昨天，今天，明天的电动汽车：第3部分
术语“锂离子电池”隐藏了各种各样的技术。
有一件事是肯定的——只要锂离子电化学在这方面保持不变。 没有其他电化学储能技术可以与锂离子竞争。 然而，重点在于正极、负极和电解液采用不同材料的不同设计，在耐久性（电动汽车允许剩余容量的充放电循环次数）方面各有不同的优势80%)、比功率 kWh/kg、价格 euro/kg 或功率功率比。
时光倒流
进行所谓的电化学过程的可能性。 锂离子电池来自锂质子和电子在充电过程中与阴极锂结的分离。 锂原子很容易捐出其三个电子之一，但出于同样的原因，它具有很高的反应性，必须与空气和水隔离。 在电压源中，电子开始沿着它们的电路移动，离子被引导到碳锂阳极，并通过膜连接到它。 在放电过程中，反向运动发生——离子返回阴极，而电子又通过外部电负载。 然而，快速大电流充电和完全放电会导致形成新的耐用连接，从而降低甚至停止电池的功能。 使用锂作为粒子供体背后的想法源于这样一个事实，即它是最轻的金属，并且可以在适当的条件下轻松释放质子和电子。 然而，由于纯锂的高挥发性、与空气结合的能力以及安全原因，科学家们正在迅速放弃使用纯锂。
第一个锂离子电池是由Michael Whittingham在1970年代发明的，他使用纯锂和硫化钛作为电极。 这种电化学不再使用，但实际上为锂离子电池奠定了基础。 在1970年代，Samar Basu展示了从石墨吸收锂离子的能力，但是由于那段时间的经验，电池在充电和放电过程中迅速自毁。 从1980年代开始进行密集开发，以找到适用于电池正极和负极的锂化合物，真正的突破发生在1991年。
NCA，NCM锂电池……这实际上是什么意思？
在 1991 年对各种锂化合物进行试验后，科学家们的努力获得了成功——索尼开始大规模生产锂离子电池。 目前，此类电池的输出功率和能量密度最高，最重要的是具有巨大的发展潜力。 根据电池要求，公司正在转向各种锂化合物作为阴极材料。 这些是钴酸锂 (LCO)、镍、钴和铝 (NCA) 或镍、钴和锰 (NCM) 的化合物、磷酸铁锂 (LFP)、锂锰尖晶石 (LMS)、锂钛氧化物 (LTO)和别的。 电解质是锂盐和有机溶剂的混合物，对锂离子的“流动性”尤为重要，而负责通过锂离子渗透防止短路的隔膜通常是聚乙烯或聚丙烯。
输出功率，容量或两者
电池最重要的特性是比能量，可靠性和安全性。 当前生产的电池涵盖了这些质量的广泛范围，并且取决于所使用的材料，其比能量范围为100至265 W / kg（能量密度为400至700 W / l）。 在这方面，最好的是NCA电池，最差的LFP。 但是，材料是硬币的一面。 为了增加比能和能量密度，各种纳米结构用于吸收更多的材料并提供更高的离子通量电导率。 大量离子“存储”在稳定的化合物中，电导率是更快充电的先决条件，并且朝着这些方向发展。 同时，电池的设计应根据驱动器的类型提供必要的功率容量比。 例如，出于显而易见的原因，插电式混合动力汽车必须具有更高的功率容量比。 当今的发展集中在NCA型（带阴极和石墨阳极的LiNiCoAlO2）和NMC 811（带阴极和石墨阳极的LiNiMnCoO2）上。 前者包含（锂之外）约80％的镍，15％的钴和5％的铝，并且具有200-250 W / kg的比能，这意味着它们对关键钴的使用相对有限，使用寿命长达1500个循环。 这种电池将由特斯拉在内华达州的Gigafactory生产。 当工厂达到计划的满负荷生产能力时（根据情况在2020年或2021年），该工厂将生产35 GWh的电池，足以容纳500辆汽车。 这将进一步降低电池成本。
NMC 811 电池的比能量略低（140-200W/kg），但寿命更长，达到 2000 个完整循环，并且含有 80% 的镍、10% 的锰和 10% 的钴。 目前，所有电池制造商都使用这两种类型中的一种。 唯一的例外是生产磷酸铁锂电池的中国公司比亚迪。 配备它们的汽车较重，但不需要钴。 NCA电池是电动汽车的首选，NMC是插电式混合动力汽车的首选，因为它们在能量密度和功率密度方面各自具有优势。 例如功率/容量比为 2,8 的电动 e-Golf 和功率/容量比为 8,5 的插电式混合动力 Golf GTE。 以降低价格的名义，大众打算对所有类型的电池使用相同的电池。 还有一件事 - 电池容量越大，完全放电和充电的次数越少，这会增加其使用寿命，因此 - 电池越大越好。 第二个问题涉及混合动力车。
市场走向
目前，交通用电池的需求量已经超过了电子产品的需求量。 预计到 2020 年，全球每年将售出 1,5 万辆电动汽车，这将有助于降低电池成本。 2010年，1千瓦时锂离子电池的价格约为900欧元，现在不到200欧元。 整个电池成本的 25% 用于阴极，8% 用于阳极、隔膜和电解液，16% 用于所有其他电池单元，35% 用于电池整体设计。 换句话说，锂离子电池占电池成本的 65%。 当 Gigafactory 2020 投入使用时，预计 1 年特斯拉 NCA 电池的价格约为 300 欧元/千瓦时，该价格包括成品以及一些平均增值税和保修。 仍然是一个相当高的价格，随着时间的推移会继续下降。
锂的主要储量位于阿根廷，玻利维亚，智利，中国，美国，澳大利亚，加拿大，俄罗斯，刚果和塞尔维亚，目前绝大多数是从干燥的湖泊中提取的。 随着电池数量的增加，从旧电池回收的材料的市场将会增加。 但是，更重要的是钴的问题，尽管它大量存在，但在生产镍和铜时作为副产品开采。 尽管土壤中的浓度较低，但钴是在刚果（拥有最大的可利用储量）开采的，但其开采条件对道德，道德和环境保护构成了挑战。
先进的技术
应该记住的是，事实上，在不久的将来被采用的技术并不是根本上是新的，而是锂离子的选择。 例如，是固态电池，其中使用固态电解质（或锂聚合物电池中的凝胶）代替液体。 该解决方案提供了更稳定的电极设计，这在分别以高电流充电时会破坏其完整性。 高温高负荷。 这会增加充电电流，电极密度和电容。 固态电池仍处于发展的早期阶段，直到十年中期才有可能大规模生产。
在 2017 年阿姆斯特丹 BMW 创新技术大赛中屡获殊荣的初创企业之一是一家电池供电公司，其硅阳极提高了能量密度。 工程师们正在研究各种纳米技术，为阳极和阴极材料提供更高的密度和强度，一种解决方案是使用石墨烯。 这些具有单原子厚度和六边形原子结构的微观石墨层是最有前途的材料之一。 电池制造商三星 SDI 开发的“石墨烯球”，集成到正极和负极结构中，提供更高的材料强度、渗透性和密度，并相应增加约 45% 的容量和 XNUMX 倍的充电时间。这些技术可以接收来自Formula E汽车的最强脉冲，这可能是第一个配备这种电池的。
此阶段的玩家
作为一级和二级供应商（即电芯和电池组制造商）的主要参与者是日本（松下、索尼、GS Yuasa 和日立汽车能源）、韩国（LG 化学、三星、Kokam 和 SK Innovation）、中国（比亚迪公司） . 、ATL 和力神）和美国（特斯拉、江森自控、A123 Systems、EnerDel 和 Valence Technology）。 目前手机的主要供应商是LG化学、松下、三星SDI（韩国）、AESC（日本）、比亚迪（中国）和宁德时代（中国），占有三分之二的市场份额。 现阶段在欧洲，反对他们的只有德国的BMZ集团和瑞典的Northvolth。 随着 2020 年特斯拉超级工厂的启动，这一比例将发生变化——这家美国公司将占全球锂离子电池产量的 30%。 戴姆勒和宝马等公司已经与其中一些公司签订了合同，例如正在欧洲建设工厂的CATL。
