest sentit. Cap altra tecnologia d'emmagatzematge d'energia electroquímica pot competir amb els ions de liti. La qüestió, però, és que hi ha diferents dissenys que utilitzen diferents materials per al càtode, l'ànode i l'electròlit, cadascun dels quals té diferents avantatges pel que fa a la durabilitat (el nombre de cicles de càrrega i descàrrega fins a una capacitat residual admissible per als vehicles elèctrics). del 80%), potència específica kWh/kg, preu euro/kg o relació potència/potència.

Enrere en el temps

La possibilitat de dur a terme processos electroquímics en l'anomenat. Les cèl·lules d'ions de liti provenen de la separació de protons i electrons de liti de la unió de liti al càtode durant la càrrega. L'àtom de liti dona fàcilment un dels seus tres electrons, però per la mateixa raó és altament reactiu i s'ha d'aïllar de l'aire i l'aigua. A la font de tensió, els electrons comencen a moure's al llarg del seu circuit i els ions es dirigeixen a l'ànode de carboni-liti i, passant per la membrana, s'hi connecten. Durant la descàrrega, es produeix el moviment invers: els ions tornen al càtode i els electrons, al seu torn, passen per la càrrega elèctrica externa. Tanmateix, la càrrega ràpida d'alta corrent i la descàrrega completa produeixen la formació de noves connexions duradores, que redueixen o fins i tot aturan la funció de la bateria. La idea d'utilitzar el liti com a donant de partícules prové del fet que és el metall més lleuger i pot alliberar fàcilment protons i electrons en les condicions adequades. Tanmateix, els científics estan abandonant ràpidament l'ús del liti pur a causa de la seva alta volatilitat, la seva capacitat d'unir-se amb l'aire i per raons de seguretat.

La primera bateria de ions de liti va ser creada als anys setanta per Michael Whittingham, que va utilitzar liti pur i sulfur de titani com a elèctrodes. Aquesta electroquímica ja no s’utilitza, però en realitat posa les bases de les bateries de ions de liti. Als anys setanta, Samar Basu va demostrar la capacitat d’absorbir ions de liti del grafit, però gràcies a l’experiència d’aquella època, les bateries s’autodestruïen ràpidament quan es carregaven i es descarregaven. Als anys vuitanta, el desenvolupament intensiu va començar a trobar compostos de liti adequats per al càtode i l’ànode de les bateries, i el veritable avenç es va produir el 1970.

NCA, cèl·lules de liti NCM ... què vol dir això realment?

Després d'experimentar amb diversos compostos de liti l'any 1991, els esforços dels científics van ser coronats amb èxit: Sony va començar la producció massiva de bateries d'ions de liti. Actualment, les bateries d'aquest tipus tenen la màxima potència de sortida i densitat d'energia i, el més important, un important potencial de desenvolupament. Depenent dels requisits de la bateria, les empreses estan recorrent a diversos compostos de liti com a material càtode. Es tracta d'òxid de cobalt de liti (LCO), compostos amb níquel, cobalt i alumini (NCA) o amb níquel, cobalt i manganès (NCM), fosfat de ferro de liti (LFP), espinela de liti manganès (LMS), òxid de titani de liti (LTO) i altres. L'electròlit és una barreja de sals de liti i dissolvents orgànics i és especialment important per a la "mobilitat" dels ions de liti, i el separador, que s'encarrega d'evitar curtcircuits en ser permeable als ions de liti, sol ser polietilè o polipropilè.

Potència de sortida, capacitat o tots dos

Les característiques més importants de les bateries són la densitat d’energia, la fiabilitat i la seguretat. Les bateries produïdes actualment cobreixen un ampli ventall d’aquestes qualitats i, segons els materials utilitzats, tenen un rang d’energia específic de 100 a 265 W / kg (i una densitat d’energia de 400 a 700 W / L). Les millors en aquest sentit són les bateries NCA i els pitjors LFP. No obstant això, el material és una cara de la moneda. Per augmentar l'energia específica i la densitat d'energia, s'utilitzen diverses nanoestructures per absorbir més material i proporcionar una major conductivitat del flux iònic. Un gran nombre d'ions, "emmagatzemats" en un compost estable i la conductivitat són requisits previs per a una càrrega més ràpida, i el desenvolupament es dirigeix ​​en aquestes direccions. Al mateix temps, el disseny de la bateria ha de proporcionar la relació de potència / capacitat requerida en funció del tipus de disc. Per exemple, els híbrids endollables han de tenir una relació potència-capacitat molt més gran per raons òbvies. Els desenvolupaments actuals se centren en bateries com NCA (LiNiCoAlO2 amb càtode i ànode de grafit) i NMC 811 (LiNiMnCoO2 amb càtode i ànode de grafit). Els primers contenen (fora del liti) aproximadament un 80% de níquel, un 15% de cobalt i un 5% d’alumini i tenen una energia específica de 200-250 W / kg, cosa que significa que tenen un ús relativament limitat de cobalt crític i una vida útil de fins a 1500 cicles. Aquestes bateries les produirà Tesla al seu Gigafactory de Nevada. Quan assoleixi la seva capacitat màxima prevista (el 2020 o el 2021, segons la situació), la planta produirà 35 GWh de bateries, suficients per alimentar 500 vehicles. Això reduirà encara més el cost de les bateries.

Les bateries NMC 811 tenen una energia específica una mica menor (140-200W/kg) però tenen una vida útil més llarga, arribant als 2000 cicles complets, i són un 80% de níquel, un 10% de manganès i un 10% de cobalt. Actualment, tots els fabricants de bateries utilitzen un d'aquests dos tipus. L'única excepció és l'empresa xinesa BYD, que fabrica bateries LFP. Els cotxes equipats amb ells són més pesats, però no necessiten cobalt. Les bateries NCA són les preferides per als vehicles elèctrics i les NMC per als híbrids endollables a causa dels seus respectius avantatges en termes de densitat d'energia i densitat de potència. Alguns exemples són l'e-Golf elèctric amb una relació potència/capacitat de 2,8 i l'híbrid endollable Golf GTE amb una relació de 8,5. En nom de rebaixar el preu, VW pretén utilitzar les mateixes cèl·lules per a tot tipus de bateries. I una cosa més: com més gran sigui la capacitat de la bateria, menor serà el nombre de descàrregues i càrregues completes, i això augmenta la seva vida útil, per tant, com més gran sigui la bateria, millor. El segon es refereix als híbrids com a problema.

Tendències del mercat

Actualment, la demanda de bateries per al transport ja supera la demanda de productes electrònics. Encara es preveu que l'any 2020 es vendran 1,5 milions de vehicles elèctrics a tot el món, cosa que ajudarà a reduir el cost de les bateries. L'any 2010, el preu d'1 kWh d'una cèl·lula d'ions de liti era d'uns 900 euros, i ara és de menys de 200 euros. El 25% del cost de tota la bateria és per al càtode, el 8% per a l'ànode, el separador i l'electròlit, el 16% per a la resta de cèl·lules de la bateria i el 35% per al disseny global de la bateria. En altres paraules, les cèl·lules d'ions de liti contribueixen en un 65 per cent al cost d'una bateria. Els preus estimats de Tesla per al 2020 quan Gigafactory 1 entra en servei són d'uns 300 €/kWh per a les bateries NCA i el preu inclou el producte acabat amb una mica d'IVA i garantia mitjans. Encara és un preu força elevat, que continuarà baixant amb el temps.

Les principals reserves de liti es troben a l’Argentina, Bolívia, Xile, Xina, EUA, Austràlia, Canadà, Rússia, el Congo i Sèrbia, i la gran majoria s’extreu actualment de llacs secs. A mesura que s’acumulen més piles, augmentarà el mercat dels materials reciclats a partir de les antigues. Més important, però, és el problema del cobalt, que, tot i que és present en grans quantitats, s’extreu com a subproducte en la producció de níquel i coure. El cobalt s’extreu, malgrat la seva baixa concentració al sòl, al Congo (que té les majors reserves disponibles), però en condicions que desafien l’ètica, la moral i la protecció del medi ambient.

Hola tecnologia

Cal tenir en compte que les tecnologies adoptades com a perspectiva per al futur proper en realitat no són fonamentalment noves, sinó que són opcions d’ions liti. Es tracta, per exemple, de bateries d'estat sòlid que utilitzen un electròlit sòlid en lloc d'un líquid (o gel en bateries de polímer de liti). Aquesta solució proporciona un disseny més estable dels elèctrodes, que viola la seva integritat quan es carrega amb un alt corrent, respectivament. alta temperatura i alta càrrega. Això pot augmentar el corrent de càrrega, la densitat d’elèctrodes i la capacitat. Les bateries d'estat sòlid encara es troben en una fase molt primerenca de desenvolupament i és poc probable que arribi a la producció massiva fins a mitjans de la dècada.

Una de les empreses premiades del BMW Innovation Technology Competition d’Amsterdam del 2017 va ser una empresa amb bateries l’ànode de silici millora la densitat d’energia. Els enginyers estan treballant en diverses nanotecnologies per proporcionar una major densitat i resistència al material tant de l’ànode com del càtode, i una solució és utilitzar grafè. Aquestes capes microscòpiques de grafit amb un gruix d’un àtom i una estructura atòmica hexagonal són un dels materials més prometedors. Les "boles de grafè" desenvolupades pel fabricant de piles de bateries Samsung SDI, integrades a l'estructura de càtode i ànode, proporcionen una major resistència, permeabilitat i densitat del material i un augment de la capacitat aproximat del 45% i un temps de càrrega cinc vegades més ràpid. les tecnologies poden rebre l'impuls més fort dels cotxes de Fórmula E, que poden ser els primers a equipar-se amb aquestes bateries.

Jugadors en aquesta etapa

Els principals actors com a proveïdors de nivell 123 i 2020, és a dir, fabricants de piles i bateries, són el Japó (Panasonic, Sony, GS Yuasa i Hitachi Vehicle Energy), Corea (LG Chem, Samsung, Kokam i SK Innovation), la Xina (BYD Company) . , ATL i Lishen) i els EUA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel i Valence Technology). Els principals proveïdors de telèfons mòbils són actualment LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Corea), AESC (Japó), BYD (Xina) i CATL (Xina), que tenen una quota de mercat de dos terços. En aquesta fase a Europa, només s'hi oposen BMZ Group d'Alemanya i Northvolth de Suècia. Amb el llançament de la Gigafactory de Tesla el XNUMX, aquesta proporció canviarà: l'empresa nord-americana representarà el XNUMX% de la producció mundial de cèl·lules d'ions de liti. Empreses com Daimler i BMW ja han signat contractes amb algunes d'aquestes empreses, com CATL, que està construint una fàbrica a Europa.