Eenvoudig reg? Behalwe dat niks oor hierdie batterye eintlik eenvoudig is sodra jy begin delf in die besonderhede nie, wat ek op die punt staan om te doen omdat ek myself nie kan help nie.
Maar hoekom litium? (Hier is waar ek irriterend raak)
Element nommer 3. Waterstof, helium, litium. Dit is die volgorde. Super klein atoom omdat dit net 3 protone het.
En hier is die ding oor litium - dit wil REGTIG van sy buitenste elektron ontslae raak. Soos bitter graag wil. Dit is soort van onstabiel op daardie manier. Ken jy daardie video's van mense wat natrium in water gooi en dit bruis en vlamvat? Litium doen dit maar MEER. Ek het een keer by 'n veiligheidsdemonstrasie in 2011 (of 2012?) gesien hoe iemand 'n stuk litiummetaal in 'n emmer water laat val en dit was eerlikwaar nogal skrikwekkend hoe vinnig dit gereageer het. Die emmer het gesmelt.
Wag nee, die emmer het nie gesmelt nie. Die water het gekook en die litium het op die oppervlak aan die brand geslaan. Die emmer was goed. My geheue is kak.
Die punt is in elk geval: suiwer litiummetaal is gevaarlik. Dit is hoekom moderne litium-ioonbatterye nie suiwer litiummetaal gebruik nie - hulle gebruik litium-IONE. Reeds geoksideerde litium. Die Li+ vorm. Baie meer stabiel.
Die spanning wat jy kry is ongeveer 3.6-3.7V per sel wat ordentlik is. Beter as alkalies (1.5V) of NiMH (1.2V). Beteken dat jy minder selle nodig het om jou teikenspanning te bereik. Dit is hoekom jou skootrekenaarbattery 6 selle het in plaas van soos 15.
Ook - en ek moes genoem het hierdie eerste - litium is LIG. Derde ligste element. So jy kry hoë energiedigtheid sonder kranksinnige gewig. Dit is hoekom EV's litium-ioon gebruik en nie loodsuur- nie. 'n Lood-suurbattery met dieselfde energie sal letterlik 5-6 keer meer weeg. Jou Tesla sal 'n vurkhyser nodig hê om die battery te verander.
Die werklike komponente (maak vas, dit word tegnies)
Anode (negatiewe kant):
Gewoonlik grafiet. Ja, dieselfde goed wat in potlode is, behalwe veel suiwerder en anders verwerk.
Grafiet het hierdie gelaagde kristalstruktuur - stel jou 'n pak kaarte voor op atoomvlak. Die lae word bymekaar gehou deur swak van der Waals kragte (hoërskool chemie kom terug om jou te spook). Litiumione kan tussen hierdie lae glip en net ... daar rondhang. Die tegniese term is "interkalasie", maar ek dink daaraan soos om motors in 'n multi-motorhuis te parkeer.
Teoretiese maksimum kapasiteit is 372 milliampere-ure per gram. Regte-wêreld kry jy 340-360 mAh/g as die vervaardiging nie suig nie. Ek het selle van sommige Chinese vervaardigers gesien wat skaars 310 mAh/g kon bereik. Gaan nie name noem nie maar as jy die letters herrangskik in "BYD" kry jy... okay ek noem name. Hulle vroeë selle was rof. Hulle het egter baie beter geword sedert 2018.
Nou praat almal aanhoudend van silikonanodes want silikon kan teoreties 10x meer litium as grafiet hou. Klink ongelooflik reg? 3700+ mAh/g teoretiese kapasiteit.
Die probleem - en dit is die probleem wat "amper opgelos" is sedert ek in hierdie bedryf begin het -, is dat silikon met ongeveer 300% uitbrei wanneer jy dit lithiateer. Die deeltjies kraak letterlik uitmekaar. Stel jou voor dat jy 'n ballon binne 'n betonblok opblaas. Die beton buig nie, dit breek net.
Tesla gebruik nou 'n bietjie silikon, gemeng met grafiet. Miskien 5-10% silikon? Ek het gehoor dit was 8% maar ek is dalk verkeerd. Punt is dit is 'n klein bedrag. Suiwer silikon-anodes is steeds nie gereed nie, ten spyte van wat elke opstart se reeks A-toonhoogte-dek beweer.
Katode (positiewe kant):
O seuntjie. Dit is waar dit morsig raak, want daar is so 6 verskillende katode-chemieë en almal het opinies oor watter een die beste is en hulle is almal verkeerd, want dit hang af van jou toepassing.
Die oorspronklike een van Sony in 1991 was litiumkobaltoksied - LiCoO₂. Ons noem dit kortliks "LCO". Energiedigtheid is redelik goed - 150-200 mAh/g, afhangend van wie dit gemaak het. Maar die termiese stabiliteit is verskriklik. As jy dit oorlaai of dit te warm kry, stel die kristalstruktuur suurstof vry. Suurstof + organiese elektroliet + hitte=slegte dag. Jou foon gebruik waarskynlik egter LCO, want fone hoef nie 10 jaar te hou nie en jy laai hulle nie vinnig-teen 10C nie.
Dan is daar NMC - nikkelmangaan-kobaltoksied. Dit is wat die meeste EV's nou gebruik. Die verhouding van nikkel tot mangaan tot kobalt bly verander. Begin as 1:1:1 (gelyke dele). Toe skuif vervaardigers na 5:3:2. Toe 6:2:2. Nou is ons by soos 8:1:1 of selfs 9:0.5:0.5 in sommige hoë-selle.
Hoekom die verskuiwing? Kobalt is duur. Soos regtig duur. Ook die meeste kobalt kom van die DRK (Demokratiese Republiek van die Kongo) en die mynbou situasie daar is ... ingewikkeld. Kinderarbeid, onveilige toestande, die hele gemors. So almal probeer minder kobalt gebruik.
Meer nikkel=meer kapasiteit maar minder termiese stabiliteit. Meer mangaan=goedkoper en meer stabiel maar minder kapasiteit. Meer kobalt=meer stabiel en beter sikluslewe maar $$$ en etiese kwessies.
Dit is altyd afruilings-. Altyd. Ek het al soveel argumente met produkbestuurders hieroor gehad. Hulle wil hoë energiedigtheid EN lang sikluslewe EN lae koste EN goeie veiligheid hê. Jy kan dalk twee kies. Miskien.
Daar is ook NCA - nikkelkobalt-aluminium. Tesla het dit jare lank in hul lang-pakkies gebruik. Panasonic het hulle by die Nevada gigafabriek gemaak. Ek het een keer 'n ander battery fabriek getoer - nie daardie een nie, maar 'n mededinger se fasiliteit - en die droë kamer alleen was kranksinnig. Die lughanteringstelsel het waarskynlik $50+ miljoen gekos. Alles moet onder -40 grade doupunt wees of die elektroliet sout absorbeer vog en skep fluoorsuur. HF sal deur enigiets eet. Glas, metaal, been. Nare dinge.
O en LFP - litium-ysterfosfaat. Hierdie een maak 'n terugkeer. Dit is veiliger, goedkoper per kWh en hou langer. Ek het gehoor van LFP-selle wat 5000+-siklusse tot 80% kapasiteit doen. Miskien selfs 6000. Die nadeel is laer energiedigtheid - net soos 120-140 mAh/g teenoor 180-200 vir NMC.
Tesla het omstreeks 2021 begin om LFP in hul Standard Range Model 3's te plaas. Die Chinese mark het hulle eerste gekry. Maak sin - CATL is die grootste LFP-vervaardiger en hulle is in China.
Sommige mense kla oor LFP-reeksverlies in koue weer. Dit is erger as NMC. Maar die selle is goedkoper en hou langer, so vir baie toepassings is dit die moeite werd om -af te ruil. Ek sal 'n LFP-pak vir 'n stadsmotor neem. Vir 'n langafstand-snelwegkruiser dalk nie.
Elektroliet:
Dit is die vloeistof in die middel. Dit gelei ione, maar nie elektrone nie, wat belangrik is, want as dit elektrone gelei het, sou jy net 'n kortsluiting hê.
Gewoonlik is dit litiumheksafluorofosfaat - LiPF₆ - opgelos in organiese oplosmiddels. Die oplosmiddels is tipies 'n mengsel van etileenkarbonaat (EC) en dimetielkarbonaat (DMC) of dietielkarbonaat (DEC).
Hier is 'n vreemde detail: EC is solied by kamertemperatuur. Smeltpunt is ongeveer 36 grade. So suiwer EC sou in die winter vries. Dis hoekom jy dit meng met DMC of DEC wat vloeibaar is tot so -70 grade of wat ook al. Die mengsel bly vloeibaar in redelike toestande.
Ook organiese karbonate is vlambaar. Nie petrol-vlak vlambaar nie, maar beslis vlambaar. Ek het eenkeer 'n spykerpenetrasietoets gesien waar ons doelbewus 'n spyker deur 'n volgelaaide sel geslaan het. Dit het gas eers geventileer - knalgeluid - toe skiet vlamme by die ventilasiegat uit. So 2 meter hoog bereik. Die hele sel het miskien 800 grade bereik, gebaseer op die termiese kamera-materiaal.
Dit was 'n beheerde toets met brandonderdrukking en alles. Tog skrikwekkend.
Die LiPF₆-sout is higroskopies soos die hel. Hou van water. As dit nat word, hidroliseer dit in HF. Dit is hoekom batteryvervaardiging in uiters droë kamers plaasvind. Ek praat doupunt van -40 grade of laer. Die ontvochtigingstelsel is gewoonlik een van die grootste energieverbruikers in 'n selfabriek.
Ek het een keer 'n fasiliteit besoek waar die droë kamer so droog was dat dit seer was om asem te haal. Jou neus sal binne minute uitdroog. Almal wat daar werk, moes voortdurend soutsproei gebruik. Nie 'n aangename werksomgewing nie.
Skei:
Die vergete komponent. Dit is net 'n dun polimeermembraan, maar dit is van kritieke belang.
Gewoonlik polipropileen (PP) of poliëtileen (PE). Soms 'n drielaag met PP-PE-PP. Dikte is tipies 20-25 mikron. Dis dun. Dunner as 'n menslike haar (70-100 mikron).
Dit het mikroskopiese porieë - soos 100 nanometer deursnee - wat ione deurlaat, maar elektrone blokkeer. Dit hou ook die anode en katode fisies geskei. As hulle aan=kortsluiting=raak gebeur slegte dinge vinnig.
Onthou die Samsung Galaxy Note 7 brande? 2016. Dit was deels weens skeierskade. Samsung het die battery te aggressief ontwerp. Te dun, te styf gepak, geen verdraagsaamheid vir uitsetting nie. Sommige selle het die skeier te hard in een hoek gedruk. Swak plek ontwikkel. Het uiteindelik 'n speldegat gekry. Interne kort. Termiese weghol. Vuur.
Hulle het 2,5 miljoen fone herroep. Uit vliegtuie verban. Gekos Samsung miljarde. Alles as gevolg van 'n stuk plastiek dunner as papier.
Ek het menings oor aggressiewe batteryontwerp. Vervaardigers hou aan om dunner en ligter te druk om die kompetisie te klop. Maar daar is 'n beperking. Fisika gee nie om oor jou produk bekendstellingskedule nie.
Hoe dit eintlik werk (die deel wat almal oorslaan)
Laai:
Jy prop jou foon in. Die laaier dwing elektrone in die anode in en trek hulle van die katode af. Dit laat die katode litiumione vrystel. Die ione beweeg deur die elektroliet na die anode. Hulle word in die grafietstruktuur geïntegreer.
Dink daaraan soos om 'n veer saam te druk. Die litiumione wil natuurlik nie in die anode wees nie - hulle is meer stabiel in die katode. Maar jy dwing hulle daarheen deur spanning toe te pas. Gestoorde energie.
Ontlaai:
Jy ontkoppel en gebruik jou foon. Die lente los. Litiumione vloei terug na die katode deur die elektroliet. Elektrone vloei deur jou foon se stroombaan van anode na katode. Daardie elektronvloei dryf jou toestel aan.
Die spanning hang af van die chemie en toestand van lading. Vir NMC of NCA:
Vol gelaai: ~4.2V
Nominaal: ~3,7V
Ten volle ontlaai: ~3.0V
Moenie onder 3.0V gaan nie of jy begin litiummetaal plateer wat gevaarlik is. Moenie bo 4.2V gaan nie, anders loop jy die risiko om termiese weghol. Dit is hoekom batterybestuurstelsels (BMS) bestaan. Hulle monitor spanning en temperatuur en stroom en skakel dinge af as iets verkeerd lyk.
Goeie BMS-ontwerp is moeilik. Regtig moeilik. Jy benodig vinnige reaksietye, akkurate sensors, oortollige veiligheidskontroles. 'n Goedkoop BMS is een van die vinnigste maniere om 'n ordentlike battery in 'n brandgevaar te omskep.
Die probleme (ag, daar is soveel probleme)
Probleem 1: Degradasie is onvermydelik
Elke laai-ontladingsiklus beskadig die battery. Onafwendbaar. Termodinamika.
Daar is hierdie ding wat die SEI-laag - soliede elektroliet-interfase - genoem word wat op die anode-oppervlak vorm. Dit is eintlik nodig vir die battery om te funksioneer. Maar dit bly groei met verloop van tyd en verbruik aktiewe litium. Na 500 siklusse het jy dalk 90% kapasiteit oor. Na 1000 miskien 80%. Na 2000... hang af.
Ek het 'n MacBook van 2015 wat steeds 78% batterygesondheid toon. Ek baba dit alhoewel - dit selde onder 40% laat gaan, hou dit ingeprop wanneer moontlik, laai dit nooit in 'n warm motor nie. My vrou het 'n 2018 MacBook wat op 62% gesondheid is omdat sy dit hard hardloop. Vol siklusse daagliks, laat dit oornag laai, gebruik dit op haar skoot terwyl dit warm is. Hoe jy die battery behandel maak BAIE saak.
Die katode degradeer ook. Hoë-nikkel NMC is veral sleg. Bo 4.3V begin die katode-oppervlak met elektroliet reageer. Oorgangsmetaalione (nikkel, mangaan, kobalt) kan oplos en migreer na die anode waar hulle die SEI mors. Daar is ook hierdie ding wat katode verdigting genoem word, waar die kristalstruktuur stadig verdig en porositeit verloor.
Kan dit nie regtig verhoed nie. Dit is net chemie. Entropie wen altyd.
Probleem 2: Temperatuur vernietig alles
Onder 0 grade word die elektroliet viskeus soos koue heuning. Ioonvervoer vertraag. Jy verloor miskien 20-30% kapasiteit by -10 grade. Nog erger, as jy probeer om 'n koue battery vinnig te laai, sal jy metaallitium op die anode plaas in plaas daarvan om dit te interkaleer. Dit skep dendriete - naaldagtige strukture van litiummetaal wat kan groei en uiteindelik die skeier deurboor. Interne kort. Vuur.
Bo 40-45 grade versnel al die afbraakreaksies. Duimreël: elke 10 grade toename verdubbel die reaksietempo. So 'n battery by 45 grade degradeer ongeveer 4x vinniger as by 25 grade.
Ek woon in Texas. Somertemperature het 100 grade F+ (38 grade +) bereik. Ek het EV-batterye gesien wat 15% kapasiteit in 3 jaar verloor het net van hitte blootstelling. Intussen degradeer EV's in Minnesota skaars in die somer - maar verloor reikafstand in die winter as gevolg van die koue. Kan nie wen nie.
Die ideale werkstemperatuur is so 20-25 grade. Sterkte om dit in die regte wêreld te handhaaf.
Probleem 3: Vinnige laai is inherent problematies
Almal wil 10-minute EV-laai hê soos 'n vulstasie. Maar om massiewe krag deur 'n battery te druk, genereer hitte. I²R verliese - stroom kwadraat maal weerstand. Die weerstand is klein, maar nie nul nie. Met 250 kW laai genereer jy aansienlike hitte.
Ook vinnige laai stres die elektrodemateriaal meganies. Dwing ione om vinnig deur die struktuur te beweeg. Kan mettertyd krake en partikelbreuk veroorsaak.
Tesla Superchargers (V3) kan 250 kW piek doen. Maar hulle verminder vinnig. Miskien 250kW vir 5 minute, dan 150kW, dan 100kW, dan 50kW. Dit is die BMS wat die selle beskerm.
Nuwer 800V-stelsels van Porsche en Hyundai kan 350kW doen. Maar net kortliks. Fisika is fisika.
Daar is navorsing oor vinnige-laai-geoptimaliseerde elektrode-ontwerpe. Dunner elektrodes, kleiner deeltjies, beter bedekkings. Dit help. Maar jy kan nie termodinamika verneuk nie.
Probleem 4: Vuur
Litium-ioonbatterye slaan nie gereeld aan die brand nie. Baie minder as petrolmotors. Maar wanneer hulle dit doen, is dit dramaties.
Termiese weghol. Sodra 'n sel 'n kritieke temperatuur bereik - wissel volgens chemie, miskien 150-200 grade - eksotermiese reaksies begin. SEI ontbind. Separator smelt. Elektroliet kook. Katode stel suurstof vry. Elke reaksie produseer hitte wat meer reaksies veroorsaak. Positiewe terugvoerlus.
Jy kan dit nie soos 'n gewone vuur met water blus nie. Ek bedoel jy kan water daarop gooi om dit af te koel, maar die sel genereer aanhou hitte intern. Brandweerdepartemente haat EV-brande. Neem ure om uit te sit. Kan later weer opvlam.
Moderne selle het egter veiligheidskenmerke. Afskakelskeiers wat toemaak wanneer dit verhit word. Druk vents. Huidige onderbrekings. Termiese versmeltings. Plus die BMS kyk alles.
Gebeur egter nog soms. Maak elke keer die nuus al is EV's statisties veiliger as petrolmotors. PR probleem.
Probleem 5: Kobalt-etiek
70% van kobalt kom van DRK. Baie daarvan van ambagsmyne met slegte werksomstandighede. Kinderarbeid verslae. Omgewingsskade. Dit is 'n gemors.
Almal probeer minder kobalt gebruik. Hoë-nikkel NMC gebruik baie min. LFP gebruik nul. Maar kobalt stabiliseer wel die katodestruktuur. Daarsonder het jy beter termiese bestuur en strenger spanningsbeperkings nodig.
Kobaltpryse is ook waansinnig. Minder as $30k/ton in 2016. Toegeneem tot $90k+ in 2018. Het in 2020 tot $25k neergestort. Nou ongeveer $35k/ton. Hoe beplan jy produksie wanneer jou grondstofkoste 3x fluktueer?
Probleem 6: Voorsieningskettingchaos
Litiumpryse het in 2021-2022 absoluut mal geraak. $6 000/ton in 2020. Het 'n hoogtepunt bereik teen $80 000/ton aan die einde van 2022. Het in 2024 tot $12 000/ton ineengestort. Nou ongeveer $15 000/ton in 2025.
Die meeste litium kom van Australië (harde rotsmynbou) of Suid-Amerika (pekelontginning uit soutvlaktes in Chili/Argentinië/Bolivia - die "litiumdriehoek"). Maar die meeste verwerking vind in China plaas. Soos 75% van die wêreldwye litiumraffineringskapasiteit.
China beheer ook batteryvervaardiging - 75% van wêreldwye selproduksie. En 90% van anode materiaal (grafiet verwerking).
Dit is hoekom die VSA en Europa sukkel om binnelandse voorsieningskettings te bou. Maar dit is stadig. Dit neem jare om 'n gigafabriek te bou. Neem langer om die stroomop voorsieningsketting te bou.
Battery-graad litium moet ultrasuiwer wees. Minder as 0,01% onsuiwerhede. Daardie vlak van verfyning is nie goedkoop of vinnig nie.
Hoekom is ons vas met litium-ioon (vir nou)
Ten spyte van alles waaroor ek sopas gekla het, is litium-ioon steeds die beste opsie op kommersiële skaal.
Energiedigtheid: 250-300 Wh/kg op selvlak. Miskien 160-180 Wh/kg op pakvlak na toevoeging van verkoeling en struktuur en BMS. Dit is genoeg vir 300+ myl EV's sonder belaglike gewig.
Vergelyk:
Lood-suur: 30-50 Wh/kg (soos swaar)
NiMH: 60-120 Wh/kg (wat Prius gebruik het)
NiCd: 40-60 Wh/kg (ook giftig, meestal uitgefaseer)
Vervaardiging is volwasse. Tientalle verskaffers. Veelvuldige gigafabrieke. Gevestigde voorsieningskettings. Ekonomie van skaal.
Tesla se Nevada gigafabriek mik op 35 GWh/jaar. Dit is genoeg vir 500k+ EV's. CATL in China doen selfs meer - Ek dink 200+ GWh/jaar? Miskien 300? Ek sal moet kyk.
Al die infrastruktuur neem ook litium-ioon aan. Laaistandaarde (CCS, NACS, CHAdeMO). BMS algoritmes. Veiligheidsregulasies. Herwinningsprosesse. Kan nie net 'n ander chemie inruil sonder om alles te herontwerp nie.
Wat kan dit uiteindelik vervang
Vaste-batterye:Vervang vloeibare elektroliet met soliede keramiek of glas of sulfied materiaal. Voordele: geen lekkasie, minder brandrisiko, gebruik dalk litiummetaalanodes vir hoër energiedigtheid.
QuantumScape, Solid Power, Toyota, Samsung - almal werk daaraan. QuantumScape eis 800 Wh/kg in laboratoriumselle met 800+ siklusse. Indrukwekkend as dit waar is.
Probleme: Interface weerstand tussen soliede elektroliet en elektrodes. Moeilik om goeie kontak te behou oor duisende siklusse soos materiaal uitbrei/saamtrek. Die meeste vaste elektroliete is bros - dendriete kan daardeur kraak. Vervaardiging op skaal is heeltemal onbewese.
Ek is skepties dat ons dit voor 2030 in hoofstroommotors sal sien. Miskien 2028 as iemand 'n deurbraak het. Maar waarskynlik later. Ek het die afgelope 10 jaar gehoor "soliede-toestand is 5 jaar weg".
Litium-swael:Teoretiese energiedigtheid van 2600 Wh/kg. Swael is goedkoop en volop.
Probleem: polisulfied-pendel-effek. Tussenprodukte los in elektroliet op wat vinnige kapasiteitsvervaag veroorsaak. Na 50 siklusse is die battery roosterbrood.
Dit is vir 20+ jaar "amper opgelos". Steeds nie daar nie.
Natrium-ioon:Eintlik gebeur nou. CATL het in 2023 met produksie begin. BYD werk daaraan.
Natrium is oral (seewater). Baie goedkoper as litium. Kan soortgelyke vervaardigingstoerusting gebruik.
Maar energiedigtheid is laer: 150-160 Wh/kg teenoor 250-300 vir litiumioon.
Maak sin vir stilstaande berging en begroting EV's. Vervang nie binnekort litium-ioon in premium produkte nie.
Litium metaal anodes:Gebruik litiummetaal in plaas van grafiet. Hou vloeibare elektroliet. Kan 400-500 Wh/kg op selvlak bereik.
Dendrietprobleem duur voort. Almal het hul eie oplossing - coatings, elektroliet bymiddels, ens. Ons sal sien wie eerste slaag.
O enlitium polimeer batterye- moet hulle waarskynlik noem. Hulle gebruik gel of soliede polimeer elektroliet in plaas van vloeistof. Dunner, ligter, meer buigsame vorms. Jou draadlose oordopjes het waarskynlik een. Effens veiliger as vloeistof, maar energiedigtheid is omtrent dieselfde. Dit is steeds litium-ioontegnologie, net anders verpak. Bemarkingsafdelings hou daarvan om hulle "LiPo" te noem asof dit een of ander revolusionêre ding is. Dit is nie.
