काल, आज, उद्या: भाग १

"लिथियम-आयन बॅटरी" हा शब्द विविध प्रकारचे तंत्रज्ञान लपवतो.

एक गोष्ट निश्चित आहे - जोपर्यंत लिथियम-आयन इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री या संदर्भात अपरिवर्तित राहते. इतर कोणतेही इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा साठवण तंत्रज्ञान लिथियम-आयनशी स्पर्धा करू शकत नाही. तथापि, मुद्दा असा आहे की कॅथोड, एनोड आणि इलेक्ट्रोलाइटसाठी भिन्न सामग्री वापरणारे भिन्न डिझाइन आहेत, ज्यापैकी प्रत्येकाचे टिकाऊपणाच्या दृष्टीने भिन्न फायदे आहेत (इलेक्ट्रिक वाहनांसाठी स्वीकार्य अवशिष्ट क्षमतेपर्यंत चार्ज आणि डिस्चार्ज सायकलची संख्या 80%), विशिष्ट पॉवर kWh/kg, किंमत युरो/kg किंवा पॉवर ते पॉवर गुणोत्तर.

वेळेवर परत

तथाकथित मध्ये इलेक्ट्रोकेमिकल प्रक्रिया पार पाडण्याची शक्यता. लिथियम-आयन पेशी चार्जिंग दरम्यान कॅथोड येथे लिथियम जंक्शनमधून लिथियम प्रोटॉन आणि इलेक्ट्रॉनच्या विभक्ततेतून येतात. लिथियम अणू सहजपणे त्याच्या तीन इलेक्ट्रॉनांपैकी एक दान करतो, परंतु त्याच कारणास्तव तो अत्यंत प्रतिक्रियाशील आहे आणि हवा आणि पाण्यापासून वेगळे असणे आवश्यक आहे. व्होल्टेज स्त्रोतामध्ये, इलेक्ट्रॉन त्यांच्या सर्किटच्या बाजूने फिरू लागतात आणि आयन कार्बन-लिथियम एनोडकडे निर्देशित केले जातात आणि झिल्लीतून जातात, त्यास जोडलेले असतात. डिस्चार्ज दरम्यान, उलट हालचाल होते - आयन कॅथोडवर परत येतात आणि इलेक्ट्रॉन, यामधून, बाह्य विद्युत भारातून जातात. तथापि, जलद उच्च-वर्तमान चार्जिंग आणि पूर्ण डिस्चार्जमुळे नवीन टिकाऊ कनेक्शन तयार होतात, ज्यामुळे बॅटरीचे कार्य कमी होते किंवा थांबते. लिथियमचा कण दाता म्हणून वापर करण्यामागील कल्पना ही सर्वात हलकी धातू आहे आणि योग्य परिस्थितीत प्रोटॉन आणि इलेक्ट्रॉन सहजपणे सोडू शकते या वस्तुस्थितीपासून उद्भवते. तथापि, शास्त्रज्ञ शुद्ध लिथियमचा वापर त्याच्या उच्च अस्थिरतेमुळे, हवेशी बंध करण्याची क्षमता आणि सुरक्षिततेच्या कारणांमुळे झपाट्याने सोडून देत आहेत.

पहिली लिथियम-आयन बॅटरी 1970 मध्ये मायकेल व्हिटिंगहॅमने तयार केली होती, ज्याने शुद्ध लिथियम आणि टायटॅनियम सल्फाइड इलेक्ट्रोड म्हणून वापरले होते. ही इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री आता वापरली जात नाही, परंतु प्रत्यक्षात लिथियम-आयन बॅटरीचा पाया घालतो. 1970 च्या दशकात, समर बसूने ग्रेफाइटमधून लिथियम आयन शोषून घेण्याची क्षमता प्रदर्शित केली, परंतु त्यावेळच्या अनुभवामुळे, बॅटरी चार्ज झाल्यावर आणि डिस्चार्ज केल्यावर त्वरीत स्वतःचा नाश होतो. 1980 च्या दशकात, बॅटरीच्या कॅथोड आणि एनोडसाठी योग्य लिथियम संयुगे शोधण्यासाठी गहन विकास सुरू झाला आणि वास्तविक यश 1991 मध्ये आले.

NCA, NCM लिथियम पेशी... याचा नेमका अर्थ काय?

1991 मध्ये विविध लिथियम संयुगांवर प्रयोग केल्यानंतर, शास्त्रज्ञांच्या प्रयत्नांना यश मिळाले - सोनीने लिथियम-आयन बॅटरीचे मोठ्या प्रमाणावर उत्पादन सुरू केले. सध्या, या प्रकारच्या बॅटरीमध्ये सर्वात जास्त आउटपुट पॉवर आणि उर्जेची घनता आहे आणि सर्वात महत्त्वाचे म्हणजे, विकासासाठी महत्त्वपूर्ण क्षमता आहे. बॅटरीच्या गरजेनुसार, कंपन्या कॅथोड सामग्री म्हणून विविध लिथियम संयुगेकडे वळत आहेत. हे लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड (LCO), निकेल, कोबाल्ट आणि अॅल्युमिनियम (NCA) सह संयुगे किंवा निकेल, कोबाल्ट आणि मॅंगनीज (NCM), लिथियम आयर्न फॉस्फेट (LFP), लिथियम मॅंगनीज स्पिनल (LMS), लिथियम टायटॅनियम ऑक्साइड (LTO) आहेत. आणि इतर. इलेक्ट्रोलाइट हे लिथियम क्षार आणि सेंद्रिय सॉल्व्हेंट्सचे मिश्रण आहे आणि लिथियम आयनांच्या "गतिशीलतेसाठी" विशेषतः महत्वाचे आहे आणि लिथियम आयनांना पारगम्य असल्याने शॉर्ट सर्किट रोखण्यासाठी जबाबदार असलेले विभाजक, सामान्यतः पॉलिथिलीन किंवा पॉलीप्रॉपिलीन असते.

आउटपुट पॉवर, क्षमता किंवा दोन्ही

बॅटरीची सर्वात महत्वाची वैशिष्ट्ये म्हणजे ऊर्जा घनता, विश्वसनीयता आणि सुरक्षितता. सध्या उत्पादित केलेल्या बॅटरी या गुणांची विस्तृत श्रेणी व्यापतात आणि वापरलेल्या सामग्रीवर अवलंबून, 100 ते 265 W/kg (आणि 400 ते 700 W/L ऊर्जा घनता) ची विशिष्ट ऊर्जा श्रेणी असते. या संदर्भात सर्वोत्तम NCA बॅटरी आणि सर्वात वाईट LFPs आहेत. मात्र, साहित्य ही नाण्याची एक बाजू आहे. विशिष्ट ऊर्जा आणि ऊर्जा घनता दोन्ही वाढवण्यासाठी, अधिक सामग्री शोषून घेण्यासाठी आणि आयन प्रवाहाची उच्च चालकता प्रदान करण्यासाठी विविध नॅनोस्ट्रक्चर्सचा वापर केला जातो. स्थिर कंपाऊंडमध्ये मोठ्या प्रमाणात आयन, "संचयित" आणि जलद चार्जिंगसाठी चालकता ही पूर्व-आवश्यकता आहे आणि विकास या दिशानिर्देशांमध्ये निर्देशित केला जातो. त्याच वेळी, बॅटरी डिझाइनने ड्राइव्हच्या प्रकारानुसार आवश्यक पॉवर-टू-क्षमता गुणोत्तर प्रदान करणे आवश्यक आहे. उदाहरणार्थ, प्लग-इन हायब्रीड्समध्ये स्पष्ट कारणांसाठी जास्त पॉवर-टू-कॅसिटी गुणोत्तर असणे आवश्यक आहे. आजच्या घडामोडी NCA (LiNiCoAlO2 कॅथोड आणि ग्रेफाइट एनोडसह) आणि NMC 811 (कॅथोड आणि ग्रेफाइट एनोडसह LiNiMnCoO2) सारख्या बॅटरीवर केंद्रित आहेत. आधीच्यामध्ये (लिथियमच्या बाहेर) सुमारे 80% निकेल, 15% कोबाल्ट आणि 5% अॅल्युमिनियम असते आणि त्यांची विशिष्ट ऊर्जा 200-250 W/kg असते, याचा अर्थ त्यांच्याकडे गंभीर कोबाल्टचा तुलनेने मर्यादित वापर आणि सेवा आयुष्य असते. 1500 सायकल पर्यंत. टेस्ला नेवाडा येथील गिगाफॅक्टरीमध्ये अशा प्रकारच्या बॅटरी तयार केल्या जातील. जेव्हा ते नियोजित पूर्ण क्षमतेपर्यंत पोहोचते (परिस्थितीनुसार २०२० किंवा २०२१ मध्ये), तेव्हा प्लांट ३५ GWh बॅटरी तयार करेल, जे ५००,००० वाहनांना उर्जा देण्यासाठी पुरेसे आहे. यामुळे बॅटरीची किंमत आणखी कमी होईल.

NMC 811 बॅटरीमध्ये थोडी कमी विशिष्ट ऊर्जा (140-200W/kg) असते परंतु त्यांचे आयुष्य जास्त असते, 2000 पूर्ण चक्रापर्यंत पोहोचते आणि 80% निकेल, 10% मॅंगनीज आणि 10% कोबाल्ट असतात. सध्या, सर्व बॅटरी उत्पादक या दोन प्रकारांपैकी एक वापरतात. अपवाद फक्त चीनी कंपनी बीवायडी आहे, जी एलएफपी बॅटरी बनवते. त्यांच्यासह सुसज्ज कार जड आहेत, परंतु त्यांना कोबाल्टची आवश्यकता नाही. एनसीए बॅटरीला इलेक्ट्रिक वाहनांसाठी आणि एनएमसीला प्लग-इन हायब्रीडसाठी प्राधान्य दिले जाते कारण ऊर्जा घनता आणि उर्जेची घनता त्यांच्या संबंधित फायद्यांमुळे. 2,8 च्या पॉवर/क्षमता गुणोत्तरासह इलेक्ट्रिक ई-गोल्फ आणि 8,5 च्या गुणोत्तरासह प्लग-इन हायब्रिड गोल्फ GTE ही उदाहरणे आहेत. किंमत कमी करण्याच्या नावाखाली, VW सर्व प्रकारच्या बॅटरीसाठी समान सेल वापरण्याचा मानस आहे. आणि आणखी एक गोष्ट - बॅटरीची क्षमता जितकी मोठी असेल तितकी पूर्ण डिस्चार्ज आणि चार्जेसची संख्या कमी असेल आणि यामुळे त्याचे सेवा आयुष्य वाढते, म्हणून - बॅटरी जितकी मोठी तितकी चांगली. दुसरी समस्या म्हणून हायब्रीडशी संबंधित आहे.

मार्केट ट्रेंड

सध्या, वाहतुकीच्या उद्देशाने बॅटरीची मागणी आधीच इलेक्ट्रॉनिक उत्पादनांच्या मागणीपेक्षा जास्त आहे. 2020 पर्यंत प्रतिवर्षी 1,5 दशलक्ष इलेक्ट्रिक वाहने जागतिक स्तरावर विकली जातील, ज्यामुळे बॅटरीची किंमत कमी होण्यास मदत होईल असा अंदाज आहे. 2010 मध्ये, लिथियम-आयन सेलच्या 1 kWh ची किंमत सुमारे 900 युरो होती आणि आता ती 200 युरोपेक्षा कमी आहे. संपूर्ण बॅटरीच्या किंमतीपैकी 25% कॅथोडसाठी, 8% एनोड, विभाजक आणि इलेक्ट्रोलाइटसाठी, 16% इतर सर्व बॅटरी सेलसाठी आणि 35% एकूण बॅटरी डिझाइनसाठी आहे. दुसऱ्या शब्दांत, लिथियम-आयन पेशी बॅटरीच्या खर्चात 65 टक्के योगदान देतात. 2020 साठी Tesla च्या अंदाजे किंमती जेव्हा Gigafactory 1 सेवेत प्रवेश करते तेव्हा NCA बॅटरीसाठी सुमारे 300€/kWh आहेत आणि किंमतीमध्ये काही सरासरी VAT आणि वॉरंटीसह तयार उत्पादनाचा समावेश आहे. तरीही बऱ्यापैकी उच्च किंमत, जी कालांतराने कमी होत राहील.

लिथियमचे मुख्य साठे अर्जेंटिना, बोलिव्हिया, चिली, चीन, यूएसए, ऑस्ट्रेलिया, कॅनडा, रशिया, काँगो आणि सर्बिया येथे आढळतात, ज्यात बहुतांश भाग सध्या वाळलेल्या तलावांमधून उत्खनन केले जात आहेत. जसजशी अधिकाधिक बॅटरी जमा होत जातील तसतसे जुन्या बॅटरींपासून पुनर्वापर केलेल्या साहित्याचा बाजार वाढेल. तथापि, अधिक महत्त्वाची, कोबाल्टची समस्या आहे, जी मोठ्या प्रमाणात असली तरी निकेल आणि तांबेच्या उत्पादनात उप-उत्पादन म्हणून उत्खनन केली जाते. कोबाल्टचे मातीचे प्रमाण कमी असूनही, काँगोमध्ये (ज्यामध्ये सर्वात जास्त साठा उपलब्ध आहे), परंतु नैतिकता, नैतिकता आणि पर्यावरण संरक्षणास आव्हान देणाऱ्या परिस्थितीत कोबाल्टचे उत्खनन केले जाते.

हायटेक

हे लक्षात घेतले पाहिजे की नजीकच्या भविष्यासाठी एक संभाव्यता म्हणून घेतलेले तंत्रज्ञान प्रत्यक्षात मूलभूतपणे नवीन नाहीत, परंतु लिथियम-आयन पर्याय आहेत. या, उदाहरणार्थ, सॉलिड-स्टेट बॅटरीज, ज्या द्रव (किंवा लिथियम पॉलिमर बॅटर्यांमध्ये जेल) ऐवजी घन इलेक्ट्रोलाइट वापरतात. हे सोल्यूशन इलेक्ट्रोडचे अधिक स्थिर डिझाइन प्रदान करते, जे अनुक्रमे उच्च प्रवाहासह चार्ज केल्यावर त्यांच्या अखंडतेचे उल्लंघन करते. उच्च तापमान आणि उच्च भार. हे चार्जिंग करंट, इलेक्ट्रोडची घनता आणि कॅपेसिटन्स वाढवू शकते. सॉलिड स्टेट बॅटऱ्या अजूनही विकासाच्या अगदी सुरुवातीच्या टप्प्यावर आहेत आणि दशकाच्या मध्यापर्यंत मोठ्या प्रमाणावर उत्पादन होण्याची शक्यता नाही.

अॅमस्टरडॅममधील 2017 BMW इनोव्हेशन टेक्नॉलॉजी स्पर्धेत पुरस्कार विजेत्या स्टार्टअपपैकी एक बॅटरीवर चालणारी कंपनी होती जिच्या सिलिकॉन एनोडमुळे ऊर्जा घनता वाढते. अभियंते एनोड आणि कॅथोड या दोन्ही सामग्रीला अधिक घनता आणि सामर्थ्य प्रदान करण्यासाठी विविध नॅनो तंत्रज्ञानावर काम करत आहेत आणि एक उपाय म्हणजे ग्राफीनचा वापर करणे. एका अणूची जाडी आणि षटकोनी अणू रचना असलेले ग्रेफाइटचे हे सूक्ष्म स्तर सर्वात आशादायक पदार्थांपैकी एक आहेत. बॅटरी सेल उत्पादक सॅमसंग SDI ने विकसित केलेले "ग्रॅफीन बॉल्स", कॅथोड आणि एनोड संरचनेत एकत्रित केले आहेत, उच्च सामर्थ्य, पारगम्यता आणि सामग्रीची घनता प्रदान करतात आणि सुमारे 45% क्षमतेत आणि पाचपट वेगवान चार्जिंग वेळेत वाढ करतात. तंत्रज्ञानाला फॉर्म्युला ई कारमधून सर्वात मजबूत प्रेरणा मिळू शकते, जी अशा प्रकारच्या बॅटरीने सुसज्ज असणारी पहिली कार असू शकते.

या टप्प्यावर खेळाडू

टियर 123 आणि टियर 2020 पुरवठादार, म्हणजे सेल आणि बॅटरी उत्पादक, जपान (पॅनासोनिक, सोनी, जीएस युआसा आणि हिटाची व्हेईकल एनर्जी), कोरिया (एलजी केम, सॅमसंग, कोकम आणि एसके इनोव्हेशन), चीन (बीवायडी कंपनी) म्हणून मुख्य खेळाडू आहेत. . , ATL आणि Lishen) आणि USA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel आणि Valence Technology). सेल फोनचे मुख्य पुरवठादार सध्या LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (कोरिया), AESC (जपान), BYD (चीन) आणि CATL (चीन) आहेत, ज्यांचा बाजारातील दोन तृतीयांश हिस्सा आहे. युरोपमधील या टप्प्यावर, त्यांना फक्त जर्मनीतील बीएमझेड ग्रुप आणि स्वीडनमधील नॉर्थव्होल्थचा विरोध आहे. XNUMX मध्ये टेस्लाच्या गिगाफॅक्टरी लाँच झाल्यामुळे, हे प्रमाण बदलेल - अमेरिकन कंपनी लिथियम-आयन पेशींच्या जगातील उत्पादनात XNUMX% वाटा उचलेल. डेमलर आणि BMW सारख्या कंपन्यांनी यापैकी काही कंपन्यांशी आधीच करार केला आहे, जसे की CATL, जे युरोपमध्ये कारखाना बांधत आहे.