Литий-ионные батареи для электромобилей: что можно улучшить?
| Jerry Huang
Существует два основных типа литиевых батарей: литий-ионные и литий-металлические. На сегодняшний день для электромобилей используются следующие литий-ионные батареи: LFP (LiFePO4), NCM (LiNiMnCoO2), NCA, LCO (LiCoO2), LNO (LiNiO2), LMO (LiMn2O4, Li2MnO3) и LTO.
Литий-металлические батареи были впервые изобретены М.С. Уиттингемом в 1970 году, однако этот устаревший тип литий-металлических батарей обычно не перезаряжаемый. В то же время, новая перезаряжаемая литий-металлическая батарея, разработанная компанией SolidEnergy Systems, обладающая такими преимуществами, как малый вес, вдвое большая плотность энергии по сравнению с существующими литий-ионными батареями, длительный срок службы, разумная стоимость и беспрецедентная безопасность, получила широкое распространение. Есть надежда, что это станет следующим поколением литиевых батарей.
Цитата из Википедии: Литий-ионный аккумулятор, или Li-ion батарея (LIB), — это тип перезаряжаемой батареи. Литий-ионные батареи широко используются в портативной электронике и электромобилях и приобретают все большую популярность в военной и аэрокосмической отраслях. Прототип литий-ионной батареи был разработан Акирой Йошино в 1985 году на основе более ранних исследований Джона Гуденафа, Стэнли Уиттингема, Рашида Ядзами и Коичи Мидзусимы в 1970-х–1980-х годах, а затем коммерческая литий-ионная батарея была разработана командой Sony и Asahi Kasei под руководством Йошио Ниши в 1991 году.
Химический состав, характеристики производительности, стоимость и безопасность различаются в зависимости от типа литий-ионных аккумуляторов. В портативной электронике в основном используются литий-полимерные батареи (с полимерным гелем в качестве электролита) с оксидом лития-кобальта (LiCoO2) в качестве катодного материала, которые обеспечивают высокую плотность энергии, но представляют опасность, особенно при повреждении. Литий-железо-фосфатные (LiFePO4), литий-ионные марганцево-оксидные батареи (LiMn2O4, Li2MnO3 или LMO) и литий-никель-марганцево-кобальтовые оксидные (LiNiMnCoO2 или NMC) обладают более низкой плотностью энергии, но более длительным сроком службы и меньшей вероятностью возгорания или взрыва. Такие батареи широко используются в электроинструментах, медицинском оборудовании и других областях. NMC и его производные широко используются в электромобилях.
Области исследований литий-ионных батарей включают в себя увеличение срока службы, повышение плотности энергии, улучшение безопасности, снижение стоимости и увеличение скорости зарядки, среди прочего. Ведутся исследования в области негорючих электролитов как пути к повышению безопасности, учитывая воспламеняемость и летучесть органических растворителей, используемых в типичных электролитах. К таким стратегиям относятся водные литий-ионные батареи, керамические твердые электролиты, полимерные электролиты, ионные жидкости и системы с высоким содержанием фтора. (Википедия, цит.)
Основными литий-ионными батареями для электромобилей являются NCA и NCM, а LFP-батареи в 2020 году были второстепенным вариантом на мировом рынке. Плотность энергии отдельной ячейки LFP обычно составляет около 110 Вт·ч/кг, лишь немногие достигают 190 Вт·ч/кг; на практике плотность энергии отдельной ячейки NCM может достигать 200 Вт·ч/кг, и, будем надеяться, в скором времени она может составить 300 Вт·ч/кг; а для батарей NCA она уже сегодня составляет около 300 Вт·ч/кг. Tesla сегодня использует в своей глобальной цепочке поставок в основном батареи NCA от Panasonic и LG Chem, а также батареи NCM и LFP от CATL.
Литий-железо-фосфатный аккумулятор (LFP) имеет преимущество в виде низкой стоимости и гораздо лучших характеристик безопасности по сравнению с аккумуляторами на основе нанокомпозитов (NCA/NCM), в то время как его сравнительно низкая плотность энергии является явным недостатком.
Для сравнения батарей NCA и NCM исследования и рыночное применение показали, что литиевые батареи NCA дешевле, содержат меньше кобальта, имеют гораздо больший срок службы и гораздо меньшую деградацию, чем литиевые батареи NCM, хотя срок службы NCA меньше, чем у батарей NCM. Некоторые батареи NCA используются в системах хранения солнечной энергии в космосе и имеют срок службы до двадцати лет! Недостатком батарей NCA является их фактор безопасности: пока они не так безопасны, как NCM и LFP, в условиях высоких температур. Однако исследователи считают, что в ближайшем будущем NCA станут предпочтительным выбором для электромобилей по мере улучшения их безопасности и производства.
Примечание: В качестве основных солей лития моногидрат гидроксида лития, карбонат лития (часто используемый в катодных материалах литий-ионных аккумуляторов) и хлорид лития могут быть преобразованы в различные соединения лития, такие как LiPF6, LiFSI, LiTFSI и LiBF4, используемые в качестве электролитов, или металлический литий для анодов при производстве литий-ионных аккумуляторов. Найти соли лития Poworks можно здесь .