Gluaisteán leictreach inné, inniu, amárach: cuid 3

Cuireann an téarma "cadhnraí litiam-ian" raon leathan teicneolaíochtaí i bhfolach.

Tá rud amháin cinnte - go fóill, tá leictriceimic litiam-ian gan athrú maidir leis seo. Ní féidir le haon teicneolaíocht stórála fuinnimh leictriceimiceach eile dul san iomaíocht le litiam-ian. Is é an pointe, áfach, go bhfuil dearaí éagsúla ann a úsáideann ábhair éagsúla don chatóid, anóid agus leictrilít, agus tá buntáistí éagsúla ag gach ceann acu i dtéarmaí marthanachta (líon na dtimthriallta muirir agus urscaoilte suas go dtí cumas iarmharach inghlactha le haghaidh feithiclí leictreacha de. 80%), kWh/kg sainchumhachta, praghas euro/kg nó cóimheas cumhacht-go-cumhacht.

Ar ais in am

Féidearthacht a chur i gcrích próisis leictriceimiceach sa mar a thugtar air. Eascraíonn cealla litiam-ian as scaradh prótóin litiam agus leictreon ón gcomhdhúil litiam ag an gcatóid le linn luchtaithe. Tugann an adamh litiam ceann amháin dá thrí leictreon go héasca, ach ar an gcúis chéanna tá sé an-imoibríoch agus ní mór é a leithlisiú ón aer agus ón uisce. Sa fhoinse voltais, tosaíonn leictreoin ag gluaiseacht feadh a gciorcad, agus dírítear iain chuig an anóid charbóin-litiam agus, ag dul tríd an scannán, nascann siad leis. Le linn urscaoilte, tarlaíonn an ghluaiseacht droim ar ais - filleann na hiain ar an gcatóid, agus téann na leictreoin, ar a seal, trí ualach leictreach seachtrach. Mar sin féin, mar thoradh ar mhuirearú tapa ard-reatha agus urscaoileadh iomlán, cruthaíodh naisc nua, fada buan, a laghdaíonn agus fiú stopann feidhmeanna na ceallraí. Is é an smaoineamh atá taobh thiar de litiam a úsáid mar dheontóir cáithníní ná gurb é an miotal is éadroime é agus gur féidir leis prótóin agus leictreoin a scaoileadh go héasca faoi na coinníollacha cearta. Mar sin féin, tá eolaithe ag díbhe go tapa ar an bhféidearthacht úsáid a bhaint as litiam íon mar gheall ar a luaineacht ard, a chumas chun ceangal aeir, agus imní sábháilteachta.

Cruthaíodh an chéad ceallraí litiam-ian sna 1970í ag Michael Whittingham, a d'úsáid litiam íon agus sulfíde tíotáiniam mar leictreoidí. Ní úsáidtear an leictriceimic seo a thuilleadh, ach leagann sé an bunús le haghaidh cadhnraí litiam-ian. Sna 1970í, léirigh Samar Basu an cumas chun hiain litiam a ionsú ó graifít, ach bunaithe ar thaithí ag an am, rinne na cadhnraí féin-scriosadh go tapa nuair a ghearrtar agus a scaoiltear iad. Thosaigh forbairt dhian sna 1980í chun comhdhúile litiam oiriúnacha a aimsiú le haghaidh catóide agus anóid cadhnraí, agus tháinig an fíor-bhriseadh i 1991.

NCA, NCM cealla litiam ... cad a chiallaíonn sé sin i ndáiríre?

Tar éis triail a bhaint as comhdhúile litiam éagsúla, rinneadh iarrachtaí na n-eolaithe a choróin go rathúil i 1991 - chuir Sony tús le táirgeadh mais cadhnraí litiam-ian. Faoi láthair, tá an t-aschur cumhachta agus an dlús fuinnimh is airde ag cadhnraí den chineál seo, agus is tábhachtaí, cumas suntasach forbartha. De réir riachtanais ceallraí, tá cuideachtaí ag casadh le comhdhúile litiam éagsúla mar ábhair chatóide. Is iad seo ocsaíd cóbalt litiam (LCO), nicil, cóbalt agus alúmanam (NCA) nó comhdhúile nicil, cóbalt agus mangainéise (NCM), fosfáit iarainn litiam (LFP), spinel litiam mangainéise (LMS), ocsaíd tíotáiniam litiam (LTO) agus daoine eile. . Is meascán de shalainn litiam agus tuaslagóirí orgánacha é an electrolyte agus tá sé tábhachtach go háirithe maidir le "soghluaisteacht" na n-ian litiam, agus is gnách go bhfuil an deighilteoir, atá freagrach as ciorcaid ghearr a chosc trí bheith tréscaoilteach le hiain litiam, poileitiléin nó polapróipiléine.

Cumhacht aschuir, cumas nó an dá cheann

Is iad na tréithe is tábhachtaí de chadhnraí dlús fuinnimh, iontaofacht agus sábháilteacht. Clúdaíonn na cadhnraí a tháirgtear faoi láthair raon leathan de na cáilíochtaí seo agus, ag brath ar na hábhair a úsáidtear, tá raon sonrach fuinnimh acu idir 100 agus 265 W/kg (agus dlús fuinnimh 400 go 700 W/L). Is iad na cinn is fearr maidir leis seo cadhnraí NCA agus is iad LFP na cinn is measa. Mar sin féin, tá an t-ábhar taobh amháin den mona. Chun fuinneamh agus dlús fuinnimh ar leith a mhéadú, úsáidtear nanastruchtúir éagsúla chun níos mó ábhar a ionsú agus seoltacht níos airde den sreabhadh ian a sholáthar. Tá líon mór ian "stóráilte" i nasc cobhsaí agus seoltacht ina réamhriachtanais chun muirearú níos tapúla, agus déantar forbairtí a threorú sna treoracha seo. Ag an am céanna, ní mór do dhearadh na ceallraí an cóimheas cumhachta-go-acmhainn is gá a sholáthar ag brath ar an gcineál tiomána. Mar shampla, ní mór go mbeadh cóimheas cumhachta-go-acmhainn i bhfad níos airde ag hibridí breiseán ar chúiseanna soiléire. Tá forbairtí an lae inniu dírithe ar chadhnraí NCA (catóide LiNiCoAlO2 agus anóid graifíte) agus NMC 811 (LiNiMnCoO2 catóide agus anóid graifíte). Tá thart ar 80% nicil, 15% cóbalt agus 5% alúmanam sa chéad cheann (lasmuigh de litiam) agus tá fuinneamh sonrach acu de 200-250 W/kg, rud a chiallaíonn go bhfuil úsáid réasúnta teoranta acu as an gcóbalt criticiúil agus saolré suas le 1500 timthriall. Déanfaidh Tesla cadhnraí den sórt sin a tháirgeadh ag a Gigafactory i Nevada. Nuair a shroicheann sé a chumas iomlán pleanáilte (i 2020 nó 2021, de réir mar is cuí), déanfaidh an gléasra 35 GWh de chadhnraí, go leor chun 500 feithicil a chumhachtú. Laghdóidh sé seo costas na gcadhnraí tuilleadh.

Tá dlús fuinnimh beagán níos ísle ag cadhnraí NMC 811 (140-200 W / kg) ach tá saol níos faide acu, ag teacht ar 2000 timthriall iomlán, agus tá siad 80% nicil, 10% mangainéise agus 10% cóbalt. Faoi láthair, úsáideann gach monaróir ceallraí ceann den dá chineál seo. Is é an t-aon eisceacht ná cuideachta na Síne BYD, a tháirgeann cadhnraí LFP. Tá gluaisteáin atá feistithe leo níos troime, ach ní gá cóbalt a bheith acu. Is fearr cadhnraí NCA le haghaidh feithiclí leictreacha agus cadhnraí NMC le haghaidh hibridí breiseán mar gheall ar a buntáistí faoi seach i dtéarmaí dlús fuinnimh agus dlús cumhachta. Samplaí is ea an r-Ghailf leictreach le cóimheas cumhachta/acmhainne de 2,8 agus an GTE Galf hibrideach plug-in le cóimheas de 8,5. In ainm praghsanna a ísliú, tá sé beartaithe ag VW na cealla céanna a úsáid le haghaidh gach cineál cadhnraí. Agus rud amháin eile - dá mhéad an cumas ceallraí, is lú líon na n-urscaoileadh agus na muirear iomlán, agus méadaíonn sé seo a shaol seirbhíse, mar sin - dá mhéad an ceallraí, is amhlaidh is fearr. Baineann an dara ceann le hibridí mar fhadhb.

Treochtaí Margaidh

Faoi láthair, tá an t-éileamh ar chadhnraí in-athluchtaithe chun críocha iompair níos mó ná an t-éileamh ar tháirgí leictreonacha cheana féin. Táthar ag súil go fóill go ndíolfar 2020 milliún feithicil leictreacha go bliantúil ar fud an domhain faoi 1,5, rud a chabhróidh le costais ceallraí a laghdú. I 2010, bhí praghas 1 kWh de chill litiam-ian thart ar 900 euro, agus anois tá sé faoi bhun 200 euro. Is é 25% de chostas iomlán na ceallraí an catóide, is é 8% an anóid, an deighilteoir agus an leictrilít, is é 16% na heilimintí ceallraí eile go léir, agus is é 35% an dearadh iomlán ceallraí. I bhfocail eile, cuireann cealla litiam-ian 65 faoin gcéad le costas na ceallraí. Tá praghsanna táscacha Tesla do 2020, nuair a thiocfaidh Gigafactory 1 i bhfeidhm, thart ar 300 €/kWh do chadhnraí NCA, agus cuimsíonn an praghas an táirge críochnaithe le roinnt meán CBL agus barántas. Fós ar phraghas ard go leor, a leanfaidh de bheith ag laghdú le himeacht ama.

Tá cúlchistí móra litiam le fáil san Airgintín, sa Bholaiv, sa tSile, sa tSín, sna Stáit Aontaithe, san Astráil, i gCeanada, sa Rúis, sa Chongó agus sa tSeirbia, agus is as lochanna tirime a dhéantar an tromlach anois. Le carnadh cadhnraí níos mó agus níos mó, méadóidh an margadh le haghaidh ábhar a athchúrsáiltear ó sheancheallraí. Níos tábhachtaí, áfach, tá ceist an chóbalt, a dhéantar, cé go bhfuil sé i gcainníochtaí móra, a bhaint mar fhotháirge de tháirgeadh nicil agus copair. Tarlaíonn mianadóireacht cóbalt, cé go bhfuil tiúchan íseal ithreach ann, sa Chongó (a bhfuil na cúlchistí is mó ar fáil aige), ach faoi choinníollacha a chuireann eitic, moráltacht agus cosaint an chomhshaoil ​​i gceist.

Hi-tech

Ba cheart a mheabhrú nach bhfuil na teicneolaíochtaí a ghlactar mar ionchais go luath amach anseo nua go bunúsach, ach gur roghanna litiam-ian iad. Is iad seo, mar shampla, cadhnraí soladach-stáit, a úsáideann leictrilít soladach (nó glóthach i gcadhnraí polaiméire litiam) in ionad leacht. Soláthraíonn an réiteach seo dearadh níos cobhsaí ar na leictreoidí, rud a chuireann isteach ar a n-ionracas nuair a bhíonn siad ag muirearú le sruth ard, faoi seach. teocht ardaithe agus ualach ard. Féadfaidh sé seo an sruth luchtaithe, an dlús leictreoid agus an cumas a mhéadú. Tá cadhnraí soladach-stáit fós i gcéim forbartha an-luath agus ní dócha go dtiocfaidh siad ar scála táirgeachta go dtí lár na deich mbliana.

Bhí ceann de na gnólachtaí tosaithe a bhuaigh duaiseanna ag Comórtas Nuálaíochta Teicneolaíochta BMW 2017 in Amstardam ina chuideachta faoi thiomáint ceallraí a ligeann a anóid sileacain dlús fuinnimh níos airde. Tá innealtóirí ag obair ar nanaitheicneolaíochtaí éagsúla chun dlús agus neart níos mó a sholáthar do na hábhair anóid agus catóide araon, agus réiteach amháin is ea úsáid graphene. Tá na sraitheanna micreascópacha seo de graifít, le tiús adamh amháin agus struchtúr adamhach heicseagánach, ar cheann de na hábhair is geallta. Arna fhorbairt ag monaróir ceall ceallraí Samsung SDI, soláthraíonn "coirníní graphene" atá comhtháite sa struchtúr catóide agus anóid neart níos airde, tréscaoilteacht agus dlús ábhar agus méadú comhfhreagrach ar chumas thart ar 45% agus cúig huaire níos giorra amanna muirir. borradh fós ó ghluaisteáin Foirmle E, a d'fhéadfadh a bheith ar an gcéad cheann a bheidh feistithe le cadhnraí den sórt sin.

Rannpháirtithe ag an gcéim seo

Is iad na príomh-imreoirí mar sholáthraithe an chéad agus an dara leibhéal, is é sin, monaróirí cadhnraí agus cadhnraí, an tSeapáin (Panasonic, Sony, GS Yuasa agus Hitachi Vehicle Energy), an Chóiré (LG Chem, Samsung, Kokam agus SK Innovation), an tSín (Cuideachta BYD). , ATL agus Lishen) agus SAM (Tesla, Johnson Controls, A123 Systems, EnerDel agus Valence Technology). I measc na mór-sholáthraithe fón póca faoi láthair tá LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (An Chóiré), AESC (tSeapáin), BYD (tSín) agus CATL (tSín), ag déanamh suas dhá thrian den sciar den mhargadh. Ag an gcéim seo san Eoraip tá siad ina gcoinne ach amháin ag BMZ Group ón nGearmáin agus Northvolth ón tSualainn. Le seoladh Tesla's Gigafactory i 2020, athróidh an cion seo - beidh an chuideachta Mheiriceá freagrach as 30% de tháirgeadh domhanda cealla litiam-ian. Tá conarthaí sínithe cheana féin ag cuideachtaí ar nós Daimler agus BMW le roinnt de na cuideachtaí seo, mar CATL, atá ag tógáil gléasra san Eoraip.