Jednostavno zar ne? Osim što ništa u vezi sa ovim baterijama nije jednostavno kada počnete kopati po detaljima, što ću i učiniti jer ne mogu si pomoći.
Zašto ipak litijum? (Evo gdje me nervira)
Element broj 3. Vodonik, helijum, litijum. Takav je red. Super mali atom jer ima samo 3 protona.
A evo što se tiče litijuma - koji ZAISTA želi da se riješi svog vanjskog elektrona. Kao da očajnički želi. Na taj način je nekako nestabilno. Znate one video snimke ljudi koji bacaju natrijum u vodu, a on se gasi i zapali? Litijum to radi, ali VIŠE. Jednom sam na demonstraciji bezbednosti 2011. (ili 2012.?) gledao kako je neko ispustio komad litijum metala u kantu vode i bilo je, iskreno, zastrašujuće koliko je brzo reagovao. Kanta se istopila.
Čekaj ne, kanta se nije istopila. Voda je proključala i litijum se zapalio na površini. Kanta je bila u redu. Moje pamćenje je sranje.
U svakom slučaju poenta je: čisti litijum metal je opasan. Zato moderne litijum{1}}jonske baterije ne koriste čisti litijum metal - već koriste litijum jone. Već oksidirani litijum. Li+ forma. Mnogo stabilniji.
Napon koji dobijete je oko 3,6-3,7V po ćeliji što je pristojno. Bolji od alkalnog (1,5V) ili NiMH (1,2V). Znači da vam treba manje ćelija da postignete ciljni napon. Zato baterija vašeg laptopa ima 6 ćelija umjesto 15.
Također - i ja smo trebali spomenuti da je ovaj prvi - litijum LAGAAN. Treći najlakši element. Tako dobijate visoku gustoću energije bez sulude težine. Zato EV koriste litijum{5}}jon, a ne olovnu{6}}kiselinu. Olovna{8}}kiselinska baterija sa istom energijom bi težila bukvalno 5-6 puta više. Vašem Tesli bi trebao viličar da promijeni bateriju.
Stvarne komponente (zakopčajte ovo postaje tehničko)
Anoda (negativna strana):
Obično grafit. Da, iste stvari koje su u olovkama, osim što su čišće i drugačije obrađene.
Grafit ima ovu slojevitu kristalnu strukturu - zamislite špil karata na atomskom nivou. Slojeve zajedno drže slabe van der Waalsove sile (srednjoškolska hemija se vraća da vas proganja). Litijum joni mogu da skliznu između ovih slojeva i jednostavno... da ostanu tamo. Tehnički izraz je "interkalacija", ali ja o tome razmišljam kao o parkiranju automobila u-višespratnoj garaži.
Teoretski maksimalni kapacitet je 372 miliamper{1}}sata po gramu. U stvarnom-svijetu dobijate 340-360 mAh/g ako proizvodnja nije loša. Vidio sam ćelije nekih kineskih proizvođača koje su jedva dostigle 310 mAh/g. Neću imenovati imena, ali ako preuredite slova u "BYD" dobićete... u redu, imenujem imena. Njihove prve ćelije bile su grube. Ipak su postali mnogo bolji od 2018.
Sada svi pričaju o silicijumskim anodama jer silicijum teoretski može držati 10x više litijuma od grafita. Zvuči neverovatno zar ne? 3700+ mAh/g teoretski kapacitet.
Problem - i ovo je problem koji je "skoro riješen" otkako sam počeo u ovoj industriji - je taj što se silicijum širi za oko 300% kada ga litirajte. Čestice se bukvalno raspadaju. Zamislite da naduvavate balon unutar betonskog bloka. Beton se ne savija, samo se lomi.
Tesla sada koristi malo silicijuma, pomiješanog sa grafitom. Možda 5-10% silicijuma? Čuo sam da je 8%, ali možda griješim. Poenta je da je to mala količina. Anode od čistog silikona još uvijek nisu spremne uprkos onome što tvrdi svaki startup Series A pitch deck.
Katoda (pozitivna strana):
Oh dečko. Ovdje postaje nered jer postoji otprilike 6 različitih katodnih kemija i svi imaju mišljenje o tome koja je najbolja i svi su u krivu jer ovisi o vašoj primjeni.
Originalni Sonyjev 1991. bio je litijum kobalt oksid - LiCoO₂. Zovemo ga skraćeno "LCO". Gustina energije je prilično dobra - 150-200 mAh/g u zavisnosti od toga ko ga je napravio. Ali termička stabilnost je užasna. Ako ga previše napunite ili se previše zagrije, kristalna struktura oslobađa kisik. Kiseonik + organski elektrolit + toplina=loš dan. Vaš telefon vjerovatno koristi LCO jer telefoni ne moraju trajati 10 godina i ne punite ih brzo-na 10C.
Zatim tu je NMC - nikl mangan kobalt oksid. To je ono što većina EV sada koristi. Odnos nikla, mangana i kobalta se stalno menja. Počelo kao 1:1:1 (jednaki dijelovi). Zatim su proizvođači prešli na 5:3:2. Zatim 6:2:2. Sada smo na otprilike 8:1:1 ili čak 9:0,5:0,5 u nekim vrhunskim{20}}elijama.
Zašto smjena? Kobalt je skup. Kao stvarno skupo. Također većina kobalta dolazi iz DRC-a (Demokratska Republika Kongo) i rudarska situacija tamo je... komplikovana. Dječji rad, nesigurni uslovi, cijeli nered. Dakle, svi pokušavaju koristiti manje kobalta.
Više nikla=veći kapacitet, ali manja termička stabilnost. Više mangana=jeftinije i stabilnije, ali manji kapacitet. Više kobalta=stabilniji i bolji ciklus, ali $$$ i etički problemi.
To je uvijek{0}}zamjena. Uvijek. Imao sam toliko rasprava sa menadžerima proizvoda oko ovoga. Oni žele visoku gustoću energije I dug životni vijek I nisku cijenu I dobru sigurnost. Možete odabrati možda dva. Možda.
Tu je i NCA - nikl kobalt aluminijum. Tesla je ovo godinama koristio u svojim-paketima dugog dometa. Panasonic ih je napravio u gigafabrici u Nevadi. Jednom sam obišao drugu fabriku baterija - ne tu, već pogon konkurenta - i sama suha soba je bila luda. Sistem za obradu zraka vjerovatno košta 50+ miliona dolara. Sve mora biti ispod -40 stepeni rosišta ili sol elektrolita upija vlagu i stvara fluorovodoničnu kiselinu. HF će pojesti bilo šta. Staklo, metal, kost. Gadne stvari.
Oh i LFP - litijum gvožđe fosfat. Ovaj se vraća. Sigurniji je, jeftiniji po kWh i traje duže. Čuo sam za LFP ćelije koje rade 5000+ ciklusa do 80% kapaciteta. Možda čak 6000. Loša strana je niža gustina energije - samo 120-140 mAh/g naspram 180-200 za NMC.
Tesla je počeo da stavlja LFP u svoj Standard Range Model 3 oko 2021. Kinesko tržište ih je prvo dobilo. Ima smisla - CATL je najveći proizvođač LFP-a i nalazi se u Kini.
Neki ljudi se žale na gubitak LFP dometa po hladnom vremenu. Gore je od NMC. Ali ćelije su jeftinije i traju duže, tako da se za mnoge aplikacije isplati-odstupiti. Uzeo bih LFP paket za gradski auto. Za dugo{5}}kruzer na autoputu možda i ne.
elektrolit:
Ovo je tečnost u sredini. Provodi ione, ali ne i elektrone, što je važno jer ako bi provodio elektrone, samo bi imao kratki spoj.
Obično je to litijum heksafluorofosfat - LiPF₆ - rastvoren u organskim rastvaračima. Rastvarači su obično mješavina etilen karbonata (EC) i dimetil karbonata (DMC) ili dietil karbonata (DEC).
Evo jednog čudnog detalja: EC je čvrst na sobnoj temperaturi. Tačka topljenja je oko 36 stepeni. Dakle, čisti EC bi se smrznuo zimi. Zato ga miješate sa DMC ili DEC koji su tečni do -70 stepeni ili bilo šta drugo. Smjesa ostaje tečna u razumnim uvjetima.
Organski karbonati su takođe zapaljivi. Nije na nivou benzina{1}}zapaljivo, ali definitivno zapaljivo. Jednom sam vidio test penetracije eksera gdje smo namjerno zabili ekser kroz potpuno napunjenu ćeliju. Prvo je ispustio plin - pucajući zvuk -, a zatim je plamen izbio iz otvora za ventilaciju. Dostigao oko 2 metra visine. Čitava ćelija se našla na možda 800 stepeni na osnovu snimka termalne kamere.
To je bio kontrolirani test sa gašenjem požara i svime. Ipak zastrašujuće.
LiPF₆ sol je higroskopna kao pakao. Voli vodu. Ako se smoči, hidrolizira se u HF. Zato se proizvodnja baterija odvija u izuzetno suhim prostorijama. Govorim o tački rose od -40 stepeni ili niže. Sistem odvlaživanja obično je jedan od najvećih potrošača energije u fabrici ćelija.
Jednom sam posjetio ustanovu gdje je suva prostorija bila toliko suva da je bilo teško disati. Nos bi vam se isušio za nekoliko minuta. Svi koji su tamo radili morali su stalno koristiti slani sprej. Nije prijatno radno okruženje.
separator:
Zaboravljena komponenta. To je samo tanka polimerna membrana, ali je kritična.
Obično polipropilen (PP) ili polietilen (PE). Ponekad troslojni sa PP-PE-PP. Debljina je tipično 20-25 mikrona. To je tanko. Tanji od ljudske kose (70-100 mikrona).
Ima mikroskopske pore - poput prečnika 100 nanometara - koje propuštaju jone, ali blokiraju elektrone. Također održava anodu i katodu fizički odvojenim. Ako dodirnu=kratki spoj=loše stvari se dešavaju brzo.
Sjećate li se požara na Samsung Galaxy Note 7? 2016. To je dijelom zbog oštećenja separatora. Samsung je previše agresivno dizajnirao bateriju. Pretanak, pretesno upakovan, nema tolerancije na širenje. Neke ćelije su imale separator previše pritisnut u jednom uglu. Razvijena slaba tačka. Na kraju sam dobio rupu. Interno kratko. Thermal runaway. Vatra.
Povukli su 2,5 miliona telefona. Zabranjen ulazak u avione. Košta Samsung milijarde. Sve zbog komada plastike tanje od papira.
Imam mišljenje o agresivnom dizajnu baterija. Proizvođači nastavljaju gurati tanje i lakše kako bi pobijedili konkurenciju. Ali postoji granica. Fiziku nije briga za raspored lansiranja vašeg proizvoda.
Kako to zapravo funkcionira (dio koji svi preskaču)
Punjenje:
Uključite svoj telefon. Punjač tjera elektrone u anodu i povlači ih sa katode. Ovo čini da katoda oslobađa litijum jone. Joni putuju kroz elektrolit do anode. Oni se interkaliraju u grafitnu strukturu.
Zamislite to kao kompresiju opruge. Litijum joni prirodno ne žele da budu u anodi - oni su stabilniji na katodi. Ali vi ih tjerate tamo primjenom napona. Pohranjena energija.
Pražnjenje:
Isključujete i koristite telefon. Opruga se oslobađa. Litijum joni se vraćaju na katodu kroz elektrolit. Elektroni teku kroz kolo vašeg telefona od anode do katode. Taj tok elektrona napaja vaš uređaj.
Napon zavisi od hemije i stanja naelektrisanja. Za NMC ili NCA:
Potpuno napunjen: ~4.2V
Nominalno: ~3.7V
Potpuno ispražnjen: ~3.0V
Nemojte ići ispod 3.0V ili ćete početi pokrivati litijum metalom što je opasno. Ne prelazite napon iznad 4,2V ili rizikujete termički bijeg. Zato postoje sistemi za upravljanje baterijom (BMS). Oni prate napon i temperaturu i struju i isključuju stvari ako nešto izgleda pogrešno.
Dobar BMS dizajn je težak. Zaista teško. Potrebna su vam brza vremena odziva, precizni senzori, suvišne sigurnosne provjere. Jeftin BMS jedan je od najbržih načina da pristojnu bateriju pretvorite u opasnost od požara.
Problemi (oh, čovječe, ima toliko problema)
Problem 1: Degradacija je neizbježna
Svaki ciklus punjenja{0}}pražnjenja oštećuje bateriju. Neizbežno. Termodinamika.
Postoji ova stvar koja se zove SEI sloj - međufaza čvrstog elektrolita - koja se formira na površini anode. To je zapravo neophodno da bi baterija funkcionirala. Ali on s vremenom raste i troši aktivni litijum. Nakon 500 ciklusa možda će vam ostati 90% kapaciteta. Nakon 1000 možda 80%. Posle 2000... zavisi.
Imam MacBook iz 2015. koji i dalje pokazuje 78% zdravlja baterije. Volim ga, iako ga - rijetko puštam ispod 40%, držite ga uključenim kada je to moguće, nikad ga ne punite u vrućem autu. Moja žena ima MacBook iz 2018. koji je 62% zdravlja jer ga teško pokreće. Puni ciklus dnevno, ostavlja ga da se puni preko noći, koristi ga u krilu dok je vruć. Način na koji se ponašate prema bateriji je MNOGO važan.
Katoda se takođe degradira. NMC sa visokim-niklom je posebno loš. Iznad 4,3V površina katode počinje da reaguje sa elektrolitom. Joni prelaznih metala (nikl, mangan, kobalt) mogu se rastvoriti i migrirati do anode gdje pokvare SEI. Postoji i ova stvar koja se zove katodno zgušnjavanje gdje se kristalna struktura polako zbija i gubi poroznost.
Ovo se zaista ne može spriječiti. To je samo hemija. Entropija uvijek pobjeđuje.
Problem 2: Temperatura uništava sve
Ispod 0 stepeni elektrolit postaje viskozan poput hladnog meda. Transport jona se usporava. Izgubite možda 20-30% kapaciteta na -10 stepeni . Još gore, ako pokušate brzo napuniti hladnu bateriju, na anodu ćete staviti metalni litijum umjesto da ga interkalirate. To stvara dendrite - igličaste strukture metala litijuma koje mogu rasti i na kraju probiti separator. Interno kratko. Vatra.
Iznad 40-45 stepeni, sve reakcije razgradnje se ubrzavaju. Pravilo: svakih 10 stepeni povećanja udvostručuje brzinu reakcije. Dakle, baterija na 45 stepeni degradira se oko 4x brže nego na 25 stepeni.
Živim u Teksasu. Ljetne temperature su dostigle 100 stepeni F+ (38 stepeni +). Vidio sam EV baterije koje su izgubile 15% kapaciteta u 3 godine samo zbog izlaganja toploti. U međuvremenu EV u Minnesoti jedva degradiraju ljeti -, ali gube domet zimi zbog hladnoće. Ne mogu pobijediti.
Idealna radna temperatura je 20-25 stepeni. Sretno u održavanju toga u stvarnom svijetu.
Problem 3: Brzo punjenje je inherentno problematično
Svi žele 10-minutno punjenje EV kao benzinska pumpa. Ali guranje ogromne snage kroz bateriju stvara toplinu. I²R gubici - strujni kvadrat puta otpor. Otpor je mali, ali nije nula. Pri punjenju od 250 kW proizvodite značajnu toplinu.
Također brzo punjenje mehanički opterećuje materijale elektrode. Prisiljava ione da se brzo kreću kroz strukturu. Može uzrokovati pucanje i lom čestica tokom vremena.
Tesla Superchargeri (V3) mogu postići maksimalnu snagu od 250 kW. Ali brzo se smanjuju. Možda 250kW na 5 minuta, pa 150kW, pa 100kW, pa 50kW. To je BMS koji štiti ćelije.
Noviji 800V sistemi iz Porschea i Hyundaija mogu dati 350kW. Ali samo nakratko. Fizika je fizika.
Postoje istraživanja o dizajnu elektroda optimiziranih za brzo{0}}punjenje{1}}. Tanje elektrode, manje čestice, bolji premazi. Pomaže. Ali ne možete prevariti termodinamiku.
Problem 4: Vatra
Litijum{0}}jonske baterije se ne zapale često. Mnogo manje od automobila na benzin. Ali kada to urade, to je dramatično.
Thermal runaway. Kada ćelija dostigne kritičnu temperaturu - varira ovisno o hemiji, možda 150-200 stepeni - egzotermne reakcije počinju. SEI se razgrađuje. Separator se topi. Elektrolit proključa. Katoda oslobađa kiseonik. Svaka reakcija proizvodi toplinu koja pokreće više reakcija. Pozitivna povratna sprega.
Ne možete ga ugasiti vodom kao normalan požar. Mislim, možete sipati vodu na nju da biste je ohladili, ali ćelija i dalje proizvodi toplinu iznutra. Vatrogasne službe mrze požare električnih vozila. Odvojite sate za gašenje. Može se ponovo zapaliti kasnije.
Moderne ćelije ipak imaju sigurnosne karakteristike. Separatori za isključivanje koji se zatvaraju kada se zagreju. Ventilacioni otvori. Strujni prekidi. Termički osigurači. Plus BMS sve prati.
Ipak se ponekad dešava. Svaki put donosi vijest iako su statistički EV-ovi sigurniji od automobila na benzin. PR problem.
Problem 5: Etika kobalta
70% kobalta dolazi iz DRC. Mnogo toga iz zanatskih rudnika sa lošim uslovima rada. Izvještaji o dječijem radu. Šteta po životnu sredinu. To je nered.
Svi pokušavaju koristiti manje kobalta. Visok-nikl NMC koristi vrlo malo. LFP koristi nulu. Ali kobalt stabilizira katodnu strukturu. Bez toga vam je potrebno bolje upravljanje toplinom i stroža ograničenja napona.
Cijene kobalta su također sulude. Ispod 30.000 dolara po toni u 2016. Narastao na 90.000+ u 2018. Pao na 25.000 dolara u 2020. Sada oko 35.000 dolara po toni. Kako planirate proizvodnju kada vam cijena sirovina varira 3x?
Problem 6: Haos u lancu snabdevanja
Cijene litijuma su potpuno poludjele u 2021-2022. 6 hiljada dolara po toni 2020. Dosegnuo je vrhunac od oko 80 hiljada dolara po toni krajem 2022. Pao na 12 hiljada dolara po toni 2024. Sada oko 15 hiljada dolara po toni 2025.
Većina litijuma dolazi iz Australije (vađenje tvrdih stijena) ili Južne Amerike (vađenje slane otopine iz solana u Čileu/Argentini/Boliviji - "litijum trokut"). Ali većina obrade se dešava u Kini. Kao 75% globalnog kapaciteta za preradu litijuma.
Kina također kontrolira proizvodnju baterija - 75% globalne proizvodnje ćelija. I 90% anodnih materijala (obrada grafita).
Zbog toga se SAD i Evropa bore da izgrade domaće lance snabdevanja. Ali to je sporo. Potrebne su godine da se izgradi gigafabrika. Potrebno je više vremena za izgradnju uzvodnog lanca opskrbe.
Litijum{0}}baterijski mora biti ultra čist. Manje od 0,01% nečistoća. Taj nivo prerade nije jeftin ni brz.
Zašto smo zapeli s litijum-jonskim (za sada)
Unatoč svemu na što sam se upravo žalio, litijum{0}}jonski je još uvijek najbolja opcija u komercijalnom obimu.
Gustina energije: 250-300 Wh/kg na nivou ćelije. Možda 160-180 Wh/kg na nivou pakovanja nakon dodavanja hlađenja i strukture i BMS-a. To je dovoljno za 300+ milja EV bez smiješne težine.
uporedi:
Olovna{0}}kiselina: 30-50 Wh/kg (jebote teška)
NiMH: 60-120 Wh/kg (šta je Prius koristio)
NiCd: 40-60 Wh/kg (takođe otrovan, uglavnom se ukida)
Proizvodnja je zrela. Desetine dobavljača. Više gigafabrika. Uspostavljeni lanci snabdevanja. Ekonomija obima.
Teslina gigafabrika u Nevadi cilja 35 GWh godišnje. To je dovoljno za 500k+ EV. CATL u Kini radi još više - Mislim da 200+ GWh/godišnje? Možda 300? Morao bih da proverim.
Sva infrastruktura također uključuje litijum{0}}ione. Standardi punjenja (CCS, NACS, CHAdeMO). BMS algoritmi. Sigurnosni propisi. Procesi reciklaže. Ne možete jednostavno zamijeniti drugu hemiju bez redizajniranja svega.
Šta bi ga eventualno moglo zamijeniti
Potvrdne{0}}baterije:Zamijenite tekući elektrolit čvrstim keramičkim ili staklenim ili sulfidnim materijalom. Prednosti: nema curenja, manji rizik od požara, možda koristite litijum metalne anode za veću gustoću energije.
QuantumScape, Solid Power, Toyota, Samsung - svi rade na tome. QuantumScape tvrdi 800 Wh/kg u laboratorijskim ćelijama sa 800+ ciklusima. Impresivno ako je istina.
Problemi: Otpor između čvrstog elektrolita i elektroda. Teško je održavati dobar kontakt tokom hiljada ciklusa kako se materijali šire/sužavaju. Većina čvrstih elektrolita su krhki - dendriti mogu probiti kroz njih. Proizvodnja u velikim količinama je potpuno nedokazana.
Skeptičan sam da ćemo ovo vidjeti u mainstream automobilima prije 2030. Možda 2028. ako neko napravi napredak. Ali vjerovatno kasnije. Čuo sam da je "čvrsto- stanje udaljeno 5 godina" zadnjih 10 godina.
litijum{0}}sumpor:Teorijska gustina energije 2600 Wh/kg. Sumpor je jeftin i ima ga u izobilju.
Problem: efekat polisulfida. Intermedijarni proizvodi se rastvaraju u elektrolitu uzrokujući brzo smanjenje kapaciteta. Nakon 50 ciklusa baterija je tostirana.
Ovo je "skoro riješeno" 20+ godina. Još uvijek nije tamo.
natrijum{0}}ion:Trenutno se dešava. CATL je započeo proizvodnju 2023. BYD radi na tome.
Natrijum je svuda (morska voda). Mnogo jeftinije od litijuma. Može koristiti sličnu proizvodnu opremu.
Ali gustina energije je manja: 150-160 Wh/kg naspram 250-300 za litijum-jonske.
Ima smisla za stacionarno skladištenje i jeftina EV. Uskoro nećemo zamijeniti litijum{1}}ion u premium proizvodima.
Litijum metalne anode:Koristite metalni litijum umesto grafita. Čuvajte tečni elektrolit. Može dostići 400-500 Wh/kg na nivou ćelije.
Problem dendrita i dalje postoji. Svako ima svoje rješenje - premaze, aditive za elektrolite itd. Vidjet ćemo ko će prvi uspjeti.
Oh ilitijum-polimerske baterije- bi ih vjerovatno trebao spomenuti. Oni koriste gel ili čvrsti polimerni elektrolit umjesto tekućine. Tanji, lakši, fleksibilniji oblici. Vaše bežične slušalice ga vjerovatno imaju. Nešto sigurnije od tekućine, ali gustina energije je otprilike ista. To je još uvijek litijum{6}}jonska tehnologija, samo drugačije upakovana. Marketing odjeli vole da ih zovu "LiPo" kao da je to neka revolucionarna stvar. Nije.
