Разработка химического состава батареи всегда требует уступок. Не существует аккумуляторной батареи, которая была бы лучшей во всех областях. Чтобы иметь хорошо сбалансированную батарею, мы должны идти на компромиссы в отношении плотности энергии, удельной мощности, безопасности, срока службы и стоимости.
В этой длинной статье мы увидим, куда движется аккумуляторная технология, с акцентом на разработку катодов NCM. Аноды и электролиты оставлю на другой раз.
Давайте начнем со сравнения некоторых популярных химических элементов аккумуляторов для электромобилей. Оценки варьируются от 1 (худший) до 5 (лучший).
Аноды
Оксид титаната лития ( ДП )
Катоды
Феррофосфат лития ( ЛФП )
Литий Никель Кобальт Марганец (NCM 333 или 111)
Литий Никель Кобальт Марганец (NCM 523)
Литий Никель Кобальт Марганец (NCM 622)
Литий Никель Кобальт Марганец (NCM 811)
Литий Никель Кобальт Алюминий ( НКА )
Химия LTO и LFP используется только тогда, когда требуется очень быстрая зарядка (5-10 C), например, в электробусах. В то время как Tesla использует NCA, почти каждый автопроизводитель использует батареи с катодами NCM.
Широко известно, что основными препятствиями для внедрения электромобилей являются цена и запас хода. Поэтому недавние усовершенствования катодов NCM были сосредоточены на увеличении плотности энергии и снижении затрат за счет снижения плотности мощности, срока службы и безопасности. Однако более высокие емкости аккумуляторов уменьшают проблему более низкой удельной мощности и низкого срока службы. Что касается менее безопасных аккумуляторных элементов, они требуют большей защиты BMS (система управления батареями) и TMS (система управления температурой), но на самом деле не опасны.
Общая формула, используемая для снижения стоимости и в то же время увеличения плотности энергии аккумуляторных элементов NCM, заключалась в уменьшении содержания кобальта в катоде за счет замены его большим количеством никеля. Добавление кремния к графитовым анодам также помогает увеличить плотность энергии за счет сокращения срока службы. Помните, это всегда компромисс…
В этом году аккумуляторы NCM 811 стали использоваться в серийных электромобилях. Китайская компания CATL выиграла гонку и стала первым производителем, который поместил аккумуляторные элементы NCM 811 в серийный электромобиль, который уже поставляется покупателям — NIO ES6. Тем не менее, другие следуют.
BYD — еще один китайский производитель аккумуляторных элементов, анонсировавший в этом году аккумуляторы NCM 811. В то время как Envision AESC планирует начать производство аккумуляторных элементов NCM 811 в 2020 году.
Что касается корейских производителей аккумуляторных батарей, то они откладывали то, что обещали раньше всех. Теперь SK Innovation рассчитывает представить свои собственные аккумуляторные элементы NCM 811 для электромобилей в начале следующего года, в то время как LG Chem сделает ставку на катоды NCM 712 для карманных элементов. Samsung SDI сильно отстает и планирует начать производство аккумуляторных элементов NCM 811 только в 2021 году.
Понятно, что аккумуляторные элементы NCM 811 — это настоящее и ближайшее будущее для электромобилей. Они имеют большую плотность энергии и низкую стоимость, что позволяет использовать электромобили с большей дальностью полета и более дешевыми электромобилями. Однако у них уже есть преемник…
SK Innovation объявила, что ее аккумуляторные элементы NCM 811, которые должны появиться в начале следующего года в полном объеме, обеспечивают запас хода 600 км (372 мили) для электромобилей, но только в 2022 году запас хода больше не будет проблемой благодаря внедрению Батарейные элементы NCM 90 (NCM 9.5.5).
Катоды NCM 90 (NCM 9.5.5) еще больше снижают потребность в кобальте, который дефицитен и дорог.
Теперь давайте заглянем за шумиху и посмотрим, где сейчас находится развитие этой аккумуляторной технологии.
Циклические характеристики катодов NCM с литий-металлическим анодом
На приведенных выше диаграммах показан срок службы различных катодов NCM при очень высоких зарядных напряжениях. Не пугайтесь кажущейся высокой деградации клеток. Это ожидаемо для таких высоких зарядных напряжений, которые мы обычно видим на аккумуляторах смартфонов.
К счастью, аккумуляторные батареи электромобилей лучше защищены и ограничены более низким напряжением зарядки. Например, аккумуляторные элементы Nissan LEAF ограничены максимальным зарядным напряжением 4,2 В. Другие электромобили имеют еще более низкие ограничения, чтобы уменьшить износ аккумулятора.
Теперь вернемся к графикам.
Авторы отмечают, что «NCM-622 (4,5 В) и NCM-811 (4,3 В) продемонстрировали одинаковую начальную разрядную емкость 200 мА·ч·г-1 при 0,5 °C с сохранением емкости 93 % после 100 циклов». Кроме того, катод NCM 622 имел более высокую структурную стабильность.
Однако, даже если катод NCM 622 безопаснее и при ограничении 4,5 В имеет срок службы и емкость, аналогичную катоду NCM 811 при ограничении 4,3 В, несложно использовать последний для электромобилей из-за снизить затраты за счет меньшего количества кобальта. Помните, что в аккумуляторных технологиях всегда есть компромиссы, и сейчас основное внимание уделяется снижению затрат, чтобы сделать электромобили массовыми.
Что касается катода NCM 90, то все выглядит хорошо, но, возможно, он еще не готов заменить катод NCM 811.
Катод NCM 90 при циклическом изменении напряжения от 2,7 до 4,3 В при 0,5 °C сохраняет 90 % своей первоначальной емкости батареи после 100 циклов. Следовательно, новый электромобиль с запасом хода 600 км будет иметь запас хода 540 км после 57 000 км [(600 + 540) / 2 x 100)] в этих условиях. Хорошая новость заключается в том, что в таких экстремальных условиях ни один аккумулятор электромобиля не перезаряжается. Они намного лучше защищены.
Я хотел бы посмотреть, как ведет себя катод NCM 90 при циклировании между 2,8 и 4,1 В, разумно ожидать, что срок службы намного лучше, чем только 90% сохранение емкости после 100 циклов. Он должен быть достаточно хорошим, чтобы обеспечить стандартную гарантию на батарею, которая для большинства электромобилей гарантирует минимальную емкость 70 % в течение восьми лет или 160 000 км (100 000 миль).
До тех пор, пока у нас не появятся аккумуляторы, полностью не содержащие кобальта, катоды NCM 90 являются необходимым шагом вперед, позволяющим сделать электромобили массовыми.
В любом случае, SK Innovation была первым производителем аккумуляторных элементов, анонсировавшим аккумуляторные элементы NCM 90, но я сомневаюсь, что она будет первой, кто их произведет. Я думаю, что это, вероятно, будет либо CATL, либо BYD.
Эта статья стала возможной только благодаря Sci-Hub. «Sci-Hub — это проект, призванный сделать знания бесплатными», который дает каждому доступ к исследовательским статьям, которые обычно скрываются за платным доступом. Sci-Hub — это демократизация науки.
Спасибо Эмануэле за предупреждение.
SK Innovation скоро начнет производство аккумуляторных элементов NCM 811
LG Chem представит аккумуляторные элементы NCM 811 для электромобилей в следующем году
Батарея с самой высокой плотностью энергии в Китае
Современные призматические аккумуляторные батареи Panasonic
NCM 712 от LG Chem:подробное описание аккумуляторных элементов E66A и E78