Vývoj chemie baterií je vždy cvičením, které vyžaduje dělat ústupky. Neexistuje žádná chemie baterií, která by byla nejlepší v každé oblasti, abychom měli dobře vyváženou baterii, musíme dělat kompromisy ohledně hustoty energie, hustoty výkonu, bezpečnosti, životnosti cyklu a nákladů.
V tomto dlouhém článku uvidíme, kam se ubírá technologie baterií se zaměřením na vývoj NCM katod. Anody a elektrolyty nechám na jindy.
Začněme srovnáním některých oblíbených chemických látek v bateriích pro elektrická vozidla. Sazby se pohybují od 1 (nejhorší) do 5 (nejlepší).
Aody
Oxid titaničitan lithný ( LTO )
Katody
Ferofosforečnan lithný ( LFP )
Lithium Nikl Kobalt Mangan (NCM 333 nebo 111)
Lithium Nikl Kobalt Mangan (NCM 523)
Lithium Nikl Kobalt Mangan (NCM 622)
Lithium Nikl Kobalt Mangan (NCM 811)
Lithium Nikl Kobalt Hliník ( NCA )
Chemie LTO a LFP se používají pouze při požadavku na opravdu rychlé nabíjení (5-10 C), například v elektrobusech. Zatímco NCA používá Tesla, téměř každý výrobce automobilů používá baterie s katodami NCM.
Je všeobecně známo, že hlavními překážkami pro přijetí elektromobilů jsou cena a dojezd. Nedávná vylepšení katod NCM se proto zaměřila na zvýšení hustoty energie a snížení nákladů na úkor snížení hustoty výkonu, životnosti cyklu a bezpečnosti. Vyšší kapacity baterií však snižují problém nižší hustoty výkonu a špatné životnosti cyklu. Pokud jde o méně bezpečné bateriové články, vyžadují více ochrany BMS (Battery Management System) a TMS (Thermal Management System), ale nejsou ve skutečnosti nebezpečné.
Obecný vzorec používaný ke snížení nákladů a zároveň ke zvýšení energetické hustoty článků NCM baterií byl snížit obsah kobaltu v katodě jeho nahrazením větším množstvím niklu. Přidání křemíku do grafitových anod také pomáhá zvýšit hustotu energie na úkor zkrácení životnosti. Pamatujte, že je to vždy kompromis…
Tento rok je ve znamení zavedení baterií NCM 811 do sériově vyráběných elektromobilů. Čínská společnost CATL závod vyhrála a byla prvním výrobcem, který vložil bateriové články NCM 811 do sériově vyráběného elektromobilu, který je již dodáván zákazníkům – NIO ES6. Nicméně další sledují.
BYD je dalším čínským výrobcem bateriových článků, který pro letošní rok oznámil baterie NCM 811. Zatímco Envision AESC si klade za cíl zahájit výrobu bateriových článků NCM 811 v roce 2020.
Pokud jde o korejské výrobce bateriových článků, odložili to, co slíbili přede všemi ostatními. SK Innovation nyní očekává, že začátkem příštího roku představí své vlastní bateriové články NCM 811 pro elektromobily v plném měřítku, zatímco LG Chem vsadí na katody NCM 712 pro pouzdrové články. Samsung SDI je daleko pozadu a očekává pouze zahájení výroby bateriových článků NCM 811 v roce 2021.
Je jasné, že akumulátorové články NCM 811 jsou současností a blízkou budoucností elektromobilů. Mají velkou energetickou hustotu a nízkou cenu, což umožňuje delší dojezd a levnější elektromobily. Nicméně už mají připravovaného nástupce…
Společnost SK Innovation oznámila, že její bateriové články NCM 811 – které dorazí začátkem příštího roku v plném měřítku – dávají elektromobilům dojezd 600 km, ale je to v roce 2022, kdy dojezd již nebude problém díky zavedení Bateriové články NCM 90 (NCM 9.5.5).
Katody NCM 90 (NCM 9.5.5) dále snižují potřebu kobaltu, který je vzácný a drahý.
Nyní se podívejme za humbuk a podívejme se, kde se tento vývoj technologie baterií aktuálně nachází.
Cyklický výkon katod NCM pomocí kovové anody Li
Výše uvedené grafy nám ukazují životnost různých NCM katod při velmi vysokém nabíjecím napětí. Nelekejte se zjevně vysoké degradace buněk. Očekává se u tak vysokých nabíjecích napětí, tedy napětí, které obvykle vidíme na bateriích smartphonů.
Naštěstí mají elektromobily své bateriové články lépe chráněné a omezené na nižší nabíjecí napětí. Například bateriové články Nissanu LEAF jsou omezeny na maximální nabíjecí napětí 4,2 V. Ostatní elektromobily mají limity ještě nižší, aby se snížila degradace baterie.
Nyní zpět k grafům.
Autoři uvádějí, že „NCM-622 (4,5 V) a NCM-811 (4,3 V) vykazovaly podobnou počáteční vybíjecí kapacitu 200 mAh g-1 při 0,5 C se zachováním kapacity 93 % po 100 cyklech. Katoda NCM 622 měla navíc vyšší strukturální stabilitu.
I když je však katoda NCM 622 bezpečnější a když je katoda omezena na 4,5 V, má životnost cyklu a kapacitu podobnou katodě NCM 811 při omezení na 4,3 V, není snadné ji použít pro elektromobily. ke snížení nákladů tím, že vyžaduje méně kobaltu. Pamatujte, že v technologii baterií jsou vždy kompromisy a nyní je cílem snížit náklady, aby se umožnila masifikace elektromobilů.
Nyní, pokud jde o katodu NCM 90, věci vypadají dobře, ale možná ještě není připravena nahradit katodu NCM 811.
Katoda NCM 90 si při cyklování mezi 2,7 a 4,3 V při 0,5 C zachovává 90 % své původní kapacity baterie po 100 cyklech. Proto by nový elektromobil s dojezdem 600 km měl za těchto podmínek dojezd 540 km po 57 000 km [(600 + 540) / 2 x 100)]. Dobrou zprávou je, že v těchto extrémních podmínkách nedochází k cyklování žádné baterie elektromobilu. Jsou mnohem lépe chráněni.
Chtěl bych vidět, jak se katoda NCM 90 chová při cyklování mezi 2,8 a 4,1 V, je rozumné očekávat, že životnost cyklu je mnohem lepší než pouze 90% zachování kapacity po 100 cyklech. Musí být dostatečně dobrá, aby umožňovala standardní záruku na baterii, která u většiny elektromobilů zaručuje minimální kapacitu 70 % po dobu osmi let nebo 160 000 km (100 000 mil).
Dokud nebudeme mít baterie zcela bez kobaltu, budou katody NCM 90 nezbytným krokem vpřed, který umožní masifikaci elektromobilů.
Každopádně SK Innovation byl prvním výrobcem bateriových článků, který oznámil bateriové články NCM 90, ale pochybuji, že bude první, kdo je vyrobí. Myslím, že to bude pravděpodobně buď CATL nebo BYD.
Tento článek byl možný pouze díky Sci-Hubu. „Sci-Hub je projekt na osvobození znalostí“, který každému umožňuje přístup k výzkumným článkům, které jsou obvykle uvězněny za paywally. Sci-Hub je demokratizace vědy.
Děkujeme Emanuele za upozornění.
