Просто так? За винятком того, що з цими батареями насправді нічого простого, коли ви починаєте копатися в деталях, що я збираюся зробити, тому що не можу стриматися.
Але чому саме літій? (Ось де я починаю дратувати)
Елемент № 3. Водень, гелій, літій. Такий порядок. Супермаленький атом, тому що він має лише 3 протони.
І ось що стосується літію - він ДІЙСНО хоче позбутися свого зовнішнього електрона. Ніби відчайдушно хоче. Це якось нестабільно. Ви знаєте ті відео, як люди кидають натрій у воду, а вона шипить і загоряється? Літій робить це, але БІЛЬШЕ. Одного разу під час демонстрації безпеки в 2011 (чи 2012?) я спостерігав, як хтось кинув шматок металевого літію у відро з водою, і, чесно кажучи, було страшно, наскільки швидко він відреагував. Відро розтануло.
Почекай, ні, відро не розтануло. Вода закипіла, і літій загорівся на поверхні. З відром було добре. Моя пам'ять лайно.
У будь-якому разі головне: чистий металевий літій небезпечний. Ось чому сучасні літій-іонні акумулятори не використовують чистий металевий літій - вони використовують ІОНИ літію. Вже окислений літій. Форма Li+. Набагато стабільніший.
Напруга, яку ви отримуєте, становить близько 3,6-3,7 В на комірку, що є пристойним. Краще, ніж лужний (1,5 В) або NiMH (1,2 В). Це означає, що вам потрібно менше елементів, щоб досягти цільової напруги. Ось чому акумулятор вашого ноутбука має 6 елементів замість 15.
Крім того, - і я мав згадати, що перший - літій є СВІТЛИМ. Третій найлегший елемент. Тож ви отримуєте високу щільність енергії без шаленої ваги. Ось чому електромобілі використовують-літій, а не свинцеву-кислоту. Свинцева-кислотна батарея з такою ж енергією важить буквально в 5-6 разів більше. Вашій Tesla знадобиться навантажувач, щоб замінити акумулятор.
Фактичні компоненти (пристебніть це технічно)
Анод (негативна сторона):
Зазвичай графіт. Так, те саме, що і в олівцях, тільки набагато чистіші та оброблені інакше.
Графіт має таку багатошарову кристалічну структуру - уявіть собі колоду карт на атомному рівні. Шари утримуються разом слабкими силами Ван-дер-Ваальса (шкільна хімія повертається, щоб переслідувати вас). Іони літію можуть прослизати між цими шарами і просто... бовтатися там. Технічний термін — «інтеркаляція», але я думаю про це як про паркування автомобілів у багато-гаражі.
Теоретична максимальна потужність становить 372 міліампер-години на грам. У реальному-світі ви отримуєте 340-360 мАг/г, якщо виробництво не погане. Я бачив елементи від деяких китайських виробників, які ледь досягали 310 мАг/г. Не буду називати імена, але якщо ви переставите літери в "BYD", ви отримаєте... гаразд, я називаю імена. Їх ранні клітини були грубими. Хоча, наприклад, з 2018 року вони значно покращилися.
Зараз усі продовжують говорити про кремнієві аноди, оскільки кремній теоретично може утримувати в 10 разів більше літію, ніж графіт. Звучить неймовірно, правда? 3700+ мАг/г теоретичної ємності.
Проблема -, і це проблема, яку «майже вирішено», відколи я почав працювати в цій галузі -, полягає в тому, що кремній розширюється приблизно на 300% під час його літіювання. Частинки буквально розлітаються. Уявіть собі надування повітряної кулі всередині бетонного блоку. Бетон не прогинається, він просто ламається.
Тепер Tesla використовує трохи кремнію, змішаного з графітом. Може 5-10% кремнію? Я чув, що це 8%, але можу помилятися. Справа в тому, що це невелика сума. Аноди з чистого кремнію все ще не готові, незважаючи на те, що стверджує кожен стартап у серії A.
Катод (позитивна сторона):
О, хлопче. Ось де все стає заплутаним, оскільки існує приблизно 6 різних хімічних складів катодів, і кожен має думку про те, який з них найкращий, і всі вони помиляються, оскільки це залежить від вашого застосування.
Оригінальний від Sony у 1991 році був літій-кобальт оксид - LiCoO₂. Ми скорочено називаємо це "LCO". Щільність енергії досить хороша - 150-200 мАг/г залежно від того, хто це зробив. Але термостабільність жахлива. Якщо ви перезарядите його або занадто нагрієтесь, кристалічна структура виділить кисень. Кисень + органічний електроліт + тепло=поганий день. У вашому телефоні, ймовірно, використовується LCO, тому що телефони не повинні працювати 10 років і ви не швидко{13}}заряджаєте їх при 10C.
Потім є NMC - нікель, марганець, оксид кобальту. Це те, що зараз використовує більшість електромобілів. Співвідношення нікелю, марганцю та кобальту постійно змінюється. Почали як 1:1:1 (рівними частинами). Потім виробники перейшли на 5:3:2. Тоді 6:2:2. Зараз ми маємо приблизно 8:1:1 або навіть 9:0,5:0,5 у деяких -клітинах високого класу.
Чому зміна? Кобальт дорогий. Ніби й справді дорого. Крім того, більшість кобальту надходить з ДРК (Демократична Республіка Конго), і ситуація з видобутком там є... складною. Дитяча праця, небезпечні умови, весь бардак. Тому всі намагаються використовувати менше кобальту.
Більше нікелю=більше місткості, але менша термічна стабільність. Більше марганцю=дешевше та стабільніше, але менша місткість. Більше кобальту=більш стабільний і кращий термін служби, але $$$ і етичні проблеми.
Це завжди компроміси-. Завжди. У мене було стільки суперечок із менеджерами продуктів щодо цього. Їм потрібна висока щільність енергії, тривалий термін служби, низька вартість і висока безпека. Ви можете вибрати, можливо, два. можливо.
Існує також NCA - нікель-кобальт-алюміній. Компанія Tesla роками використовувала це у своїх-накопичувачах великої дальності. Panasonic виготовляв їх на гігафабриці в Неваді. Одного разу я відвідав іншу фабрику акумуляторів - не ту, а підприємство конкурента -, і сама сушильна кімната була божевільною. Можливо, система обробки повітря коштує 50+ мільйонів доларів. Все має бути нижче -40 градусів точки роси, інакше сіль електроліту поглинає вологу та створює фтористоводневу кислоту. HF проїсть усе. Скло, метал, кістка. Неприємні речі.
Ну і LFP - літій-залізофосфат. Цей повертається. Це безпечніше, дешевше за кВт/год і служить довше. Я чув про комірки LFP, які виконують 5000+ циклів до 80% ємності. Можливо, навіть 6000. Недоліком є нижча щільність енергії - лише 120-140 мАг/г проти 180-200 для NMC.
Tesla почала встановлювати LFP у свою Standard Range Model 3 приблизно у 2021 році. Китайський ринок отримав їх першим. Має сенс - CATL є найбільшим виробником LFP і знаходиться в Китаї.
Деякі люди скаржаться на втрату діапазону LFP в холодну погоду. Це гірше, ніж NMC. Але клітини дешевші та служать довше, тому для багатьох застосувань це варте компромісу-. Я б взяв пакет LFP для міської машини. Можливо, для шосейного-крейсера великої дальності.
Електроліт:
Це рідина в середині. Він проводить іони, але не проводить електрони, що важливо, тому що якби він проводив електрони, у вас було б коротке замикання.
Зазвичай це гексафторфосфат літію - LiPF₆ -, розчинений в органічних розчинниках. Розчинники зазвичай являють собою суміш етиленкарбонату (EC) і диметилкарбонату (DMC) або діетилкарбонату (DEC).
Ось дивна деталь: EC є твердим при кімнатній температурі. Температура плавлення близько 36 градусів. Тож чистий EC замерзне взимку. Ось чому ви змішуєте його з DMC або DEC, які є рідкими до приблизно -70 градусів або щось інше. Суміш залишається рідкою в розумних умовах.
Також органічні карбонати легкозаймисті. На рівні бензину-не займистий, але точно займистий. Одного разу я бачив тест на проникнення цвяхів, коли ми навмисно вбивали цвях у повністю заряджену комірку. Спочатку він випустив газ - тріск -, а потім із вентиляційного отвору вирвалося полум’я. Досягав близько 2 метрів у висоту. Вся камера досягла, можливо, 800 градусів на основі запису теплової камери.
Це було контрольоване випробування з придушенням вогню та іншим. Все одно страшно.
Сіль LiPF₆ неймовірно гігроскопічна. Любить воду. Якщо він намокає, він гідролізується в HF. Тому виробництво акумуляторів відбувається в надзвичайно сухих приміщеннях. Я говорю про точку роси -40 градусів або нижче. Система осушення зазвичай є одним із найбільших споживачів енергії на заводі клітин.
Одного разу я був у закладі, де в сухому приміщенні було так сухо, що дихати було боляче. Ваш ніс висохне за кілька хвилин. Усі, хто там працював, змушені були постійно використовувати сольовий спрей. Неприємна робоча атмосфера.
роздільник:
Забутий компонент. Це лише тонка полімерна мембрана, але вона критична.
Зазвичай поліпропілен (PP) або поліетилен (PE). Іноді тришаровий з PP-PE-PP. Зазвичай товщина становить 20-25 мікрон. Це тонко. Тонше людської волосини (70-100 мікрон).
Він має мікроскопічні пори -, наприклад діаметром 100 нанометрів -, які пропускають іони, але блокують електрони. Крім того, він утримує анод і катод фізично розділеними. Якщо вони торкнуться=короткого замикання=погані речі стаються швидко.
Пам’ятаєте пожежі Samsung Galaxy Note 7? 2016. Частково це сталося через пошкодження сепаратора. Samsung надто агресивно розробив акумулятор. Занадто тонкий, упакований занадто щільно, не допускає розширення. У деяких клітинах роздільник був надто сильно натиснутий в одному куті. Розвинулося слабке місце. Зрештою отримав дірочку. Внутрішній короткий. Теплова втеча. Вогонь.
Вони відкликали 2,5 мільйона телефонів. Заборонено в літаках. Коштує Samsung мільярди. Все через шматок пластику, тонший за папір.
У мене є думки щодо агресивного дизайну батареї. Виробники постійно просувають тонші та легші, щоб перемогти конкурентів. Але є межа. Фізику не хвилює графік запуску продукту.
Як це насправді працює (частина, яку всі пропускають)
Зарядка:
Ви підключаєте свій телефон. Зарядний пристрій змушує електрони проникати в анод і відтягувати їх від катода. Це змушує катод вивільняти іони літію. Іони рухаються через електроліт до анода. Вони вбудовуються в структуру графіту.
Подумайте про це як про стиснення пружини. Іони літію природним чином не хочуть бути в аноді - вони більш стабільні в катоді. Але ви змушуєте їх туди, застосовуючи напругу. Накопичена енергія.
Розрядка:
Ви відключаєте телефон і використовуєте його. Весна відпускає. Іони літію повертаються до катода через електроліт. Електрони проходять по ланцюгу телефону від анода до катода. Цей потік електронів живить ваш пристрій.
Напруга залежить від хімії та стану заряду. Для NMC або NCA:
Повністю заряджений: ~4,2 В
Номінал: ~3,7 В
Повністю розряджений: ~3,0 В
Не опускайтеся нижче 3,0 В, інакше ви почнете покривати металевий літій, що небезпечно. Не перевищуйте напругу 4,2 В, інакше ви ризикуєте перегріватися. Ось чому існують системи керування акумулятором (BMS). Вони контролюють напругу, температуру та струм і вимикають, якщо щось виглядає не так.
Хороший дизайн BMS – це важко. Дуже важко. Вам потрібен швидкий час реакції, точні датчики, надлишкові перевірки безпеки. Дешева BMS — один із найшвидших способів перетворити хорошу батарею на пожежонебезпечну.
Проблеми (о, чувак, проблем так багато)
Проблема 1: Деградація неминуча
Кожен цикл заряду-розряду пошкоджує батарею. Неминучий. Термодинаміка.
На поверхні анода утворюється шар SEI - міжфаза твердого електроліту -. Насправді це необхідно для роботи акумулятора. Але він продовжує рости з часом і споживати активний літій. Після 500 циклів у вас може залишитися 90% ємності. Після 1000 можливо 80%. Після 2000... залежить.
У мене MacBook 2015 року, який досі показує 78% заряду батареї. Хоча я це дуже люблю - рідко опускаю його нижче 40%, тримайте його підключеним до мережі, коли це можливо, ніколи не заряджайте його в гарячій машині. У моєї дружини MacBook 2018 року випуску, здоров’я якого становить 62%, тому що вона працює з ним важко. Повні цикли щодня, залишає заряджатися на ніч, використовує його на колінах, поки він гарячий. Те, як ви поводитеся з акумулятором, має ВАЖЕ значення.
Катод також деградує. NMC з високим вмістом-нікелю особливо поганий. При напрузі вище 4,3 В поверхня катода починає реагувати з електролітом. Іони перехідних металів (нікель, марганець, кобальт) можуть розчинятися та мігрувати до анода, де вони псують SEI. Існує також така річ, яка називається катодним ущільненням, коли кристалічна структура повільно ущільнюється та втрачає пористість.
Неможливо запобігти цьому. Це просто хімія. Ентропія завжди перемагає.
Проблема 2: Температура руйнує все
Нижче 0 градусів електроліт стає в'язким, як холодний мед. Транспорт іонів сповільнюється. Ви втрачаєте, можливо, 20-30% потужності за -10 градусів. Навіть гірше, якщо ви спробуєте швидко зарядити холодну батарею, ви покриєте металевий літій на аноді, а не вставите його. Це створює дендрити - голчасті структури з металевого літію, які можуть рости і з часом пробивати сепаратор. Внутрішній короткий. Вогонь.
Вище 40-45 градусів всі реакції розкладання прискорюються. Емпіричне правило: кожні збільшення на 10 градусів подвоюють швидкість реакції. Отже, акумулятор при 45 градусах розряджається приблизно в 4 рази швидше, ніж при 25 градусах.
Я живу в Техасі. Літні температури сягають 100 градусів F+ (38 градусів +). Я бачив батареї електромобілів, які втратили ємність на 15% за 3 роки лише через вплив тепла. Тим часом електромобілі в Міннесоті майже не деформуються влітку -, але втрачають радіус дії взимку через холод. Не можу виграти.
Оптимальна робоча температура - 20-25 градусів. Успіхів у підтримці цього в реальному світі.
Проблема 3. Швидка зарядка за своєю суттю проблематична
Кожен хоче 10-хвилинну зарядку електромобіля, як на АЗС. Але пропускання величезної потужності через батарею генерує тепло. I²R втрати - струм у квадраті, помножений на опір. Опір невеликий, але не дорівнює нулю. При зарядці потужністю 250 кВт ви виділяєте значну кількість тепла.
Також швидка зарядка механічно напружує матеріали електродів. Змушує іони швидко рухатися крізь структуру. З часом може спричинити розтріскування та руйнування частинок.
Tesla Superchargers (V3) можуть досягти пікової потужності 250 кВт. Але вони швидко звужуються. Можливо, 250 кВт протягом 5 хвилин, потім 150 кВт, потім 100 кВт, потім 50 кВт. Це BMS, що захищає клітини.
Новіші системи 800 В від Porsche та Hyundai можуть досягати 350 кВт. Але ненадовго. Фізика є фізика.
Є дослідження конструкцій електродів, оптимізованих для швидкого-заряду-. Більш тонкі електроди, менші частинки, кращі покриття. Це допомагає. Але ви не можете обдурити термодинаміку.
Проблема 4: Пожежа
Літій{0}}іонні батареї нечасто загоряються. Набагато менше, ніж бензинові автомобілі. Але коли вони це роблять, це драматично.
Теплова втеча. Коли клітина досягає критичної температури - залежить від хімії, можливо, 150-200 градусів, починаються екзотермічні реакції. SEI розкладається. Сепаратор плавиться. Електроліт кипить. Катод виділяє кисень. Кожна реакція виділяє тепло, яке запускає більше реакцій. Цикл позитивного зворотного зв'язку.
Його не загасиш водою, як звичайну пожежу. Я маю на увазі, що ви можете скинути на нього воду, щоб охолодити його, але клітина продовжує виробляти тепло всередині. Пожежники ненавидять пожежі на електромобілів. Витратьте години на гасіння. Пізніше можна знову запалити.
Хоча сучасні клітини мають засоби безпеки. Вимикаючі сепаратори, які закриваються при нагріванні. Напірні вентиляційні отвори. Переривання струму. Термозапобіжники. Крім того, BMS стежить за всім.
Все ж іноді трапляється. Щоразу потрапляє в новини, хоча за статистикою електромобілі безпечніші за бензинові. Проблема PR.
Проблема 5: Кобальтова етика
70% кобальту надходить з ДРК. Багато з кустарних шахт із поганими умовами праці. Звіти про дитячу працю. Шкода навколишньому середовищу. Це безлад.
Усі намагаються використовувати менше кобальту. Високо-нікель NMC використовує дуже мало. LFP використовує нуль. Але кобальт стабілізує структуру катода. Без цього вам знадобиться краще керування температурою та суворіші обмеження напруги.
Ціни на кобальт також шалені. У 2016 році менше 30 тис. дол. США за тонну. У 2018 році зросла до 90 тис. дол. США за тонну. У 2020 році впала до 25 тис. дол. Як ви плануєте виробництво, коли вартість сировини коливається в 3 рази?
Проблема 6: Хаос у ланцюзі поставок
Ціни на літій повністю впали в 2021-2022 роках. 6 тис. дол. США за тонну у 2020 році. Наприкінці 2022 року досягла максимуму в 80 тис. дол. США за тонну. У 2024 році впала до 12 тис. дол. США за тонну. Зараз у 2025 році – близько 15 тис. дол.
Більшість літію надходить з Австралії (видобуток твердих порід) або Південної Америки (видобуток розсолів із солончаків у Чилі/Аргентині/Болівії - «літієвий трикутник»). Але більша частина обробки відбувається в Китаї. Приблизно 75% світових потужностей з переробки літію.
Китай також контролює виробництво акумуляторів - 75% світового виробництва акумуляторів. І 90% анодних матеріалів (обробка графіту).
Ось чому США та Європа намагаються побудувати внутрішні ланцюжки поставок. Але це повільно. На будівництво гігафабрики потрібні роки. Щоб побудувати ланцюжок постачання вгору, потрібно більше часу.
Літій-класу батареї має бути надзвичайно чистим. Менше 0,01% домішок. Такий рівень очищення не є дешевим або швидким.
Чому ми застрягли на літій-іонному (наразі)
Незважаючи на все, на що я щойно скаржився, літій-іон все ще є найкращим варіантом у комерційних масштабах.
Щільність енергії: 250-300 Вт·год/кг на рівні клітини. Можливо, 160-180 Вт-год/кг на рівні упаковки після додавання охолодження, структури та BMS. Цього достатньо для 300+ миль електромобілів без смішної ваги.
Порівняти:
Свинцева-кислота: 30-50 Вт·год/кг (дуже важко)
NiMH: 60-120 Вт-год/кг (те, що використовував Prius)
NiCd: 40-60 Вт-год/кг (також токсичний, здебільшого припинений)
Виробництво зріле. Десятки постачальників. Кілька гігафабрик. Налагоджені ланцюги поставок. Економіка масштабу.
Гігафабрика Tesla в Неваді планує виробити 35 ГВт-год на рік. Цього достатньо для понад 500 тисяч електромобілів. CATL у Китаї виробляє ще більше - Я думаю 200+ ГВт-год/рік? Може 300? Я мав би перевірити.
Вся інфраструктура також використовує літій{0}}іон. Стандарти зарядки (CCS, NACS, CHAdeMO). Алгоритми BMS. Правила техніки безпеки. Процеси переробки. Не можна просто замінити іншу хімію, не переробляючи все.
Що зрештою може його замінити
Твердотільні-батареї:Замініть рідкий електроліт на тверду кераміку, скло або сульфідний матеріал. Переваги: відсутність витоку, менший ризик пожежі, можливе використання літієвих анодів для більшої щільності енергії.
QuantumScape, Solid Power, Toyota, Samsung - усі працюють над цим. QuantumScape заявляє про 800 Вт·год/кг у лабораторних камерах із 800+ циклами. Вражаюче, якщо правда.
Проблеми: опір поверхні між твердим електролітом і електродами. Важко підтримувати хороший контакт протягом тисяч циклів, оскільки матеріали розширюються/звужуються. Більшість твердих електролітів крихкі - дендрити можуть тріскатися через них. Масштабне виробництво абсолютно не доведено.
Я скептично ставлюся до того, що ми побачимо це в основних автомобілях до 2030 року. Можливо, до 2028 року, якщо хтось досягне прориву. Але мабуть пізніше. Останні 10 років я чув, що "твердий-стан ще через 5 років".
Літій-сірка:Теоретична щільність енергії 2600 Вт·год/кг. Сірка дешева і в достатку.
Проблема: ефект полісульфідного човника. Проміжні продукти розчиняються в електроліті, викликаючи швидке зниження ємності. Після 50 циклів акумулятор розряджається.
Це було «майже вирішено» протягом 20+ років. Все ще не там.
Іон-натрію:Фактично відбувається зараз. CATL почав виробництво в 2023 році. BYD працює над цим.
Натрій всюди (морська вода). Значно дешевше, ніж літій. Може використовувати аналогічне виробниче обладнання.
Але щільність енергії нижча: 150-160 Вт·год/кг проти 250-300 для літій-іонних.
Має сенс для стаціонарного зберігання та бюджетних електромобілів. Незабаром заміна літій-іонів у продуктах преміум-класу.
Металеві літієві аноди:Використовуйте металевий літій замість графіту. Зберігайте рідкий електроліт. Може досягти 400-500 Вт·год/кг на рівні клітини.
Проблема дендритів залишається. У кожного своє рішення - покриття, електролітичні добавки тощо. Подивимося, кому вдасться першому.
Ну ілітій-полімерні акумулятори-, мабуть, має згадати про них. Замість рідини використовують гель або твердий полімерний електроліт. Більш тонкі, легші, більш гнучкі форми. Ймовірно, у ваших бездротових навушниках є такий. Трохи безпечніше, ніж рідина, але щільність енергії приблизно така ж. Це все ще літій-іонна технологія, просто упакована по-іншому. Відділи маркетингу люблять називати їх «LiPo», наче це щось революційне. Це не так.
