Elektrische auto gisteren, vandaag, morgen: deel 3

De term "lithium-ionbatterijen" verbergt een breed scala aan technologieën.

Eén ding is zeker: zolang de lithium-ion-elektrochemie in dit opzicht ongewijzigd blijft. Geen enkele andere elektrochemische energieopslagtechnologie kan concurreren met lithium-ion. Het punt is echter dat er verschillende ontwerpen zijn die verschillende materialen gebruiken voor de kathode, anode en elektrolyt, die elk verschillende voordelen hebben op het gebied van duurzaamheid (het aantal laad- en ontlaadcycli tot een toelaatbare restcapaciteit voor elektrische voertuigen van 80%), specifiek vermogen kWh/kg, prijs euro/kg of verhouding tussen vermogen en vermogen.

Terug in de tijd

De mogelijkheid om elektrochemische processen uit te voeren in de zogenaamde. Lithium-ioncellen zijn afkomstig van de scheiding van lithiumprotonen en elektronen van de lithiumovergang bij de kathode tijdens het opladen. Het lithiumatoom doneert gemakkelijk een van zijn drie elektronen, maar om dezelfde reden is het zeer reactief en moet het worden geïsoleerd van lucht en water. In de spanningsbron beginnen de elektronen langs hun circuit te bewegen en worden de ionen naar de koolstof-lithiumanode geleid en, door het membraan te gaan, ermee verbonden. Tijdens de ontlading vindt de omgekeerde beweging plaats - de ionen keren terug naar de kathode en de elektronen gaan op hun beurt door de externe elektrische belasting. Snel opladen met hoge stroomsterkte en volledige ontlading resulteren echter in de vorming van nieuwe duurzame verbindingen, die de functie van de batterij verminderen of zelfs stoppen. Het idee achter het gebruik van lithium als deeltjesdonor komt voort uit het feit dat het het lichtste metaal is en onder de juiste omstandigheden gemakkelijk protonen en elektronen kan afgeven. Wetenschappers stoppen echter snel met het gebruik van puur lithium vanwege de hoge vluchtigheid, het vermogen om zich te binden aan lucht en om veiligheidsredenen.

De eerste lithium-ionbatterij werd in de jaren zeventig gemaakt door Michael Whittingham, die puur lithium en titaniumsulfide als elektroden gebruikte. Deze elektrochemie wordt niet meer gebruikt, maar legt eigenlijk de basis voor lithium-ionbatterijen. In de jaren zeventig demonstreerde Samar Basu het vermogen om lithiumionen uit grafiet te absorberen, maar door de ervaring van die tijd vernietigden batterijen zichzelf snel wanneer ze werden opgeladen en ontladen. In de jaren 1970 begon intensieve ontwikkeling om geschikte lithiumverbindingen te vinden voor de kathode en anode van batterijen, en de echte doorbraak kwam in 1970.

NCA, NCM lithiumcellen... wat betekent dat eigenlijk?

Na in 1991 te hebben geëxperimenteerd met verschillende lithiumverbindingen, werden de inspanningen van wetenschappers met succes bekroond: Sony begon met de massaproductie van lithium-ionbatterijen. Momenteel hebben batterijen van dit type het hoogste uitgangsvermogen en de hoogste energiedichtheid, en vooral een aanzienlijk ontwikkelingspotentieel. Afhankelijk van de batterijvereisten wenden bedrijven zich tot verschillende lithiumverbindingen als kathodemateriaal. Dit zijn lithiumkobaltoxide (LCO), verbindingen met nikkel, kobalt en aluminium (NCA) of met nikkel, kobalt en mangaan (NCM), lithiumijzerfosfaat (LFP), lithiummangaanspinel (LMS), lithiumtitaniumoxide (LTO) en anderen. De elektrolyt is een mengsel van lithiumzouten en organische oplosmiddelen en is vooral belangrijk voor de "mobiliteit" van lithiumionen, en de separator, die verantwoordelijk is voor het voorkomen van kortsluitingen door doorlaatbaar te zijn voor lithiumionen, is meestal polyethyleen of polypropyleen.

Uitgangsvermogen, capaciteit of beide

De belangrijkste eigenschappen van batterijen zijn specifieke energie, betrouwbaarheid en veiligheid. De momenteel geproduceerde batterijen dekken een breed scala van deze kwaliteiten en hebben, afhankelijk van de gebruikte materialen, een specifiek energiebereik van 100 tot 265 W/kg (en een energiedichtheid van 400 tot 700 W/L). De beste in dit opzicht zijn de NCA-batterijen en de slechtste LFP's. Het materiaal is echter één kant van de medaille. Om zowel de specifieke energie als de energiedichtheid te verhogen, worden verschillende nanostructuren gebruikt om meer materiaal te absorberen en een hogere geleidbaarheid van de ionenstroom te bieden. Een groot aantal ionen "opgeslagen" in een stabiele verbinding en geleidbaarheid zijn voorwaarden voor sneller opladen, en de ontwikkeling is in deze richtingen gericht. Tegelijkertijd moet het ontwerp van de batterij de noodzakelijke verhouding tussen vermogen en capaciteit bieden, afhankelijk van het type aandrijving. Plug-in hybrides moeten bijvoorbeeld om voor de hand liggende redenen een veel hogere vermogen-capaciteitsverhouding hebben. De huidige ontwikkelingen richten zich op NCA (LiNiCoAlO2 met kathode en grafietanode) en NMC 811 (LiNiMnCoO2 met kathode en grafietanode) batterijen. De eerste bevatten (buiten lithium) ongeveer 80% nikkel, 15% kobalt en 5% aluminium en hebben een specifieke energie van 200-250 W/kg, wat betekent dat ze een relatief beperkt gebruik van kritisch kobalt hebben en een levensduur tot 1500 cycli. Dergelijke batterijen zullen door Tesla worden geproduceerd in zijn Gigafactory in Nevada. Wanneer de geplande volledige capaciteit is bereikt (in 2020 of 2021, afhankelijk van de situatie), zal de fabriek 35 GWh aan batterijen produceren, genoeg om 500 voertuigen van stroom te voorzien. Dit zal de kosten van batterijen verder verlagen.

NMC 811 batterijen hebben een iets lagere specifieke energie (140-200W/kg) maar hebben een langere levensduur, bereiken 2000 volledige cycli, en zijn 80% nikkel, 10% mangaan en 10% kobalt. Momenteel gebruiken alle batterijfabrikanten een van deze twee typen. De enige uitzondering is het Chinese bedrijf BYD, dat LFP-batterijen maakt. Auto's die ermee zijn uitgerust, zijn zwaarder, maar ze hebben geen kobalt nodig. NCA-batterijen hebben de voorkeur voor elektrische voertuigen en NMC voor plug-in hybrides vanwege hun respectieve voordelen in termen van energiedichtheid en vermogensdichtheid. Voorbeelden zijn de elektrische e-Golf met een vermogen/capaciteit-verhouding van 2,8 en de plug-in hybride Golf GTE met een verhouding van 8,5. In naam van de prijsverlaging wil VW voor alle soorten batterijen dezelfde cellen gebruiken. En nog een ding: hoe groter de capaciteit van de batterij, hoe minder het aantal volledige ontladingen en oplaadbeurten, en dit verlengt de levensduur, dus hoe groter de batterij, hoe beter. De tweede betreft hybriden als probleem.

Markt trends

Op dit moment is de vraag naar batterijen voor transportdoeleinden al groter dan de vraag naar elektronische producten. Er wordt nog steeds verwacht dat er tegen 2020 wereldwijd 1,5 miljoen elektrische voertuigen per jaar zullen worden verkocht, wat de kosten van batterijen zal helpen verlagen. In 2010 was de prijs van 1 kWh van een lithium-ioncel ongeveer 900 euro, nu is dat minder dan 200 euro. 25% van de kosten van de gehele batterij is voor de kathode, 8% voor de anode, separator en elektrolyt, 16% voor alle andere batterijcellen en 35% voor het totale batterijontwerp. Met andere woorden, lithium-ioncellen dragen voor 65 procent bij aan de kosten van een batterij. Geschatte Tesla-prijzen voor 2020 wanneer Gigafactory 1 in gebruik wordt genomen, zijn ongeveer 300 € / kWh voor NCA-batterijen en de prijs is inclusief het eindproduct met een gemiddelde btw en garantie. Nog steeds een vrij hoge prijs, die in de loop van de tijd zal blijven dalen.

De belangrijkste lithiumreserves zijn te vinden in Argentinië, Bolivia, Chili, China, de VS, Australië, Canada, Rusland, Congo en Servië, en de overgrote meerderheid wordt momenteel gewonnen uit droge meren. Met de accumulatie van steeds meer batterijen zal de markt voor gerecyclede materialen uit oude batterijen toenemen. Belangrijker is echter het probleem van kobalt, dat weliswaar in grote hoeveelheden aanwezig is, maar wordt gewonnen als bijproduct van de productie van nikkel en koper. De ontginning van kobalt vindt, ondanks de lage concentratie in de bodem, plaats in Congo (dat de grootste beschikbare reserves heeft), maar onder omstandigheden die vragen stellen over ethiek, moraliteit en milieubescherming.

Hi-tech

Houd er rekening mee dat de technologieën die als nabije toekomstperspectief worden gebruikt, eigenlijk niet fundamenteel nieuw zijn, maar lithium-ionvarianten zijn. Dit zijn bijvoorbeeld solid-state batterijen, die een vast elektrolyt (of gel in lithium-polymeerbatterijen) gebruiken in plaats van vloeistof. Deze oplossing zorgt voor een stabieler ontwerp van de elektroden, wat hun integriteit verbreekt bij het opladen met respectievelijk een grote stroom. hoge temperatuur en hoge belasting. Dit kan de laadstroom, elektrodendichtheid en capaciteit verhogen. Vastestofbatterijen bevinden zich nog in een zeer vroege ontwikkelingsfase en het is onwaarschijnlijk dat ze voor het midden van het decennium in massaproductie zullen gaan.

Een van de bekroonde startups op de BMW Innovation Technology Competition 2017 in Amsterdam was een bedrijf op batterijen waarvan de siliciumanode een hogere energiedichtheid mogelijk maakt. Ingenieurs werken aan verschillende nanotechnologieën om zowel het anode- als het kathodemateriaal dichter en sterker te maken, en een oplossing is om grafeen te gebruiken. Deze microscopische laagjes grafiet met een dikte van één atoom en een hexagonale atomaire structuur zijn een van de meest veelbelovende materialen. Ontwikkeld door batterijcelfabrikant Samsung SDI, zorgen "grafeenballen" geïntegreerd in de kathode- en anodestructuur voor een hogere sterkte, doorlaatbaarheid en materiaaldichtheid en een overeenkomstige toename van de capaciteit met ongeveer 45% en een vijf keer kortere oplaadtijd. Deze technologieën kunnen de sterkste boost krijgen van Formule E-auto's, die misschien wel de eersten zijn die met dergelijke batterijen zijn uitgerust.

Spelers in deze fase

De belangrijkste spelers als Tier 123- en Tier 2020-leveranciers, d.w.z. fabrikanten van cellen en batterijen, zijn Japan (Panasonic, Sony, GS Yuasa en Hitachi Vehicle Energy), Korea (LG Chem, Samsung, Kokam en SK Innovation), China (BYD Company) . , ATL en Lishen) en de VS (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel en Valence Technology). De belangrijkste leveranciers van mobiele telefoons zijn momenteel LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Korea), AESC (Japan), BYD (China) en CATL (China), die een marktaandeel hebben van tweederde. In dit stadium in Europa worden ze alleen tegengewerkt door BMZ Group uit Duitsland en Northvolth uit Zweden. Met de lancering van Tesla's Gigafactory in XNUMX zal dit aandeel veranderen - het Amerikaanse bedrijf zal XNUMX% van de wereldproductie van lithium-ioncellen voor zijn rekening nemen. Bedrijven als Daimler en BMW hebben al contracten getekend met een aantal van deze bedrijven, zoals CATL, dat een fabriek in Europa bouwt.