Роль літій-іонних акумуляторів/акумуляторів у зростаючій тенденції виробництва електромобілів. Частина 1

Загальне

В автомобільній галузі все більше уваги приділяється зручності використання електромобілів (ЕМ), незалежних від згоряння. Колись тих, хто вважався надмірно амбітним і дорогим підприємством, популярність і практичність ЕМ поступово зростають через використання літій-іонних акумуляторів (ЛІА або LIA). Хоча тема літій-іонних батарей (ЛІБ або LIB) широко висвітлювалася, досі не було огляду, що охоплює поточні досягнення LIB з економічної, промислової та технічної точки зору. Обговорюються конкретні огляди щодо таких аспектів, як зміни у міжнародній політиці, впровадження хмарних систем з можливостями глибокого навчання та передові матеріали електродів ЛІБ на основі ЕМ (електромобілів). Обговорюються рекомендації щодо вирішення поточних проблем на ринку ЛІБ на основі ЕМ. Крім того, даються пропозиції щодо короткострокових, середньострокових та довгострокових цілей, яким має слідувати галузь ЛІБ-ЕМ, щоб забезпечити свій успіх у найближчому майбутньому. На підставі даного огляду літератури можна припустити, що акумуляторні батареї на базі електромобілів залишатимуться актуальною темою в найближчі роки і що для їхнього всебічного вдосконалення є ще великий потенціал.

1. Вступ

У міру зростання популярності електромобілів (ЕМ) одночасно зростає попит на літій-іонні акумулятори (ЛІА). Багато в чому це обумовлено їх вражаючим співвідношенням щільності енергії до ваги (що становить 120–220 Вт·ч·кг −1 [ 1 , 2 , 3 ]), що дозволяє їм перевершувати інші технології акумуляторів, такі як свинцево-кислотні акумулятори (PbAB) 4, 5]. Працюючи через стандартну систему анода та катода, простота заряду та розряду електронів з іонів Li + дозволяє генерувати великі обсяги енергії, як показано на малюнку 1 .

Малюнок 1.

Зображення структурних компонентів LIB.

Завдяки своїм структурним перевагам LIB, як було показано, є найбільш широко використовуваним та надійним джерелом енергії для електромобілів (EV) [6, 7]. Докази цього можна побачити в промислових масштабах, оскільки різні автовиробники (наприклад, Tesla Motors) широко використовували такі батареї [ 8 ]. У академічному співтоваристві були відзначені великі роботи, що стосуються вивчення LIB в EV. Це можна кількісно побачити на малюнку 2a, де перераховано кількість журнальних публікацій та посилань, що належать до LIB у EV з року в рік. З урахуванням даних, наданих Web of Science, для початкового пошуку використовувалися ключові слова літій-іонні батареї та електромобілі. Всі дані, що відображаються, наведені з 1997 по липень 2023 року. Видно, що приблизно в 2010-х роках інтерес до LIB в електромобілях експоненційно зріс, що також збігається з глобальним зростанням споживчих електромобілів на базі LIB [9, 10, 11, 12]. Щоб ще більше продемонструвати цю тенденцію, зростання ринку електромобілів з 2010 по 2022 рік показано на малюнку 2b , де показано зростання запасів акумуляторних електромобілів і гібридних електромобілів (PHEV), що підключаються в різних країнах [ 13 ]. Цікаво відзначити, що протягом недавньої пандемії COVID-19 (яка призвела до того, що ключові конкуруючі компанії, такі як Tesla, звільнили велику кількість співробітників [14, 15]), кількість проданих електромобілів продовжувала зростати. Багато в чому це міркування може бути пов'язане з широким поширенням електромобілів на китайському ринку, що призвело до загального зростання продажів [16].

Малюнок 2.

( a ) Запис кількості цитувань та публікацій, що стосуються LIB з EV з 1997 по липень 2023 року, отриманий з Web of Science [ 17 ]. (b) Ілюстрація зростаючого світового запасу EV і PHEV з IEA [18]. Це робота, одержана Ralls et al. з матеріалів IEA, та Ralls et al. несуть виняткову відповідальність та відповідають за цю похідну роботу. Похідна робота не схвалена IEA будь-яким чином, отриманим з.

Однак, незважаючи на їх широке поширення, проблеми безпеки, пов'язані з можливими збоями в роботі LIB (через хімічні реакції, що відбуваються при більш високих температурах перегріву), значною мірою обмежують великомасштабне промислове використання [19, 20]. Відповідно, особлива увага приділяється підвищенню їх стійкості до деградуючих середовищ (наприклад, механічним та вібраційним середовищам та/або підводним водним середовищам) [21, 22, 23]. Такі проблеми обмежують потенціал LIB, особливо у електромобілях. У цій роботі докладно описані сучасні досягнення у галузі EV-LIB. Зокрема, обговорюється нова та унікальна перспектива спільної галузі LIB з економічної, урядової та виробничої точок зору. Крім того, обговорюється технічна роль LIB в електромобілях поряд з їхніми поточними досягненнями та проблемами. Подано пропозиції про те, як подолати поточні проблеми в цій галузі та продовжити її розвиток. Крім того, надаються своєчасні пропозиції щодо короткострокових, середньострокових та довгострокових цілей, яким має слідувати галузь, щоб забезпечити майбутній успіх. Мета цієї роботи – за допомогою цих унікальних перспектив дати цілісний огляд галузі LIB тим, хто активно працює в галузі або тим, хто лише починає.

2. Огляд електромобілів

Щоб зрозуміти важливість LIB у електромобілях, слід зрозуміти значущість електромобілів. Історично електромобілі були спочатку введені для боротьби з енергетичною кризою на початку 1970-х років [24]. Виступаючи в якості екологічно чистої альтернативи автомобілям, що споживають нафту, електромобілі діяли як спосіб досягнення тієї ж ефективності, що і двигун внутрішнього згоряння, покладаючись виключно на електрику [25]. У той час через їхню величезну вартість не було привабливості для покупки електромобілів. Однак через досягнення в галузі технологій і зростаюче занепокоєння щодо зміни клімату в 2000-х роках на ринку відбулося поступове зрушення у бік купівлі щодо більш економічних електромобілів [26, 27, 28]. Наприклад, на початку 2023 року Audi оголосила, що до 2029 року весь їхній автомобільний парк складатиметься з електромобілів [29]. Крім того, такі компанії, як General Motors і Honda, також беруть на себе зобов'язання щодо досягнення аналогічних цілей [30].

Серед різних країн, які використовують електромобілі, Сполучені Штати (США) побачили зростання через зниження цін на електромобілі та стимули, які пропонують національний уряд. Наприклад, у Каліфорнії просуваються жорсткіші правила викидів, щоб досягти загалом нульових викидів. На даний момент Каліфорнія поставила за мету досягти 1,5 мільйона електромобілів на дорогах до 2025 року, при цьому кожен власник отримає податковий кредит у розмірі 2500 доларів США [31]. Інші штати США, такі як Нью-Йорк, Джорджія та Вашингтон, кредитують численні податкові пільги. Вашингтон, наприклад, дає до 6,5% податку з продажу при купівлі електромобілів [32]. За межами США Китай також демонструє сильну мотивацію просувати альтернативні транспортні засоби через зростаючі проблеми забруднення у великих населених пунктах [33, 34]. Фактично, станом на 2021 рік було продано загалом 3,2 мільйона електромобілів, що становить понад половину від загальної кількості електромобілів, проданих у світі [35]. Японія також поставила амбітну мету (тобто Стратегію пожвавлення), щоб електромобілі охоплювали 50-70% від загальної кількості продажів автомобілів у 2030 [36]. У Японії також було запроваджено різні податкові субсидії, навіть після історичного землетрусу в Тохоку у 2011 році [ 37 ].

Незважаючи на ці спокуси, які дозволили ринку електромобілів зростати значними темпами, існують різні проблеми, які можуть бути спричинені їх батареями [38]. Наприклад, у сучасних системах батарей (наприклад, нікель-кадмієві (Ni-Cd), цинково-хлорні (Zn/Cl 2 ) та нікель-цинкові (Ni-Zn) батареї), вони, як правило, мають слабкі можливості заряджання [39, 40]. Крім того, вони страждають від короткого терміну служби батареї, що створює незручності для клієнтів. Через ці проблеми відбуваються небажані втрати енергії, грошей та незручності. Для боротьби з цим як альтернативне рішення було запропоновано LIB.

3. Літій-іонні акумулятори як альтернативне джерело живлення

3.1 Історична привабливість літій-іонних акумуляторів в електромобілях

У вищезгадані часи 1970-х років проводилися деякі експерименти щодо доцільності використання LIB для електромобілів [41]. Ця тенденція почалася з того, що Nissan випустив свою модель EV Altra в 1997 [42]. Однак спочатку продажі були невисокими через високу ціну (50,99 дол. США). Фактично, було продано всього 139 одиниць [43, 44]. Однак згодом промисловий інтерес почав зростати, щоб підвищити свою експлуатаційну ефективність та знизити загальну собівартість. Після деякого часу послідовного розвитку великі автомобільні компанії почали використовувати LIB у своїх транспортних засобах [45]. Перенесемося зараз, і частка ринку LIB для електромобілів поступово привертає все більше уваги. Наприклад, на ринку США LIB все частіше використовуються через поліпшення в їх можливостях (рис. 3). До 2030 року також очікується, що 64% ​​від загального обсягу продажів легкових автомобілів будуть складатися з електромобілів на базі LIB, а їхня сукупна кількість становитиме 24% від загального обсягу легкових автомобілів, що перебувають у власності [46]. Навіть у Китаї (що охоплює понад 50% поточного ринку електромобілів [47]), прогнозується, що близько 37% ринку транспортних засобів також складатимуться з електромобілів на базі LIB [48].

Малюнок 3.

Ринкова частка різних акумуляторів для електромобілів у США надана Мохаммаді та Саїфом [49]. Авторські права 2023 р. під ліцензією CC-BY-4.0.

3.2 Переваги літій-іонних акумуляторів/акумуляторів в електромобілях

Однак для подальшого розуміння привабливості LIB важливо розуміти їх електрохімічні характеристики. Як згадувалося раніше, LIB мають чудову ємність щільності енергії. Це багато в чому зумовлено їхньою катодно-анодною здатністю зберігати велику кількість електроенергії (3842 мАг електроенергії на 1 г Li) [45]. У порівнянні з іншими батареями (наприклад, свинцево-кислотними, нікель-кадмієвими (Ni-Cd) та натрій-сірчаними (Na-S) батареями) LIB значно перевершують їх [50]. Як спосіб продемонструвати це, характерні переваги батарей LIB порівняно з іншими батареями електромобілів (а також відповідні переваги та недоліки альтернативних батарей порівняно з LIBS) показані в Таблиці 1. Як можна бачити, незважаючи на будь-які передбачувані переваги, які мають інші типи батарей, вони, як правило, страждають від своєї незадовільності. На це слід очікувати, оскільки вони є відносно зрілими технологіями порівняно з LIB.

Таблица 1.

Порівняння переваг та недоліків LIB у порівнянні зі свинцево-кислотними акумуляторами, нікель-кадмієвими акумуляторами та натрій-сірчаними (Na-S) акумуляторами.

3.3 Типи комерційно доступних літій-іонних акумуляторів/батаїв в електромобілях

На сьогоднішній день існуючі типи LIB в електромобілях можна розділити на літій-залізо-фосфатні (LFP), літій-нікелево-марганцево-кобальтові (NCM) та літій-нікелево-кобальтово-алюмінієві (NCA) батареї [58, 59]. Ці форми LIB з урахуванням електромобілів відрізняються переважно своїм елементним складом. У випадку LFP катодна частина батареї містить фосфат, який, як правило, є безпечним матеріалом для використання у разі високотемпературних умов через потенційні теплові розгони [ 60 ]. З точки зору структури LFP мають структуру олівіну, яка може протистояти небажаній деформації грат і окисленню в результаті циклічних процесів заряду/розряду. Будучи відносно недорогими та нетоксичними у виробництві, LFP батареї широко використовуються в електромобільній промисловості [61]. У застосуванні LFP батареї в основному використовуються в електромобілях малого та середнього діапазону через їх більш тривалий термін служби та екологічні характеристики [62].

Для електромобілів, що працюють в діапазоні від середнього до високого, батареї NCM кращі через їх вражаючі довгострокові електрохімічні характеристики. Ці характеристики можна пояснити матеріальними характеристиками марганцю (Mn) та нікелю (Ni). Під час нанесення Mn створює спінові структури, які можуть призвести до низького внутрішнього опору. Хоча Mn має низьку питому енергію, присутність Ni може поліпшити питому енергію, що забезпечує вражаючі енергетичні та теплові характеристики [63]. Загалом батареї NCM також вважаються екологічно чистим варіантом батареї і широко використовуються в індустрії електромобілів [64, 65, 66].

Крім акумуляторів LFP та NCM, також використовуються акумулятори NCA. Із заміною Mn алюмінієм (Al) щільність енергії акумулятора значно збільшується. Однак акумулятори NCA мають велику тенденцію до перегріву та нестабільності при підвищених температурах, що становить величезну небезпеку для електромобілів [67, 68]. Через ці недоліки акумулятори NCM використовуються на сучасному ринку менше і поступово виводяться з експлуатації [62]. Однак такі компанії, як Tesla, Mercedes-Benz, BMW, Chevrolet і Nissan, як і раніше, використовують акумулятори NCA, оскільки вони не залежать від Co, який, як повідомляється, має коливання вартості через нерівномірний розподіл резервів [68, 69]. Можна припустити, що в майбутньому, у міру того, як переробка акумуляторів стане зрілішою, акумулятори походження LFP і NCM значною мірою домінуватимуть на ринку.

Крім акумуляторів на основі Li, увага також приділяється акумуляторам на основі Mg-ion та Al-ion для електромобілів [70]. Для акумуляторів на основі Mg-ion основна привабливість значною мірою пов'язана з їх загальною поширеністю та дешевизною порівняно з акумуляторами на основі Li. Враховуючи екологічність матеріалів Mg, цілком імовірно, що їхня промислова присутність збільшуватиметься з одночасними глобальними зусиллями щодо створення кругової економіки. З іншого боку, акумулятори на основі Al-ion також є точкою промислового тяжіння через їхню вражаючу щільність енергії та потужності [71]. Однак, враховуючи увагу до LIB, їхнє широке застосування обмежене. Незважаючи на це, прагнення екологічно чистих акумуляторів може потенційно призвести до більш широкого промислового використання акумуляторів на основі Al-ion.

3.4 Вплив поточної політики та правил на літій-іонні батареї в електромобілях

Хоча статистичні дані можуть дати уявлення про майбутній розвиток ринку LIB-EV, напрямок нової політики та правил з боку урядів та міжнародних організацій також впливає на їхній майбутній розвиток. Наприклад, у Європейському союзі (ЄС), Китаї, США та Канаді електрифікація автомобілів з використанням технології LIB відіграє важливу роль у їх схожих законодавчих цілях з досягнення вуглецевої нейтральності [72, 73, 74]. Для галузі LIB-EV посилення уваги з боку уряду рівнозначне формуванню можливостей та політики фінансування, які значною мірою сприяють їхньому зростанню. Наприклад, у ЄС нещодавно схвалена ініціатива European Green Deal інвестує 1,8 трильйона євро у фонди для просування технологічного прогресу LIB на базі електромобілів. У цих ініціативах особлива увага приділяється дослідницьким інноваціям, забезпеченню того, щоб методи видобутку матеріалів викидали менше вуглецю, та належного зберігання [75, 76, 77]. У США нещодавнє запровадження податкових пільг у квітні 2023 року також є ще одним методом стимулювання споживачів до купівлі електромобілів на базі LIB [78, 79]. У Канаді нещодавно були прийняті стимули за продуктивність у розмірі до 11 мільярдів доларів для фінансування розвитку заводів із виробництва LIB для електромобілів [80]. У Європі формування літієвих заводів у межах недавньої політики також сприяє зростанню промисловості LIB-EV [81]. Звичайно, Китай також просуває аналогічну політику, приділяючи особливу увагу інвестиціям у дослідження та розробки для продовження просування LIB в електромобілях, тим самим розширюючи ринок [82]. Виходячи з цих тенденцій, очікується, що США, Канада, ЄС та Китай продовжать залишатися лідерами у сприянні розширенню ринку LIB-EV у найближчі роки.

З іншого боку, у міру того, як ринок LIB-EV продовжує розширюватись, також зростає стурбованість щодо екологічних наслідків відходів. Наприклад, у США Агентство з охорони навколишнього середовища (EPA) нещодавно почало докладати зусиль щодо сприяння вторинній переробці та круговій економіці LIB в електромобілях [83, 84]. В урядовому масштабі також було виділено кошти адміністрацією Байдена-Харріса для прискорення переробки LIB-EV [85]. Проте нині немає конкретних законів, які вимагають від галузей електромобілів переробляти свої LIB [86]. Оскільки запаси дорогоцінних матеріалів скорочуються, майбутнє ринку LIB-EV зіткнеться з потенційними невдачами. Ми очікуємо, що майбутнє галузі LIB-EV буде спрямоване на інвестиції у технології переробки для підтримки її зростання.

4. Виготовлення та застосування літій-іонних акумуляторів/акумуляторів в електромобілях

На даний момент очевидно, що LIB є кращими батареями, коли йдеться про електромобілі. На практиці існують різні конкретні процеси та ролі, які LIB грають в електромобілях. Щоб зрозуміти ці ролі, у наступному розділі будуть розглянуті деталі, що стосуються початкового процесу виготовлення та їхньої продуктивності як системи зберігання енергії. Щоб разом переглянути деталі цих процесів, Таблиця 2 сформулює основні висновки у цьому розділі.

Таблица 2.

Основні висновки про роль LIB в електромобілях: від виготовлення акумуляторів до їх упаковки, зберігання енергії та використання систем керування акумуляторами.

4.1 Виготовлення акумуляторів/акумуляторів

Хоча LIB в електромобілях досягли експоненційного прогресу у своїх електрохімічних характеристиках, також велике значення має виробництво LIB, оскільки воно охоплює близько 25% загальної вартості LIB [87]. У сучасній практиці виробництво LIB-EV складається з безлічі складних і послідовних процесів, як показано на малюнку 4. Для початку змішують обраний матеріал для електрода разом з провідними добавками, сполучними речовинами та розчинником. Потім вони наносяться як вологе покриття на струмознімач. Потім вологе покриття висушують у печі для видалення розчинника. Потім застосовують каландрування для забезпечення достатньої міцності зв'язку між струмознімачом та електродом. Потім електрод розрізають, де вони піддаються вакуумному сушінню для видалення небажаної вологи, яка може призвести до утворення побічних продуктів фтористого водню. Подальші процеси зварювання, ізоляції, формування та старіння батареї. Повідомляється, що кульмінація цих процесів коштує приблизно 94 мільйони доларів на рік для середнього підприємства з виробництва LIB, що використовує модель BatPac з Аргонського національної лабораторії [98].

Малюнок 4.

Типовий процес виробництва LIB, наданий Лю та ін [99]. Авторські права 2021 р. відповідно до CC BY-NC-ND 4.0.

На даний момент найсучасніші зміни, що відбуваються в галузі виробництва LIB-EV, знижують вартість цих процесів. Один із простих способів зробити це — кількісно оцінити індивідуальні витрати на кожен виробничий процес та визначити процеси, які мають найбільші експлуатаційні витрати. Використовуючи дані про виробництво від Пола та ін [98], відносні витрати на кожен з процесів виробництва LIB-EV показані на малюнку 5. У цьому списку два найбільш витратних процесу пов'язані з покриттям/сушінням і формуванням/старінням, що становить ~44,5 млн доларів США на рік. У процесі сушіння більшість цих витрат пов'язані з споживанням енергії на сушіння органічного розчинника з мокрого електрода з покриттям [ 99 ]. Сушіння зазвичай завершується при високих температурах у печі протягом тривалих періодів часу. Температура залежатиме від органічного розчинника [ 100 ]. У процесі формування/старіння знову виготовлена ​​батарея буде заряджатися низькими струмами протягом трьох тижнів для створення твердоелектролітної інтерфази (SEI) з іонів Li, тим самим запобігаючи розчинення електроліту електронами [ 99 ].

Малюнок 5.

Відсоток витрат за різні процеси виробництва LIB, дані отримані Полом та інших. [ 98 ].

Для зниження цих витрат досліджується безліч нових технологій. Наприклад, щоб усунути необхідність у розчинниках, що вимагають подальшого сушіння, були запропоновані покриття без розчинників за допомогою методів сухої обробки [101]. Сухі покриття наносять по суті електродні порошки на поверхню методом електростатичного розпилення (EPD). EPD можна розглядати як процес, який використовує розпилення шляхом створення різниці потенціалів між підкладкою та розчином [102, 103]. Крім можливості створювати електроди вдвічі більше традиційних електродів [104], передбачається, що швидкість сушіння може бути покращена майже на 80% [105]. З точки зору економії витрат це може знизити витрати з 13984000 до 2796800 доларів США на основі значень, отриманих від Пола та ін [98]. Щодо етапу формування/старіння, то на даний момент альтернатив менше. Якщо швидкість заряджання занадто висока, утворюється неоднорідний шар SEI, що знижує ефективність батареї [106]. Було запропоновано такі методи, як заряджання імпульсним струмом. Однак такі методи відрізнятимуться залежно від хімії батареї і не можуть використовуватися повсюдно [107]. Пропонується використовувати нові методи покриття, такі як осадження атомних шарів або плазмово-електролітичне окислення, для створення імітуючого шару SEI, який може ефективно скоротити час очікування старіння з тижнів до години.

Магазин Gtest® - постачальник літієвих батарей: https://gtest.com.ua/elementy-pitaniya/litievye-batareyki

ДАЛІ БУДЕ...