इलेक्ट्रिक कार कल, आज, कल: भाग 3

"लिथियम-आयन बैटरी" शब्द विभिन्न प्रकार की प्रौद्योगिकियों को छुपाता है।

एक बात सुनिश्चित है - जब तक लिथियम-आयन इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री इस संबंध में अपरिवर्तित रहती है। कोई अन्य इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा भंडारण तकनीक लिथियम-आयन के साथ प्रतिस्पर्धा नहीं कर सकती है। हालाँकि, मुद्दा यह है कि अलग-अलग डिज़ाइन हैं जो कैथोड, एनोड और इलेक्ट्रोलाइट के लिए अलग-अलग सामग्रियों का उपयोग करते हैं, जिनमें से प्रत्येक के स्थायित्व के संदर्भ में अलग-अलग फायदे हैं (इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए स्वीकार्य अवशिष्ट क्षमता तक चार्ज और डिस्चार्ज चक्र की संख्या) 80% की, विशिष्ट शक्ति kWh/kg, कीमत यूरो/kg या बिजली से बिजली अनुपात।

समय पर वापस

तथाकथित में विद्युत रासायनिक प्रक्रियाओं को करने की संभावना। लिथियम-आयन कोशिकाएं चार्जिंग के दौरान कैथोड पर लिथियम जंक्शन से लिथियम प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों के पृथक्करण से आती हैं। लिथियम परमाणु आसानी से अपने तीन इलेक्ट्रॉनों में से एक का दान करता है, लेकिन उसी कारण से यह अत्यधिक प्रतिक्रियाशील होता है और इसे हवा और पानी से अलग किया जाना चाहिए। वोल्टेज स्रोत में, इलेक्ट्रॉन अपने सर्किट के साथ चलना शुरू करते हैं, और आयनों को कार्बन-लिथियम एनोड की ओर निर्देशित किया जाता है और झिल्ली से गुजरते हुए, इससे जुड़े होते हैं। डिस्चार्ज के दौरान, रिवर्स मूवमेंट होता है - आयन कैथोड में लौट आते हैं, और इलेक्ट्रॉन, बदले में, बाहरी विद्युत भार से गुजरते हैं। हालांकि, तेजी से उच्च-वर्तमान चार्जिंग और पूर्ण निर्वहन के परिणामस्वरूप नए टिकाऊ कनेक्शन बनते हैं, जो बैटरी के कार्य को कम या बंद कर देता है। कण दाता के रूप में लिथियम का उपयोग करने के पीछे का विचार इस तथ्य से उपजा है कि यह सबसे हल्की धातु है और आसानी से प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों को सही परिस्थितियों में छोड़ सकती है। हालांकि, वैज्ञानिक इसकी उच्च अस्थिरता, इसकी हवा के साथ बंधन की क्षमता और सुरक्षा कारणों से शुद्ध लिथियम के उपयोग को तेजी से छोड़ रहे हैं।

पहली लिथियम-आयन बैटरी 1970 के दशक में माइकल व्हिटिंगम द्वारा बनाई गई थी, जिन्होंने इलेक्ट्रोड के रूप में शुद्ध लिथियम और टाइटेनियम सल्फाइड का उपयोग किया था। इस इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री का अब उपयोग नहीं किया जाता है, लेकिन वास्तव में यह लिथियम-आयन बैटरी की नींव रखता है। 1970 के दशक में, समर बसु ने ग्रेफाइट से लिथियम आयनों को अवशोषित करने की क्षमता का प्रदर्शन किया, लेकिन उस समय के अनुभव के कारण, चार्ज और डिस्चार्ज होने पर बैटरी जल्दी से स्वयं नष्ट हो जाती है। 1980 के दशक में, बैटरियों के कैथोड और एनोड के लिए उपयुक्त लिथियम यौगिकों को खोजने के लिए गहन विकास शुरू हुआ और वास्तविक सफलता 1991 में मिली।

एनसीए, एनसीएम लिथियम सेल... इसका वास्तव में क्या मतलब है?

1991 में विभिन्न लिथियम यौगिकों के प्रयोग के बाद, वैज्ञानिकों के प्रयासों को सफलता मिली - सोनी ने लिथियम-आयन बैटरी का बड़े पैमाने पर उत्पादन शुरू किया। वर्तमान में, इस प्रकार की बैटरियों में उच्चतम उत्पादन शक्ति और ऊर्जा घनत्व है, और सबसे महत्वपूर्ण, विकास की एक महत्वपूर्ण क्षमता है। बैटरी आवश्यकताओं के आधार पर, कंपनियां विभिन्न लिथियम यौगिकों को कैथोड सामग्री के रूप में बदल रही हैं। ये लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LCO), निकल, कोबाल्ट और एल्यूमीनियम (NCA) या निकल, कोबाल्ट और मैंगनीज (NCM), लिथियम आयरन फॉस्फेट (LFP), लिथियम मैंगनीज स्पिनेल (LMS), लिथियम टाइटेनियम ऑक्साइड (LTO) के साथ यौगिक हैं। और दूसरे। इलेक्ट्रोलाइट लिथियम लवण और कार्बनिक सॉल्वैंट्स का मिश्रण है और लिथियम आयनों की "गतिशीलता" के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, और विभाजक, जो लिथियम आयनों के लिए पारगम्य होने से शॉर्ट सर्किट को रोकने के लिए ज़िम्मेदार है, आमतौर पर पॉलीथीन या पॉलीप्रोपाइलीन होता है।

आउटपुट पावर, कैपेसिटेंस, या दोनों

बैटरियों की सबसे महत्वपूर्ण विशेषताएँ विशिष्ट ऊर्जा, विश्वसनीयता और सुरक्षा हैं। वर्तमान में उत्पादित बैटरियां इन गुणों की एक विस्तृत श्रृंखला को कवर करती हैं और, उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के आधार पर, उनकी विशिष्ट ऊर्जा सीमा 100 से 265 डब्लू/किग्रा (और 400 से 700 डब्लू/एल की ऊर्जा घनत्व) होती है। इस संबंध में सबसे अच्छी एनसीए बैटरियां और सबसे खराब एलएफपी हैं। हालाँकि, सामग्री सिक्के का एक पहलू है। विशिष्ट ऊर्जा और ऊर्जा घनत्व दोनों को बढ़ाने के लिए, अधिक सामग्री को अवशोषित करने और आयन प्रवाह की उच्च चालकता प्रदान करने के लिए विभिन्न नैनोस्ट्रक्चर का उपयोग किया जाता है। एक स्थिर कनेक्शन और चालकता में बड़ी संख्या में "संग्रहीत" आयन तेज़ चार्जिंग के लिए आवश्यक शर्तें हैं, और विकास इन दिशाओं में निर्देशित है। साथ ही, बैटरी के डिज़ाइन को ड्राइव के प्रकार के आधार पर शक्ति और क्षमता का आवश्यक अनुपात प्रदान करना चाहिए। उदाहरण के लिए, स्पष्ट कारणों से प्लग-इन हाइब्रिड में क्षमता अनुपात की तुलना में बहुत अधिक शक्ति की आवश्यकता होती है। वर्तमान विकास एनसीए (कैथोड और ग्रेफाइट एनोड के साथ LiNiCoAlO2) और NMC 811 (कैथोड और ग्रेफाइट एनोड के साथ LiNiMnCoO2) बैटरी पर केंद्रित हैं। पहले में (लिथियम के बाहर) लगभग 80% निकल, 15% कोबाल्ट और 5% एल्युमीनियम होता है और उनकी विशिष्ट ऊर्जा 200-250 वॉट/किलोग्राम होती है, जिसका अर्थ है कि उनमें क्रिटिकल कोबाल्ट का अपेक्षाकृत सीमित उपयोग होता है और उनका जीवन काल तक होता है। 1500 चक्र. ऐसी बैटरियों का उत्पादन टेस्ला द्वारा नेवादा में अपनी गीगाफैक्ट्री में किया जाएगा। जब यह अपनी नियोजित पूर्ण क्षमता (2020 या 2021 में, स्थिति के आधार पर) तक पहुंच जाएगा, तो संयंत्र 35 गीगावॉट बैटरी का उत्पादन करेगा, जो 500 वाहनों को बिजली देने के लिए पर्याप्त है। इससे बैटरी की लागत और कम हो जाएगी.

NMC 811 बैटरियों में थोड़ी कम विशिष्ट ऊर्जा (140-200W/kg) होती है, लेकिन उनका जीवन लंबा होता है, 2000 पूर्ण चक्रों तक पहुँचती है, और 80% निकल, 10% मैंगनीज और 10% कोबाल्ट होती हैं। वर्तमान में, सभी बैटरी निर्माता इन दो प्रकारों में से एक का उपयोग करते हैं। एकमात्र अपवाद चीनी कंपनी BYD है, जो LFP बैटरी बनाती है। उनसे लैस कारें भारी होती हैं, लेकिन उन्हें कोबाल्ट की जरूरत नहीं होती है। ऊर्जा घनत्व और ऊर्जा घनत्व के मामले में अपने संबंधित लाभों के कारण एनसीए बैटरी इलेक्ट्रिक वाहनों और एनएमसी प्लग-इन हाइब्रिड के लिए पसंद की जाती है। उदाहरण 2,8 के शक्ति/क्षमता अनुपात के साथ इलेक्ट्रिक ई-गोल्फ और 8,5 के अनुपात के साथ प्लग-इन हाइब्रिड गोल्फ जीटीई हैं। कीमत कम करने के नाम पर, VW सभी प्रकार की बैटरियों के लिए समान सेल का उपयोग करने का इरादा रखता है। और एक और बात - बैटरी की क्षमता जितनी अधिक होगी, पूर्ण डिस्चार्ज और चार्ज की संख्या उतनी ही कम होगी, और इससे इसकी सेवा का जीवन बढ़ जाता है, इसलिए - बैटरी जितनी बड़ी होगी, उतना अच्छा होगा। दूसरी चिंता हाइब्रिड को एक समस्या के रूप में पेश करती है।

बाजार के रुझान

वर्तमान में, परिवहन उद्देश्यों के लिए बैटरी की मांग पहले से ही इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों की मांग से अधिक है। यह अभी भी अनुमानित है कि 2020 तक प्रति वर्ष 1,5 मिलियन इलेक्ट्रिक वाहन विश्व स्तर पर बेचे जाएंगे, जो बैटरी की लागत को कम करने में मदद करेगा। 2010 में, लिथियम-आयन सेल के 1 kWh की कीमत लगभग 900 यूरो थी, और अब यह 200 यूरो से कम है। संपूर्ण बैटरी की लागत का 25% कैथोड के लिए, 8% एनोड, सेपरेटर और इलेक्ट्रोलाइट के लिए, 16% अन्य सभी बैटरी सेल के लिए और 35% समग्र बैटरी डिज़ाइन के लिए है। दूसरे शब्दों में, लिथियम-आयन सेल बैटरी की लागत में 65 प्रतिशत का योगदान करते हैं। 2020 के लिए अनुमानित टेस्ला की कीमतें जब गिगाफैक्ट्री 1 सेवा में प्रवेश करती है, एनसीए बैटरी के लिए लगभग 300 €/kWh है और कीमत में कुछ औसत वैट और वारंटी के साथ तैयार उत्पाद शामिल है। अभी भी काफी अधिक कीमत है, जो समय के साथ घटती रहेगी।

लिथियम के प्रमुख भंडार अर्जेंटीना, बोलीविया, चिली, चीन, अमेरिका, ऑस्ट्रेलिया, कनाडा, रूस, कांगो और सर्बिया में पाए जाते हैं, जिनमें से अधिकांश वर्तमान में सूखी झीलों से खनन किए जाते हैं। अधिक से अधिक बैटरियों के संचय के साथ, पुरानी बैटरियों से पुनर्चक्रित सामग्रियों का बाज़ार बढ़ेगा। हालाँकि, अधिक महत्वपूर्ण कोबाल्ट की समस्या है, जो बड़ी मात्रा में मौजूद होने के बावजूद, निकल और तांबे के उत्पादन से उप-उत्पाद के रूप में खनन किया जाता है। मिट्टी में इसकी कम सांद्रता के बावजूद, कोबाल्ट का खनन कांगो (जिसमें सबसे बड़ा उपलब्ध भंडार है) में होता है, लेकिन ऐसी परिस्थितियों में होता है जो नैतिकता, नैतिकता और पर्यावरण संरक्षण पर सवाल उठाता है।

हैटेक

यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि निकट भविष्य के परिप्रेक्ष्य के रूप में अपनाई गई प्रौद्योगिकियां वास्तव में मौलिक रूप से नई नहीं हैं, बल्कि लिथियम-आयन वेरिएंट हैं। उदाहरण के लिए, ये सॉलिड-स्टेट बैटरियां हैं, जो तरल के बजाय ठोस इलेक्ट्रोलाइट (या लिथियम पॉलिमर बैटरी में जेल) का उपयोग करती हैं। यह समाधान इलेक्ट्रोड का अधिक स्थिर डिज़ाइन प्रदान करता है, जो क्रमशः बड़े करंट के साथ चार्ज होने पर उनकी अखंडता को तोड़ देता है। उच्च तापमान और उच्च भार। इससे चार्जिंग करंट, इलेक्ट्रोड घनत्व और क्षमता बढ़ सकती है। सॉलिड-स्टेट बैटरियां अभी भी विकास के शुरुआती चरण में हैं और दशक के मध्य से पहले बड़े पैमाने पर उत्पादन में प्रवेश करने की संभावना नहीं है।

एम्स्टर्डम में 2017 बीएमडब्ल्यू इनोवेशन टेक्नोलॉजी प्रतियोगिता में पुरस्कार विजेता स्टार्टअप में से एक बैटरी चालित कंपनी थी जिसका सिलिकॉन एनोड उच्च ऊर्जा घनत्व की अनुमति देता है। एनोड और कैथोड दोनों सामग्रियों को अधिक सघन और मजबूत बनाने के लिए इंजीनियर विभिन्न नैनोटेक्नोलॉजी पर काम कर रहे हैं, और एक समाधान ग्राफीन का उपयोग करना है। एक परमाणु की मोटाई और हेक्सागोनल परमाणु संरचना वाली ग्रेफाइट की ये सूक्ष्म परतें सबसे आशाजनक सामग्रियों में से एक हैं। बैटरी सेल निर्माता सैमसंग एसडीआई द्वारा विकसित "ग्राफीन बॉल्स" को कैथोड और एनोड संरचना में एकीकृत किया गया है, जो उच्च शक्ति, पारगम्यता और सामग्री घनत्व प्रदान करता है और क्षमता में लगभग 45% की वृद्धि और चार्जिंग समय को पांच गुना कम करता है। ये प्रौद्योगिकियां सबसे मजबूत हो सकती हैं बढ़ावा। फॉर्मूला ई कारों से, जो ऐसी बैटरियों से सुसज्जित होने वाली पहली कार हो सकती हैं।

इस स्तर पर खिलाड़ी

टियर 123 और टियर 2020 आपूर्तिकर्ताओं, यानी सेल और बैटरी निर्माताओं के रूप में मुख्य खिलाड़ी जापान (पैनासोनिक, सोनी, जीएस युसा और हिताची वाहन ऊर्जा), कोरिया (एलजी केम, सैमसंग, कोकम और एसके इनोवेशन), चीन (बीवाईडी कंपनी) हैं। . , ATL और Lishen) और USA (टेस्ला, जॉनसन कंट्रोल्स, A30 सिस्टम्स, EnerDel और Valence Technology)। सेल फोन के मुख्य आपूर्तिकर्ता वर्तमान में एलजी केम, पैनासोनिक, सैमसंग एसडीआई (कोरिया), एईएससी (जापान), बीवाईडी (चीन) और सीएटीएल (चीन) हैं, जिनकी बाजार हिस्सेदारी दो-तिहाई है। यूरोप में इस स्तर पर, वे केवल जर्मनी से बीएमजेड ग्रुप और स्वीडन से नॉर्थवॉल्ट द्वारा विरोध कर रहे हैं। XNUMX में टेस्ला की गिगाफैक्ट्री के लॉन्च के साथ, यह अनुपात बदल जाएगा - अमेरिकी कंपनी दुनिया के लिथियम-आयन सेल के उत्पादन का XNUMX% हिस्सा लेगी। डेमलर और बीएमडब्ल्यू जैसी कंपनियां इनमें से कुछ कंपनियों के साथ पहले ही अनुबंध पर हस्ताक्षर कर चुकी हैं, जैसे CATL, जो यूरोप में एक संयंत्र का निर्माण कर रही है।