لیتیوم-یون چیست؟

ساده درسته؟ به جز این که وقتی شروع به کنکاش در جزئیات کنید، هیچ چیز در مورد این باتری ها واقعاً ساده نیست، که من می خواهم این کار را انجام دهم زیرا نمی توانم جلوی خودم را بگیرم.

چرا لیتیوم؟ (اینجاست که من اذیت میشم)

 

عنصر شماره 3. هیدروژن، هلیوم، لیتیوم. این دستور است. اتم بسیار ریز چون فقط 3 پروتون دارد.

و این چیزی است که در مورد لیتیوم است - که واقعاً می‌خواهد از شر الکترون بیرونی خود خلاص شود. مثل ناامیدانه می خواهد. از این نظر به نوعی ناپایدار است. آیا می دانید آن ویدئوهایی از افرادی که سدیم را در آب می ریزند و آن گاز می گیرد و آتش می گیرد؟ لیتیوم این کار را می کند اما بیشتر. من یک بار در یک تظاهرات ایمنی در سال 2011 (یا 2012؟) کسی را تماشا کردم که یک تکه فلز لیتیوم را در یک سطل آب انداخت و صادقانه این که چقدر سریع واکنش نشان داد ترسناک بود. سطل آب شد.

صبر کن نه، سطل آب نشد. آب جوشید و لیتیوم روی سطح آتش گرفت. سطل خوب بود حافظه ام خفن است

به هر حال نکته این است: فلز لیتیوم خالص خطرناک است. به همین دلیل است که باتری‌های لیتیوم- مدرن از فلز لیتیوم خالص استفاده نمی‌کنند - بلکه از لیتیوم IONS استفاده می‌کنند. لیتیوم از قبل اکسید شده است. فرم Li+ بسیار پایدارتر

ولتاژی که دریافت می کنید حدود 3.6-3.7 ولت در هر سلول است که مناسب است. بهتر از قلیایی (1.5V) یا NiMH (1.2V). به این معنی که برای رسیدن به ولتاژ هدف به سلول های کمتری نیاز دارید. به همین دلیل است که باتری لپ تاپ شما به جای 15 سلول، 6 سلول دارد.

همچنین - و من باید به این اولین - اشاره می‌کردم که لیتیوم سبک است. سومین عنصر سبک بنابراین شما چگالی انرژی بالایی را بدون وزن دیوانه کننده دریافت می کنید. به همین دلیل است که خودروهای الکتریکی از یون لیتیوم- و نه از اسید سرب استفاده می‌کنند. یک باتری سرب-اسید با انرژی یکسان به معنای واقعی کلمه 5-6 برابر بیشتر وزن دارد. تسلای شما برای تعویض باتری به یک لیفتراک نیاز دارد.

 

 

اجزای واقعی (ببندید تا فنی شود)

 

آند (سمت منفی):

معمولا گرافیت. بله، همان چیزهایی که در مدادها وجود دارد، به جز اینکه بسیار خالص تر و متفاوت تر پردازش شده اند.

گرافیت دارای این ساختار کریستالی لایه ای است - یک دسته کارت را در سطح اتمی تصور کنید. این لایه ها توسط نیروهای ضعیف واندروالس در کنار هم نگه داشته می شوند (شیمی دبیرستان دوباره به سراغ شما می آید). یون‌های لیتیوم می‌توانند بین این لایه‌ها بلغزند و فقط در آنجا آویزان شوند. اصطلاح فنی "intercalation" است، اما من آن را مانند پارک کردن ماشین‌ها در یک گاراژ چند طبقه-می‌دانم.

حداکثر ظرفیت تئوری 372 میلی آمپر{1}}ساعت در هر گرم است. در دنیای واقعی، اگر تولید ناخوشایند نباشد، 340-360 میلی آمپر ساعت در گرم دریافت خواهید کرد. من سلول هایی را از برخی تولیدکنندگان چینی دیده ام که به سختی می توانند به 310 میلی آمپر ساعت بر گرم برسند. قرار نیست نام‌ها را نام ببرم، اما اگر حروف را در "BYD" دوباره مرتب کنید، می‌بینید... بسیار خوب، من نام‌ها را نام می‌برم. سلول های اولیه آنها خشن بود. اگرچه آنها از سال 2018 بسیار بهتر شده اند.

اکنون همه در مورد آندهای سیلیکونی صحبت می کنند زیرا سیلیکون از نظر تئوری می تواند 10 برابر بیشتر از گرافیت لیتیوم را در خود نگه دارد. شگفت انگیز به نظر می رسد درست است؟ 3700+ ظرفیت تئوری mAh/g.

مشکل - و این مشکلی است که از زمانی که من در این صنعت شروع به کار کردم "تقریباً حل شده است" - این است که سیلیکون با لیتیوم کردن آن حدود 300٪ منبسط می شود. ذرات به معنای واقعی کلمه از هم جدا می شوند. تصور کنید که بادکنکی را در داخل یک بلوک سیمانی باد می کنید. بتن خم نمی شود، فقط می شکند.

تسلا در حال حاضر از مقداری سیلیکون مخلوط با گرافیت استفاده می کند. شاید 5-10 درصد سیلیکون؟ شنیدم 8 درصد بوده ولی ممکنه اشتباه کنم. نکته این است که مقدار کمی است. آندهای سیلیکونی خالص علیرغم آنچه استارتاپ‌های سری A ادعا می‌کنند هنوز آماده نیستند.

کاتد (سمت مثبت):

اوه پسر اینجاست که به هم می‌ریزد زیرا 6 شیمی مختلف کاتد وجود دارد و همه نظراتی در مورد اینکه کدام یک بهتر است دارند و همه آنها اشتباه می‌کنند زیرا بستگی به کاربرد شما دارد.

نمونه اصلی سونی در سال 1991، اکسید لیتیوم کبالت - LiCoO2 بود. ما آن را به اختصار "LCO" می نامیم. چگالی انرژی بسیار خوب است - 150-200 mAh/g بسته به اینکه چه کسی آن را ساخته است. اما ثبات حرارتی وحشتناک است. اگر آن را بیش از حد شارژ کنید یا خیلی داغ کنید، ساختار کریستالی اکسیژن آزاد می کند. اکسیژن + الکترولیت آلی + گرما=روز بد. احتمالاً تلفن شما از LCO استفاده می‌کند، زیرا تلفن‌ها نیازی به 10 سال دوام ندارند و نمی‌توانید آنها را در دمای 10 درجه سانتیگراد{13}سریع شارژ کنید.

سپس NMC - اکسید کبالت نیکل منگنز وجود دارد. این همان چیزی است که اکثر خودروهای الکتریکی اکنون از آن استفاده می کنند. نسبت نیکل به منگنز به کبالت مدام در حال تغییر است. به صورت 1:1:1 شروع شد (قسمتهای مساوی). سپس سازندگان به 5:3:2 حرکت کردند. سپس 6:2:2. اکنون در برخی سلول‌های{20}بالا، مانند 8:1:1 یا حتی 9:0.5:0.5 هستیم.

چرا شیفت؟ کبالت گران است. مثل اینکه واقعا گران است. همچنین بیشتر کبالت از جمهوری دموکراتیک کنگو (جمهوری دموکراتیک کنگو) می آید و وضعیت معدن در آنجا پیچیده است. کار کودکان، شرایط ناامن، کل آشفتگی. بنابراین همه سعی می کنند از کبالت کمتری استفاده کنند.

نیکل بیشتر=ظرفیت بیشتر اما پایداری حرارتی کمتر. منگنز بیشتر=ارزانتر و پایدارتر اما ظرفیت کمتر. کبالت بیشتر=عمر چرخه پایدارتر و بهتری دارد اما $$$ و مسائل اخلاقی.

همیشه-معامله است. همیشه. من در این مورد با مدیران محصول بحث های زیادی داشته ام. آنها تراکم انرژی بالا و عمر چرخه طولانی و هزینه کم و ایمنی خوب می خواهند. شما می توانید دو مورد را انتخاب کنید. شاید.

همچنین آلومینیوم نیکل کبالت NCA - وجود دارد. تسلا سال‌ها از این در بسته‌های برد-ش استفاده کرد. پاناسونیک آنها را در کارخانه گیگ نوادا ساخته است. من یک بار یک کارخانه باتری دیگر را گشتم - نه آن کارخانه، بلکه در یک کارخانه رقیب - و اتاق خشک به تنهایی دیوانه کننده بود. هزینه سیستم انتقال هوا احتمالاً 50+ میلیون دلار است. همه چیز باید زیر نقطه شبنم 40- درجه باشد یا نمک الکترولیت رطوبت را جذب کرده و اسید هیدروفلوئوریک ایجاد می کند. HF از طریق هر چیزی می خورد. شیشه، فلز، استخوان. چیزهای زننده

اوه و LFP - فسفات آهن لیتیوم. این یکی داره برمیگرده ایمن‌تر، ارزان‌تر به ازای هر کیلووات ساعت است و دوام بیشتری دارد. من از سلول های LFP شنیده ام که چرخه های 5000+ را تا 80 درصد ظرفیت انجام می دهند. شاید حتی 6000. نقطه ضعف آن چگالی انرژی کمتر است - فقط مانند 120-140 mAh/g در مقابل 180-200 برای NMC.

تسلا از حدود سال 2021 شروع به قرار دادن LFP در مدل 3 های استاندارد خود کرد. بازار چین اول از همه آنها را دریافت کرد. منطقی است - CATL بزرگترین تولید کننده LFP است و آنها در چین هستند.

برخی از افراد از کاهش دامنه LFP در هوای سرد شکایت دارند. از NMC بدتر است. اما سلول‌ها ارزان‌تر هستند و عمر طولانی‌تری دارند، بنابراین برای بسیاری از برنامه‌ها ارزش معاوضه- را دارد. من یک بسته LFP برای یک ماشین شهری می برم. شاید برای یک کشتی-در بزرگراهی دوربرد، نه.

الکترولیت:

این مایع وسط است. یون‌ها را هدایت می‌کند، اما الکترون‌ها را هدایت نمی‌کند، که مهم است زیرا اگر الکترون‌ها را رسانا می‌کرد، فقط یک اتصال کوتاه خواهید داشت.

معمولاً لیتیوم هگزا فلوروفسفات - LiPF6 - محلول در حلالهای آلی است. حلال ها معمولاً مخلوطی از اتیلن کربنات (EC) و دی متیل کربنات (DMC) یا دی اتیل کربنات (DEC) هستند.

در اینجا یک جزئیات عجیب وجود دارد: EC در دمای اتاق جامد است. نقطه ذوب حدود 36 درجه است. بنابراین EC خالص در زمستان منجمد می شود. به همین دلیل است که آن را با DMC یا DEC که تا دمای 70- درجه یا هر چیز دیگری مایع هستند مخلوط کنید. مخلوط در شرایط معقول مایع می ماند.

همچنین کربنات های آلی قابل اشتعال هستند. بنزین-در حد قابل اشتعال نیست اما قطعا قابل اشتعال است. من یک بار آزمایش نفوذ ناخن را دیدم که در آن عمداً یک میخ را از طریق سلول کاملاً شارژ شده فرو کردیم. ابتدا گاز را - صدای ترکیدن - تخلیه کرد سپس شعله های آتش از سوراخ دریچه خارج شدند. به ارتفاع 2 متر رسید. کل سلول بر اساس فیلم دوربین حرارتی به 800 درجه رسید.

این یک آزمایش کنترل شده با اطفاء حریق و همه چیز بود. اگرچه هنوز ترسناک است.

نمک LiPF6 مانند جهنم رطوبت گیر است. آب را دوست دارد. اگر خیس شود به HF هیدرولیز می شود. به همین دلیل است که تولید باتری در اتاق های بسیار خشک اتفاق می افتد. من از نقطه شبنم 40- درجه یا کمتر صحبت می کنم. سیستم رطوبت زدایی معمولاً یکی از بزرگترین مصرف کنندگان انرژی در یک کارخانه سلولی است.

من یک بار از یک مرکز بازدید کردم که در آن اتاق خشک آنقدر خشک بود که نفس کشیدن برایم دردناک بود. بینی شما در عرض چند دقیقه خشک می شود. همه کسانی که در آنجا کار می کردند مجبور بودند دائماً از اسپری نمک استفاده کنند. محیط کاری خوشایند نیست.

جداکننده:

جزء فراموش شده این فقط یک غشای پلیمری نازک است اما بسیار مهم است.

معمولاً پلی پروپیلن (PP) یا پلی اتیلن (PE). گاهی اوقات یک سه لایه با PP-PE-PP. ضخامت به طور معمول 20-25 میکرون است. این نازک است. نازک تر از موی انسان (70-100 میکرون).

دارای منافذ میکروسکوپی - مانند قطر 100 نانومتر - است که اجازه عبور یون‌ها را می‌دهد اما الکترون‌ها را مسدود می‌کند. همچنین آند و کاتد را بطور فیزیکی از هم جدا نگه می دارد. اگر آنها=اتصال کوتاه=را لمس کنند، اتفاقات بدی سریع رخ می دهد.

آتش گرفتن گلکسی نوت 7 سامسونگ را به خاطر دارید؟ 2016. این تا حدی به دلیل آسیب جداکننده بود. سامسونگ باتری را خیلی تهاجمی طراحی کرده است. خیلی نازک، بسته بندی خیلی سفت، بدون تحمل برای انبساط. برخی از سلول ها جداکننده را در یک گوشه خیلی محکم فشار داده بودند. نقطه ضعف توسعه یافته است. در نهایت یک سوراخ سوزنی پیدا کرد. کوتاه داخلی. فرار حرارتی. آتش.

آنها 2.5 میلیون گوشی را فراخوانی کردند. ممنوعیت ورود به هواپیما میلیاردها دلار برای سامسونگ هزینه کرد. همه به خاطر یک تکه پلاستیک نازک تر از کاغذ است.

من نظراتی در مورد طراحی تهاجمی باتری دارم. تولیدکنندگان برای شکست دادن رقبا، نازک‌تر و سبک‌تر تلاش می‌کنند. اما محدودیتی وجود دارد فیزیک به برنامه راه اندازی محصول شما اهمیتی نمی دهد.

 

در واقع چگونه کار می کند (بخشی که همه از آن می گذرند)

 

شارژ کردن:

گوشیتو وصل میکنی شارژر الکترون ها را به داخل آند وارد می کند و آنها را از کاتد می کشد. این باعث می شود کاتد یون های لیتیوم را آزاد کند. یون ها از طریق الکترولیت به آند می روند. آنها در ساختار گرافیت قرار می گیرند.

مثل فشرده کردن فنر به آن فکر کنید. یونهای لیتیوم به طور طبیعی نمی خواهند در آند باشند - آنها در کاتد پایدارتر هستند. اما شما با اعمال ولتاژ آنها را مجبور می کنید. انرژی ذخیره شده

تخلیه:

شما گوشی را از برق جدا کرده و از آن استفاده می کنید. بهار رها می شود. یون های لیتیوم از طریق الکترولیت به کاتد باز می گردند. الکترون ها در مدار گوشی شما از آند به کاتد جریان می یابند. آن جریان الکترون دستگاه شما را نیرو می دهد.

ولتاژ به شیمی و حالت شارژ بستگی دارد. برای NMC یا NCA:

شارژ کامل: ~4.2V

اسمی: ~ 3.7 ولت

دشارژ کامل: ~ 3.0 ولت

کمتر از 3.0 ولت نروید یا شروع به آبکاری فلز لیتیوم کنید که خطرناک است. از ولتاژ 4.2 ولت بالاتر نروید وگرنه در معرض خطر فرار حرارتی هستید. به همین دلیل است که سیستم های مدیریت باتری (BMS) وجود دارد. آنها ولتاژ و دما و جریان را کنترل می کنند و اگر مشکلی به نظر برسد، همه چیز را خاموش می کنند.

طراحی خوب BMS سخت است. واقعا سخته شما به زمان پاسخ سریع، سنسورهای دقیق، بررسی های ایمنی اضافی نیاز دارید. یک BMS ارزان قیمت یکی از سریع ترین راه ها برای تبدیل باتری مناسب به خطر آتش سوزی است.

 

 

مشکلات (اوه مرد مشکلات بسیار زیاد است)

 

مشکل 1: انحطاط اجتناب ناپذیر است

هر چرخه تخلیه{0}}شارژ به باتری آسیب می رساند. اجتناب ناپذیر. ترمودینامیک.

چیزی به نام لایه SEI - بین فاز الکترولیت جامد - وجود دارد که روی سطح آند تشکیل می‌شود. در واقع برای عملکرد باتری ضروری است. اما با گذشت زمان به رشد خود ادامه می دهد و لیتیوم فعال را مصرف می کند. پس از 500 چرخه ممکن است 90 درصد ظرفیت باقی بماند. بعد از 1000 شاید 80 درصد. بعد از 2000 ... بستگی دارد.

من یک مک بوک 2015 دارم که هنوز 78 درصد سلامت باتری را نشان می دهد. من آن را دوست دارم، هرچند - به ندرت اجازه می‌دهد تا زیر 40% برود، در صورت امکان آن را به برق متصل نگه دارید، هرگز آن را در ماشین داغ شارژ نکنید. همسر من یک مک بوک 2018 دارد که 62 درصد سالم است زیرا به سختی از آن استفاده می کند. روزانه کامل چرخه می‌کند، آن را در طول شب شارژ می‌کند، در حالی که گرم است روی پاهایش استفاده می‌کند. نحوه برخورد شما با باتری بسیار مهم است.

کاتد نیز تخریب می شود. NMC نیکل بالا به ویژه بد است. بالای 4.3 ولت سطح کاتد شروع به واکنش با الکترولیت می کند. یون های فلزات واسطه (نیکل، منگنز، کبالت) می توانند حل شوند و به آند مهاجرت کنند، جایی که SEI را خراب می کنند. همچنین چیزی به نام چگالی کاتدی وجود دارد که در آن ساختار کریستالی به آرامی فشرده می شود و تخلخل را از دست می دهد.

واقعا نمی توان جلوی این را گرفت این فقط شیمی است. آنتروپی همیشه برنده است.

مشکل 2: دما همه چیز را از بین می برد

زیر صفر درجه، الکترولیت مانند عسل سرد چسبناک می شود. انتقال یون کند می شود. شاید 20-30% ظرفیت در -10 درجه را از دست بدهید. حتی بدتر از آن، اگر سعی کنید باتری سرد را سریع شارژ کنید، به جای آند، لیتیوم فلزی را روی آند قرار می دهید. این باعث ایجاد دندریت ها می شود - ساختارهای سوزنی مانند فلز لیتیوم که می توانند رشد کنند و در نهایت جداکننده را سوراخ کنند. کوتاه داخلی. آتش.

بالاتر از 40-45 درجه، تمام واکنش های تخریب تسریع می شود. قانون سرانگشتی: هر 10 درجه افزایش سرعت واکنش را دو برابر می کند. بنابراین یک باتری در 45 درجه حدود 4 برابر سریعتر از 25 درجه خراب می شود.

من در تگزاس زندگی می کنم. دمای تابستان به 100 درجه فارنهایت + (38 درجه +) می رسد. من باتری‌های EV را دیده‌ام که در عرض 3 سال 15 درصد ظرفیت خود را فقط به دلیل قرار گرفتن در معرض گرما از دست داده‌اند. در همین حال، خودروهای برقی در مینه‌سوتا در تابستان - به سختی تخریب می‌شوند، اما در زمستان به دلیل سرما، برد خود را از دست می‌دهند. نمی تواند برنده شود.

دمای عملیاتی ایده آل مانند 20-25 درجه است. موفق باشید که آن را در دنیای واقعی حفظ کنید.

مشکل 3: شارژ سریع ذاتاً مشکل ساز است

همه خواهان 10-دقیقه شارژ EV مانند پمپ بنزین هستند. اما فشار دادن نیروی عظیم از طریق باتری گرما تولید می کند. تلفات I²R - جریان مجذور مقاومت. مقاومت کوچک است اما صفر نیست. با شارژ 250 کیلووات، گرمای قابل توجهی تولید می کنید.

همچنین شارژ سریع مواد الکترود را به صورت مکانیکی تحت فشار قرار می دهد. یون ها را مجبور می کند تا به سرعت در ساختار حرکت کنند. می تواند به مرور زمان باعث ترک خوردگی و شکستگی ذرات شود.

سوپرشارژرهای تسلا (V3) می توانند حداکثر 250 کیلووات را انجام دهند. اما آنها به سرعت کاهش می یابند. شاید 250 کیلووات برای 5 دقیقه، سپس 150 کیلووات، سپس 100 کیلووات، سپس 50 کیلووات. این BMS از سلول ها محافظت می کند.

سیستم های جدیدتر 800 ولت پورشه و هیوندای می توانند 350 کیلووات برق تولید کنند. اما فقط به طور خلاصه. فیزیک فیزیک است.

تحقیقاتی در مورد طراحی‌های الکترود بهینه-شارژ-سریع وجود دارد. الکترودهای نازک تر، ذرات کوچکتر، پوشش های بهتر. کمک می کند. اما شما نمی توانید ترمودینامیک را تقلب کنید.

مسئله 4: آتش سوزی

باتری‌های لیتیوم-یون اغلب آتش نمی‌گیرند. خیلی کمتر از ماشین های بنزینی اما وقتی آنها این کار را انجام می دهند، دراماتیک است.

فرار حرارتی. هنگامی که یک سلول به دمای بحرانی رسید - بر اساس شیمی تغییر می کند، شاید 150-200 درجه - واکنش های گرمازا شروع می شود. SEI تجزیه می شود. جداکننده ذوب می شود. الکترولیت می جوشد. کاتد اکسیژن آزاد می کند. هر واکنش گرما تولید می کند که باعث واکنش های بیشتری می شود. حلقه بازخورد مثبت

مثل آتش معمولی نمی توان آن را با آب خاموش کرد. منظورم این است که می توانید آب را روی آن بریزید تا خنک شود اما سلول به تولید گرما در داخل ادامه می دهد. سازمان های آتش نشانی از آتش سوزی خودروهای برقی متنفرند. ساعت ها وقت بگذارید تا خاموش کنید. می تواند بعدا دوباره احتراق شود.

سلول های مدرن دارای ویژگی های ایمنی هستند. جداکننده های خاموش کننده که با گرم شدن بسته می شوند. دریچه های فشار وقفه های فعلی فیوزهای حرارتی. به علاوه BMS همه چیز را تماشا می کند.

اگرچه هنوز هم گاهی اتفاق می افتد. هر بار خبر می دهد حتی اگر از نظر آماری خودروهای برقی ایمن تر از خودروهای بنزینی هستند. مشکل روابط عمومی

مسئله 5: اخلاق کبالت

70 درصد کبالت از جمهوری کنگو تامین می شود. بسیاری از آن از معادن صنایع دستی با شرایط کاری بد است. گزارش کار کودکان آسیب های زیست محیطی. این یک آشفتگی است.

همه سعی می کنند از کبالت کمتری استفاده کنند. NMC نیکل بالا بسیار کم مصرف می کند. LFP از صفر استفاده می کند. اما کبالت ساختار کاتد را تثبیت می کند. بدون آن شما به مدیریت حرارتی بهتر و محدودیت های ولتاژ سخت تر نیاز دارید.

قیمت کبالت نیز دیوانه کننده است. زیر 30 هزار دلار/تن در سال 2016. در سال 2018 به 90 هزار دلار افزایش یافت. در سال 2020 به 25 هزار دلار سقوط کرد. اکنون حدود 35 هزار دلار در تن. وقتی هزینه مواد اولیه شما 3 برابر نوسان دارد، چگونه تولید را برنامه ریزی می کنید؟

مشکل 6: هرج و مرج زنجیره تامین

قیمت لیتیوم در سال های 2021-2022 کاملاً کاهش یافت. 6 هزار دلار در هر تن در سال 2020. در اواخر سال 2022 به 80 هزار دلار در تن رسید. در سال 2024 به 12 هزار دلار در هر تن رسید. اکنون حدود 15 هزار دلار در هر تن در سال 2025.

بیشتر لیتیوم از استرالیا (استخراج سنگ سخت) یا آمریکای جنوبی (استخراج آب نمک از نمک در شیلی/آرژانتین/بولیوی - "مثلث لیتیوم") می آید. اما بیشتر پردازش در چین انجام می شود. مانند 75 درصد ظرفیت جهانی پالایش لیتیوم.

چین همچنین تولید باتری - 75 درصد از تولید جهانی سلول را کنترل می‌کند. و 90 درصد مواد آند (فرآوری گرافیت).

به همین دلیل است که ایالات متحده و اروپا در حال تلاش برای ایجاد زنجیره تامین داخلی هستند. اما کند است. سال ها طول می کشد تا یک کارخانه گیگ ساخته شود. ساخت زنجیره تامین بالادستی زمان بیشتری می برد.

لیتیوم درجه باتری-باید فوق خالص باشد. کمتر از 0.01 درصد ناخالصی. این سطح از پالایش ارزان یا سریع نیست.

 

چرا ما با لیتیوم{0}}یون گیر کرده ایم (در حال حاضر)

 

با وجود همه چیزهایی که اخیراً از آنها شکایت کردم، لیتیوم{0}}یون هنوز بهترین گزینه در مقیاس تجاری است.

چگالی انرژی: 250-300 Wh/kg در سطح سلول. شاید 160-180 Wh/kg در سطح بسته پس از افزودن خنک کننده و ساختار و BMS. این برای 300+ مایل خودروهای برقی بدون وزن مسخره کافی است.

مقایسه کنید:

اسید سرب: 30 تا 50 وات ساعت بر کیلوگرم (سنگین)

NiMH: 60-120 وات ساعت بر کیلوگرم (پریوس از آن استفاده کرد)

NiCd: 40-60 Wh/kg (همچنین سمی، عمدتا حذف شده)

تولید به بلوغ رسیده است. ده ها تامین کننده. چندین گیگاکارخانه زنجیره تامین ایجاد کرد. اقتصاد مقیاس.

گیگاکارخانه نوادا تسلا 35 گیگاوات ساعت در سال را هدف قرار داده است. این برای 500k+ EV کافی است. CATL در چین حتی بیشتر - فکر می کنم 200+ گیگاوات ساعت در سال انجام می دهد؟ شاید 300؟ من باید بررسی کنم

تمام زیرساخت‌ها لیتیوم{0}}یون را نیز فرض می‌کنند. استانداردهای شارژ (CCS، NACS، CHAdeMO). الگوریتم های BMS مقررات ایمنی. فرآیندهای بازیافت نمی توان بدون طراحی مجدد همه چیز را در یک شیمی متفاوت مبادله کرد.

 

 

چه چیزی ممکن است در نهایت جایگزین آن شود

 

باتری‌های-حالت جامد:الکترولیت مایع را با مواد جامد سرامیکی یا شیشه ای یا سولفیدی جایگزین کنید. مزایا: بدون نشتی، خطر آتش سوزی کمتر، شاید از آندهای فلزی لیتیوم برای چگالی انرژی بالاتر استفاده کنید.

QuantumScape، Solid Power، Toyota، Samsung - همه روی آن کار می‌کنند. QuantumScape ادعا می کند 800 Wh/kg در سلول های آزمایشگاهی با چرخه 800+. اگر درست باشد تاثیرگذار است.

مشکلات: مقاومت رابط بین الکترولیت جامد و الکترودها. حفظ تماس خوب در طول هزاران چرخه با گسترش/انقباض مواد دشوار است. بیشتر الکترولیت‌های جامد شکننده هستند - دندریت‌ها می‌توانند در آنها شکاف دهند. تولید در مقیاس کاملاً اثبات نشده است.

من شک دارم که قبل از سال 2030 شاهد این موضوع در خودروهای رایج باشیم. اگر کسی پیشرفتی داشته باشد، شاید سال 2028 باشد. اما احتمالا بعدا من در 10 سال گذشته شنیده ام "حالت جامد 5 سال دیگر است".

لیتیوم-گوگرد:چگالی انرژی نظری 2600 Wh/kg. گوگرد ارزان و فراوان است.

مشکل: اثر شاتل پلی سولفید. محصولات میانی در الکترولیت حل می شوند و باعث محو شدن سریع ظرفیت می شوند. بعد از 50 چرخه باتری برشته می شود.

این مشکل برای 20+ سال "تقریبا حل شده است". هنوز آنجا نیست.

یون سدیم-:در واقع الان اتفاق می افتد CATL تولید خود را در سال 2023 آغاز کرد. BYD در حال کار بر روی آن است.

سدیم در همه جا وجود دارد (آب دریا). بسیار ارزان تر از لیتیوم می تواند از تجهیزات ساخت مشابه استفاده کند.

اما چگالی انرژی کمتر است: 150-160 Wh/kg در مقابل 250-300 برای لیتیوم یون.

برای وسایل نقلیه الکتریکی مقرون به صرفه و ذخیره سازی ثابت منطقی است. به این زودی جایگزین یون لیتیوم{1}} در محصولات ممتاز نمی شود.

آندهای فلزی لیتیوم:به جای گرافیت از فلز لیتیوم استفاده کنید. الکترولیت مایع را نگه دارید. در سطح سلول می تواند به 400-500 وات ساعت بر کیلوگرم برسد.

مشکل دندریت همچنان ادامه دارد. هرکسی محلول‌های - پوشش‌ها، افزودنی‌های الکترولیت و غیره خود را دارد. ابتدا خواهیم دید چه کسی موفق می‌شود.

 

آه وباتری های لیتیوم پلیمریاحتمالاً - باید آنها را ذکر کند. آنها از ژل یا الکترولیت پلیمری جامد به جای مایع استفاده می کنند. شکل‌های نازک‌تر، سبک‌تر و انعطاف‌پذیرتر. هدفون های بی سیم شما احتمالاً یکی دارند. کمی ایمن تر از مایع است اما چگالی انرژی تقریباً یکسان است. این هنوز هم از فناوری یون لیتیوم{6}} استفاده می کند، فقط بسته بندی متفاوتی دارد. بخش های بازاریابی دوست دارند آنها را "LiPo" صدا بزنند، مثل اینکه این یک چیز انقلابی است. این نیست.