Simple oi? Tret que res d'aquestes bateries és realment senzill un cop comenceu a investigar els detalls, cosa que estic a punt de fer perquè no puc evitar-me.
Però per què liti? (Aquí és on em molesto)
Element número 3. Hidrogen, heli, liti. Aquesta és l'ordre. Àtom súper petit perquè només té 3 protons.
I això és el que té el liti - que realment vol desfer-se del seu electró exterior. Com vol desesperadament. És una mica inestable d'aquesta manera. Coneixeu aquells vídeos de persones que llencen sodi a l'aigua i s'embolcalla i s'encén? El liti fa això, però MÉS. Vaig veure algú caure un tros de metall de liti en una galleda d'aigua una vegada en una demostració de seguretat el 2011 (o el 2012?) i sincerament va ser una mica espantós la rapidesa amb la qual va reaccionar. La galleda es va fondre.
Espera, no, la galleda no es va fondre. L'aigua va bullir i el liti es va incendiar a la superfície. La galleda estava bé. La meva memòria és una merda.
De totes maneres, el punt és: el metall de liti pur és perillós. És per això que les bateries modernes d'ions de liti-no utilitzen metall de liti pur -, sinó que utilitzen ions de liti. Liti ja oxidat. La forma Li+. Molt més estable.
La tensió que obteniu és d'uns 3,6-3,7 V per cel·la, la qual cosa és decent. Millor que alcalí (1,5 V) o NiMH (1,2 V). Significa que necessiteu menys cèl·lules per assolir el voltatge objectiu. És per això que la bateria del portàtil té 6 cel·les en lloc de 15.
També - i hauria d'haver esmentat que aquest primer - liti és LLUM. Tercer element més lleuger. Així obteniu una alta densitat d'energia sense un pes boig. És per això que els vehicles elèctrics utilitzen ions-liti i no àcid-de plom. Una bateria de plom-àcid amb la mateixa energia pesaria literalment 5-6 vegades més. El teu Tesla necessitaria un carretó elevador per canviar la bateria.
Els components reals (això es fa tècnic)
Ànode (costat negatiu):
Normalment grafit. Sí, les mateixes coses que hi ha als llapis, excepte d'una manera més pura i processada de manera diferent.
El grafit té aquesta estructura de cristall en capes - imagineu una baralla de cartes a nivell atòmic. Les capes estan unides per forces febles de van der Waals (la química de l'escola secundària torna a perseguir-te). Els ions de liti poden lliscar-se entre aquestes capes i només... passar l'estona. El terme tècnic és "intercalació", però ho penso com aparcar cotxes en un garatge de diversos-pisos.
La capacitat màxima teòrica és de 372 mil·liamp-hora per gram. Món real-obté entre 340 i 360 mAh/g si la fabricació no fa mal. He vist cèl·lules d'alguns fabricants xinesos que amb prou feines podrien arribar als 310 mAh/g. No posaré noms, però si reorganitzeu les lletres a "BYD" obtindreu... d'acord, estic posant noms. Les seves primeres cèl·lules eren rugoses. Tanmateix, han millorat molt des del 2018.
Ara tothom continua parlant dels ànodes de silici perquè teòricament el silici pot contenir 10 vegades més liti que el grafit. Sona increïble oi? 3700+ mAh/g de capacitat teòrica.
El problema - i aquest és el problema que s'ha "gairebé solucionat" des que vaig començar en aquesta indústria - és que el silici s'expandeix aproximadament un 300% quan el litias. Les partícules literalment s'esquerden. Imagineu-vos inflar un globus dins d'un bloc de formigó. El formigó no es flexiona, només es trenca.
Tesla ara fa servir una mica de silici, barrejat amb grafit. Potser un 5-10% de silici? Vaig sentir que era del 8%, però potser m'equivoco. La qüestió és que és una quantitat petita. Els ànodes de silici pur encara no estan preparats malgrat el que afirma la sèrie A de totes les startups.
Càtode (costat positiu):
Ai noi. Aquí és on es fa desordenat perquè hi ha com a 6 químiques càtodes diferents i tothom té opinions sobre quina és la millor i tots estan equivocats perquè depèn de la vostra aplicació.
L'original de Sony l'any 1991 era òxid de cobalt de liti - LiCoO₂. L'anomenem "LCO" per abreujar-lo. La densitat d'energia és bastant bona - 150-200 mAh/g depenent de qui l'ha fet. Però l'estabilitat tèrmica és terrible. Si el sobrecarregueu o s'escalfa massa, l'estructura cristal·lina allibera oxigen. Oxigen + electròlit orgànic + calor=mal dia. El teu telèfon probablement fa servir LCO perquè els telèfons no han de durar 10 anys i no els estàs carregant-a 10 ºC.
Després hi ha NMC - òxid de níquel manganès-cobalt. Això és el que la majoria dels vehicles elèctrics utilitzen ara. La proporció de níquel a manganès i cobalt no para de canviar. Va començar com a 1:1:1 (parts iguals). Llavors els fabricants van passar a 5:3:2. Després 6:2:2. Ara estem com a 8:1:1 o fins i tot 9:0.5:0.5 en algunes cel·les{20}}de gamma alta.
Per què el canvi? El cobalt és car. Com molt car. També la majoria del cobalt prové de la RDC (República Democràtica del Congo) i la situació minera allà és... complicada. Treball infantil, condicions insegures, tot l'embolic. Així que tothom està intentant utilitzar menys cobalt.
Més níquel=més capacitat però menys estabilitat tèrmica. Més manganès=més barat i més estable però amb menys capacitat. Més cobalt=més estable i millor cicle de vida però $$$ i problemes ètics.
Sempre són intercanvis-. Sempre. He tingut tantes discussions amb els gestors de producte sobre això. Volen una alta densitat d'energia I un cicle de vida llarg I un baix cost I una bona seguretat. Potser en pots triar dos. Potser.
També hi ha alumini NCA - níquel-cobalt. Tesla ho va fer servir durant anys als seus paquets de llarg-abast. Panasonic els va fer a la gigafàbrica de Nevada. Vaig visitar una fàbrica de bateries diferent una vegada - no aquella, sinó les instal·lacions d'un competidor - i només l'habitació seca era una bogeria. El sistema de tractament d'aire probablement va costar 50+ milions de dòlars. Tot ha d'estar per sota del punt de rosada dels -40 graus o la sal d'electròlit absorbeix la humitat i crea àcid fluorhídric. HF menjarà qualsevol cosa. Vidre, metall, os. Coses desagradables.
Ah i LFP - fosfat de ferro de liti. Aquest està tornant. És més segur, més barat per kWh i dura més. He sentit parlar de cèl·lules LFP que fan 5000+ cicles fins al 80% de la capacitat. Potser fins i tot 6000. L'inconvenient és la densitat d'energia més baixa - només com 120-140 mAh/g enfront de 180-200 per a NMC.
Tesla va començar a posar LFP als seus models de gamma estàndard 3 cap al 2021. El mercat xinès els va aconseguir primer. Té sentit - CATL és el fabricant de LFP més gran i és a la Xina.
Algunes persones es queixen de la pèrdua de rang LFP en temps fred. És pitjor que NMC. Però les cèl·lules són més barates i duren més, així que per a moltes aplicacions val la pena el canvi-. Prendria un paquet LFP per a un cotxe urbà. Per a un creuer de llarg-autopista, potser no.
Electròlit:
Aquest és el líquid del mig. Condueix ions però no electrons, la qual cosa és important perquè si conduís electrons, només tindreu un curtcircuit.
Normalment és hexafluorofosfat de liti - LiPF₆ - dissolt en dissolvents orgànics. Els dissolvents solen ser una barreja de carbonat d'etilè (EC) i carbonat de dimetil (DMC) o carbonat de dietil (DEC).
Aquí hi ha un detall estrany: EC és sòlid a temperatura ambient. El punt de fusió és d'uns 36 graus. Així que l'EC pura es congelaria a l'hivern. És per això que el barregeu amb DMC o DEC que són líquids fins a -70 graus o el que sigui. La barreja es manté líquida en condicions raonables.
També els carbonats orgànics són inflamables. No inflamable-a nivell de gasolina, però definitivament inflamable. Una vegada vaig veure una prova de penetració de les ungles en què vam clavar un clau deliberadament a través d'una cel·la completament carregada. Va expulsar gas primer - soroll - i després les flames van disparar pel forat de ventilació. S'ha arribat als 2 metres d'alçada. Tota la cel·la va arribar als 800 graus segons les imatges de la càmera tèrmica.
Va ser una prova controlada amb extinció d'incendis i tot. Encara fa por.
La sal LiPF₆ és higroscòpica com l'infern. Li encanta l'aigua. Si es mulla s'hidrolitza en HF. És per això que la fabricació de bateries es produeix en habitacions extremadament seques. Estic parlant de punt de rosada de -40 graus o inferior. El sistema de deshumidificació sol ser un dels majors consumidors d'energia en una fàbrica de cèl·lules.
Una vegada vaig visitar una instal·lació on l'habitació seca estava tan seca que em feia mal respirar. El teu nas s'assecaria en qüestió de minuts. Tothom que hi treballava havia d'utilitzar un esprai salí constantment. No és un ambient de treball agradable.
Separador:
El component oblidat. Només és una fina membrana de polímer, però és fonamental.
Normalment polipropilè (PP) o polietilè (PE). De vegades, una tricapa amb PP-PE-PP. El gruix sol ser de 20-25 micres. Això és prim. Més prim que un cabell humà (70-100 micres).
Té porus microscòpics - com 100 nanòmetres de diàmetre - que deixen passar ions però bloquegen els electrons. També manté l'ànode i el càtode separats físicament. Si toquen=curtcircuit=les coses dolentes passen ràpidament.
Recordeu els incendis del Samsung Galaxy Note 7? 2016. Això es deu en part a danys al separador. Samsung va dissenyar la bateria de manera massa agressiva. Massa prim, empaquetat massa ajustat, sense tolerància a l'expansió. Algunes cel·les tenien el separador premut massa fort en una cantonada. Es va desenvolupar un punt feble. Finalment va tenir un forat. Curt intern. Fugida tèrmica. Foc.
Van recordar 2,5 milions de telèfons. Prohibit als avions. Samsung va costar milers de milions. Tot a causa d'un tros de plàstic més prim que el paper.
Tinc opinions sobre el disseny agressiu de la bateria. Els fabricants continuen pressionant més prims i lleugers per vèncer la competència. Però hi ha un límit. A la física no li importa el calendari de llançament del vostre producte.
Com funciona realment (la part que tothom omet)
Càrrega:
Connectes el teu telèfon. El carregador força els electrons a l'ànode i els treu del càtode. Això fa que el càtode alliberi ions de liti. Els ions viatgen a través de l'electròlit fins a l'ànode. S'intercalen a l'estructura de grafit.
Penseu en això com comprimir una molla. Els ions de liti no volen estar a l'ànode de manera natural - són més estables al càtode. Però els estàs forçant allà aplicant voltatge. Energia emmagatzemada.
Descàrrega:
Desconnecteu i utilitzeu el telèfon. Les estrenes de la primavera. Els ions de liti retornen al càtode a través de l'electròlit. Els electrons flueixen pel circuit del telèfon des de l'ànode fins al càtode. Aquest flux d'electrons alimenta el vostre dispositiu.
La tensió depèn de la química i l'estat de càrrega. Per a NMC o NCA:
Completament carregat: ~ 4,2 V
Nominal: ~3,7 V
Totalment descarregat: ~ 3,0 V
No baixeu de 3,0 V o comenceu a xapar metall de liti, que és perillós. No supereu els 4,2 V o correu el risc de fugir tèrmica. Per això existeixen sistemes de gestió de bateries (BMS). Controlen la tensió, la temperatura i el corrent i tanquen les coses si hi ha alguna cosa malament.
Un bon disseny de BMS és difícil. Realment dur. Necessiteu temps de resposta ràpids, sensors precisos, controls de seguretat redundants. Un BMS barat és una de les maneres més ràpides de convertir una bateria decent en un perill d'incendi.
Els problemes (oh home, hi ha tants problemes)
Problema 1: la degradació és inevitable
Cada cicle de càrrega-descàrrega danya la bateria. Inevitable. Termodinàmica.
Hi ha una cosa anomenada capa SEI - interfase d'electròlit sòlid - que es forma a la superfície de l'ànode. De fet, és necessari perquè la bateria funcioni. Però segueix creixent amb el temps i consumint liti actiu. Després de 500 cicles, és possible que us quedi un 90% de capacitat. Després de 1000 potser el 80%. Després del 2000... depèn.
Tinc un MacBook del 2015 que encara mostra un 78% de salut de la bateria. Tot i que - rarament el deixo per sota del 40%, el mantinc endollat quan sigui possible, mai el carregueu en un cotxe calent. La meva dona té un MacBook del 2018 que té un 62% de salut perquè l'executa amb força. Cicles complets diaris, el deixa carregant durant la nit, l'utilitza a la falda mentre fa calor. Com tracteu la bateria importa MOLT.
El càtode també es degrada. NMC-níquel alt és especialment dolent. Per sobre de 4,3 V, la superfície del càtode comença a reaccionar amb l'electròlit. Els ions metàl·lics de transició (níquel, manganès, cobalt) es poden dissoldre i migrar a l'ànode on emboliquen el SEI. També hi ha una cosa anomenada densificació del càtode on l'estructura cristal·lina es compacta lentament i perd porositat.
Realment no es pot evitar això. Només és química. L'entropia sempre guanya.
Problema 2: la temperatura ho destrueix tot
Per sota dels 0 graus, l'electròlit es torna viscós com la mel freda. El transport d'ions disminueix. Potser perds un 20-30% de capacitat a -10 graus . Encara pitjor, si intenteu carregar ràpidament una bateria freda, posareu liti metàl·lic a l'ànode en lloc d'intercalar-lo. Això crea dendrites, estructures semblants a agulles de metall de liti que poden créixer i, finalment, perforar el separador. Curt intern. Foc.
Per sobre de 40-45 graus, totes les reaccions de degradació s'acceleren. Regla general: cada augment de 10 graus duplica la velocitat de reacció. Així, una bateria a 45 graus es degrada aproximadament 4 vegades més ràpid que a 25 graus.
Visc a Texas. Les temperatures d'estiu van arribar als 100 graus F+ (38 graus +). He vist bateries de vehicles elèctrics que van perdre un 15% de capacitat en 3 anys només per l'exposició a la calor. Mentrestant, els vehicles elèctrics de Minnesota amb prou feines es degraden a l'estiu -, però perden l'autonomia a l'hivern a causa del fred. No es pot guanyar.
La temperatura de funcionament ideal és com 20-25 graus. Bona sort mantenint-ho al món real.
Problema 3: la càrrega ràpida és intrínsecament problemàtica
Tothom vol carregar un vehicle elèctric de 10-minuts com una benzinera. Però empènyer una potència massiva a través d'una bateria genera calor. Pèrdues I²R: corrent al quadrat per resistència. La resistència és petita però no zero. Amb una càrrega de 250 kW, esteu generant calor important.
També la càrrega ràpida estressa els materials de l'elèctrode mecànicament. Obliga els ions a moure's ràpidament per l'estructura. Pot provocar esquerdes i fractures de partícules amb el pas del temps.
Els Tesla Superchargers (V3) poden arribar a un màxim de 250 kW. Però es redueixen ràpidament. Potser 250kW durant 5 minuts, després 150kW, després 100kW i després 50kW. Aquest és el BMS que protegeix les cèl·lules.
Els sistemes més nous de 800 V de Porsche i Hyundai poden fer 350 kW. Però només breument. La física és física.
Hi ha investigacions sobre dissenys d'elèctrodes optimitzats de-càrrega-ràpida. Elèctrodes més prims, partícules més petites, millors recobriments. Ajuda. Però no pots enganyar la termodinàmica.
Problema 4: foc
Les bateries d'ions de liti-no s'encenden sovint. Molt menys que els cotxes de gasolina. Però quan ho fan és dramàtic.
Fugida tèrmica. Quan una cèl·lula arriba a una temperatura crítica - varia segons la química, potser 150-200 graus: comencen les reaccions exotèrmiques. SEI es descompon. El separador es fon. L'electròlit bull. El càtode allibera oxigen. Cada reacció produeix calor que desencadena més reaccions. Bucle de retroalimentació positiva.
No es pot apagar amb aigua com un foc normal. Vull dir que pots abocar-hi aigua per refredar-la, però la cèl·lula continua generant calor internament. Els bombers odien els incendis de vehicles elèctrics. Pren hores per apagar. Es pot tornar a encendre més tard.
Tanmateix, les cèl·lules modernes tenen característiques de seguretat. Separadors d'apagada que es tanquen quan s'escalfen. Vents de pressió. Interrupcions actuals. Fusibles tèrmics. A més, el BMS ho vigila tot.
Encara passa de vegades. És notícia cada vegada, tot i que estadísticament els vehicles elèctrics són més segurs que els cotxes de gas. Problema de relacions públiques.
Problema 5: Ètica del cobalt
El 70% del cobalt prové de la RDC. Molt de mines artesanals amb males condicions laborals. Informes de treball infantil. Danys ambientals. És un embolic.
Tothom està intentant utilitzar menys cobalt. NMC d'alt-níquel utilitza molt poc. LFP utilitza zero. Però el cobalt estabilitza l'estructura del càtode. Sense ell, necessiteu una millor gestió tèrmica i límits de tensió més estrictes.
Els preus del cobalt també són una bogeria. Menys de 30.000 $/tona el 2016. Va augmentar a 90.000 $ o més el 2018. Es va estavellar a 25.000 $ el 2020. Ara, al voltant dels 35.000 $/tona. Com planifiqueu la producció quan el vostre cost de matèries primeres fluctua 3 vegades?
Problema 6: caos de la cadena de subministrament
Els preus del liti van ser absolutament bojos el 2021-2022. 6.000 $/tona el 2020. Va assolir un màxim de 80.000 $/tona a finals del 2022. Es va estavellar a 12.000 $/tona el 2024. Ara uns 15.000 $/tona el 2025.
La major part del liti prové d'Austràlia (extracció de roca dura) o d'Amèrica del Sud (extracció de salmorra de les salines de Xile/Argentina/Bolívia - el "triangle del liti"). Però la majoria del processament es fa a la Xina. Com el 75% de la capacitat mundial de refinació de liti.
La Xina també controla la fabricació de bateries un - 75% de la producció mundial de cèl·lules. I el 90% dels materials d'ànode (processament de grafit).
És per això que els EUA i Europa estan lluitant per construir cadenes de subministrament nacionals. Però és lent. Es triga anys a construir una gigafàbrica. Es necessita més temps per construir la cadena de subministrament amunt.
El liti de grau{0}}de bateria ha de ser ultra pur. Menys del 0,01% d'impureses. Aquest nivell de refinament no és barat ni ràpid.
Per què estem atrapats amb ions de liti-(de moment)
Malgrat tot el que acabo de queixar-me, els-ions de liti segueixen sent la millor opció a escala comercial.
Densitat d'energia: 250-300 Wh/kg a nivell cel·lular. Potser 160-180 Wh/kg a nivell de paquet després d'afegir refrigeració i estructura i BMS. Això és suficient per a vehicles elèctrics de 300+ milles sense un pes ridícul.
Compara:
Àcid-de plom: 30-50 Wh/kg (pesant com la merda)
NiMH: 60-120 Wh/kg (el que va utilitzar Prius)
NiCd: 40-60 Wh/kg (també tòxic, majoritàriament eliminat)
La fabricació és madura. Desenes de proveïdors. Múltiples gigafàbriques. Cadenes de subministrament establertes. Economia d'escala.
La gigafàbrica de Nevada de Tesla té com a objectiu 35 GWh/any. Això és suficient per a 500k + EV. CATL a la Xina fa encara més - Crec que 200+ GWh/any? Potser 300? Hauria de comprovar.
Tota la infraestructura també assumeix-ió de liti. Estàndards de càrrega (CCS, NACS, CHAdeMO). Algoritmes BMS. Normes de seguretat. Processos de reciclatge. No es pot canviar per una química diferent sense redissenyar-ho tot.
Què podria substituir-lo eventualment
Bateries-sòlides:Substituïu l'electròlit líquid per ceràmica sòlida o vidre o material de sulfur. Avantatges: sense fuites, menys risc d'incendi, potser utilitzeu ànodes de metall de liti per a una densitat d'energia més alta.
QuantumScape, Solid Power, Toyota, Samsung - tothom hi treballa. QuantumScape afirma 800 Wh/kg a les cèl·lules de laboratori amb 800+ cicles. Impressionant si és cert.
Problemes: Resistència d'interfície entre electròlit sòlid i elèctrodes. És difícil mantenir un bon contacte durant milers de cicles a mesura que els materials s'expandeixen/contracten. La majoria dels electròlits sòlids són fràgils -, les dendrites poden trencar-s'hi. La fabricació a escala no està completament provada.
Estic escèptic que ho veurem als cotxes convencionals abans del 2030. Potser el 2028 si algú té un avenç. Però probablement més tard. He escoltat que "l'estat sòlid-es queden a 5 anys" durant els darrers 10 anys.
Sofre-liti:Densitat d'energia teòrica de 2600 Wh/kg. El sofre és barat i abundant.
Problema: efecte llançadora de polisulfur. Els productes intermedis es dissolen a l'electròlit provocant un esvaïment ràpid de la capacitat. Després de 50 cicles, la bateria està torrada.
Això s'ha "gairebé solucionat" durant 20+ anys. Encara no hi ha.
Ió-sodi:De fet, passa ara. CATL va començar la producció el 2023. BYD hi està treballant.
El sodi és a tot arreu (aigua de mar). Molt més barat que el liti. Pot utilitzar equips de fabricació similars.
Però la densitat d'energia és menor: 150-160 Wh/kg enfront de 250-300 per a ions de liti.
Té sentit per a l'emmagatzematge estacionari i els vehicles elèctrics econòmics. No substituirà l'ió-liti als productes premium en breu.
Ànodes de metall de liti:Utilitzeu metall de liti en comptes de grafit. Mantenir l'electròlit líquid. Podria arribar a 400-500 Wh/kg a nivell cel·lular.
El problema de la dendrita persisteix. Cadascú té els seus propis recobriments de solució -, additius electròlits, etc. Veurem qui té èxit primer.
Ah ibateries de polímer de liti- probablement els hauria d'esmentar. Utilitzen gel o electròlit de polímer sòlid en lloc de líquid. Formes més primes, lleugeres i flexibles. Els vostres auriculars sense fil probablement en tinguin un. Una mica més segur que el líquid, però la densitat d'energia és aproximadament la mateixa. Encara és una tecnologia d'ions de liti-, només empaquetat de manera diferent. Als departaments de màrqueting els encanta anomenar-los "LiPo" com si fos una cosa revolucionària. No ho és.
