Dorota
Przyjrzenie się temu, jak produkowane są ogniwa do samochodów elektrycznych, to świetny sposób na poznanie funkcjonowania branży. Przyjrzymy się technologiom stojącym za bateriami kobaltowymi i litowo-jonowymi oraz temu, jak są one składane w moduły bateryjne.
Technologia akumulatorów półprzewodnikowych
Pomimo szumu, technologia akumulatorów półprzewodnikowych dla samochodów elektrycznych nie jest jeszcze dostępna komercyjnie. Jednak prawdopodobnie stanie się ona rzeczywistością w ciągu najbliższej dekady. Wiele firm próbuje wprowadzić tę technologię na rynek.
Jedną z wiodących firm w wyścigu jest Solid Power, firma z siedzibą w Kolorado, która pozyskała ponad 540 milionów dolarów finansowania i nawiązała współpracę z firmami, w tym Fordem i BMW. Firma zainstalowała pilotażową linię produkcyjną, która może wykonać 300 ogniw baterii półprzewodnikowych tygodniowo.
Niektórzy analitycy szacują, że technologia baterii półprzewodnikowych może zostać skomercjalizowana do 2025 roku. Jednak ta data jest zbyt późna, aby samochody elektryczne były dostępne dla przeciętnego pracownika.
Baterie półprzewodnikowe oferowałyby od dwóch do dziesięciu razy większą gęstość energii niż baterie litowo-jonowe i mogłyby ładować się szybciej – fragment ten jest wynikiem działań ekipy serwisu zrobimto.pl. Jednakże, nadal istnieje kilka problemów z bateriami półprzewodnikowymi. Należą do nich zachowanie materiału, zachowanie pojemności i czas ładowania.
Baterie półprzewodnikowe są również podatne na wewnętrzne przebicie przez dendryty. Dendryty to gałęzie lub dzikie grzyby, które mają tendencję do wzrostu wewnątrz baterii podczas ładowania lub rozładowywania. Te gałęzie mogą skrócić żywotność baterii lub spowodować jej wadliwe działanie.
Innym problemem związanym z bateriami półprzewodnikowymi jest konieczność stosowania drogiego, przyjaznego dla środowiska procesu produkcji end-to-end. Dzieje się tak dlatego, że ogniwa muszą być podgrzane do temperatury 50C – 80C, aby stały się stałe. Technologia akumulatorów półprzewodnikowych dla samochodów elektrycznych będzie musiała przezwyciężyć te problemy, aby stać się opłacalną komercyjnie.
Kolejnym wyzwaniem w technologii akumulatorów półprzewodnikowych do samochodów elektrycznych jest zastosowanie elektrolitów ceramicznych. Elektrolity te nie mają elastyczności elektrolitów cienkowarstwowych polimerowych na bazie litowo-tlenowej i azotowej, które są bardziej elastyczne i mają lepszą gęstość energii.
Podczas gdy technologia akumulatorów półprzewodnikowych dla samochodów elektrycznych jest wciąż w fazie eksperymentalnej, firmy biorące udział w wyścigu do produkcji tej technologii zatrudniają się jak szalone. Akumulator półprzewodnikowy może być następnym źródłem zasilania dla samochodów elektrycznych, pomagając producentom spełnić obietnice produkcyjne.
Kluczową innowacją w dziedzinie baterii jest znalezienie tańszych baterii. Ostatecznie baterie te będą musiały stać się bardziej wytrzymałe i trwać dłużej.
Technologia baterii litowo-jonowych
Obecnie wiodącym typem baterii do samochodów elektrycznych jest litowo-jonowa. Ta technologia akumulatorów charakteryzuje się wysoką gęstością energii i długą żywotnością cyklu. Jednak wraz z rozwojem rynku pojazdów elektrycznych producenci stają przed wyzwaniem znalezienia tańszych akumulatorów. Jest to szczególnie ważne dla producentów samochodów, którzy dążą do obniżenia kosztów transportu.
Jednym z obiecujących rozwiązań jest opracowanie technologii akumulatorów półprzewodnikowych. Zamiast ciekłego elektrolitu, do przenoszenia jonów litu wykorzystuje się elektrolit stały. Mówi się, że ten typ baterii eliminuje ryzyko ucieczki termicznej. Pozwala na uzyskanie większej gęstości energii i jest stabilny w szerokim zakresie napięć. Jednak ta technologia może nie być skalowalna, ponieważ istnieją skomplikowane etapy produkcji.
Inny obiecujący skład chemiczny baterii jest opracowywany przez IBM Research. Ta chemia baterii jest wolna od metali ciężkich i może zapewnić większą moc. Ponadto, może ładować się szybciej niż baterie litowo-jonowe.
Innym obiecującym rozwiązaniem dla poprawy gęstości energii jest zastosowanie katody kompozytowej. Ten typ katody wykorzystuje mezoporowate mikrocząstki krzemu i mówi się, że poprawia gęstość energii.
Inną obiecującą technologią jest wykorzystanie nanowirów krzemowych jako elektrod. Może to zwiększyć gęstość energii nawet o 20-40 procent i może być przydatne do poprawy wydajności baterii. Uniwersytet Kalifornijski w Riverside również pracuje nad tego typu technologią baterii.
Inną obiecującą opcją jest wykorzystanie manganu. Chociaż jest on droższy od innych metali, może pomóc w poprawie gęstości energii baterii. Argonne National Laboratory również pracuje nad sposobem zwiększenia ilości manganu.
Inną obiecującą technologią baterii jest fosforan żelaza litu. Ta chemia baterii nie wykorzystuje kobaltu i jest tańsza. Jego katody są również bezpieczniejsze.
Kilku producentów samochodów patrzy na akumulatory półprzewodnikowe. Niektórzy producenci uważają, że mogą one poprawić zasięg, wydajność i szybkość ładowania. GM ma plan opracowania baterii o żywotności miliona mil.
Innym obiecującym startupem jest Silnano. Firma ta pracuje nad zastąpieniem grafitu jako anody dla baterii litowo-jonowych. Otrzymali finansowanie od BMW i Daimlera. Mają nadzieję zwiększyć wydajność baterii nawet o 40 procent, a także zwiększyć szybkość ładowania nawet o 30 procent.
Technologia akumulatorów bez kobaltu
Kilku producentów samochodów stara się opracować technologię akumulatorów bez kobaltu dla samochodów elektrycznych. Choć może się to wydawać oczywiste, zmiana składu chemicznego akumulatora nigdy nie jest łatwa. Istnieją zalety i wady, które należy rozważyć w fazie planowania.
Pierwszym z nich jest koszt kobaltu. Jest to jeden z najdroższych surowców stosowanych w bateriach litowo-jonowych. Jego cena w ostatnich latach była zmienna. Instytut Zarządzania Podażą szacuje, że zapotrzebowanie na kobalt wzrośnie o 60-70 procent, ponieważ pojazdy elektryczne stają się bardziej powszechne.
Drugim jest promieniste rozmieszczenie cząstek pierwotnych w kształcie prętów, które, jak się uważa, poprawiają trwałość cyklu i zmniejszają mikropęknięcia. Jest to mały krok w dobrym kierunku, ale potrzebny jest większy.
Technologia baterii bez kobaltu dla samochodów elektrycznych zawiera również inne małe, ale ważne innowacje. Na przykład zachowuje tę samą strukturę krystaliczną tradycyjnego tlenku litowo-kobaltowego, dzięki czemu może działać równie dobrze jak jego tradycyjna wersja.
Innym jest zastosowanie elektrolitów półprzewodnikowych, co jest świetnym sposobem na wydłużenie żywotności baterii litowo-jonowych. Elektrolit półprzewodnikowy otworzył nowy świat materiałów anodowych. Branża baterii litowo-jonowych jest wrażliwa na zmiany w branży pojazdów elektrycznych.
Rynek EV ma się podwoić w ciągu najbliższych pięciu lat, a przemysł samochodowy spieszy się, by sprostać zapotrzebowaniu. Jednak łańcuch dostaw dla baterii litowo-jonowych jest niepewny. Kobalt jest jednym z najdroższych surowców, a jego dostępność jest ograniczona. Branża baterii litowo-jonowych jest również branżą downstream, która jest podatna na zmiany w polityce.
W Stanach Zjednoczonych ustawodawstwo klasyfikuje baterie jako odpady niebezpieczne. Nie jest to idealne środowisko dla przemysłu akumulatorowego, a niektórzy producenci samochodów podejmują kroki w celu zabezpieczenia się przed zmiennością rynku. Niektórzy z nich zawarli nawet bezpośrednie umowy na dostawy z górnikami.
Technologia baterii bez kobaltu dla samochodów elektrycznych ma wiele do zaoferowania, ale wymaga pewnych kompromisów. Kobalt jest drogi, a producenci są motywowani przez koszty i troskę o środowisko.
Montaż ogniw baterii w moduły baterii
Montaż pakietów baterii do samochodów elektrycznych to skomplikowany proces. Obejmuje on liczne połączenia elektryczne, precyzję i dostrojenie. Ma również wpływ na wydajność baterii, dystrybucję ciepła i podatność na czynniki środowiskowe. Niezbędne jest zrozumienie tego procesu.
Montaż pakietów baterii do pojazdów elektrycznych wymaga połączenia zautomatyzowanych ramion robotów, ręcznych i zrobotyzowanych ramion montażowych oraz sprzętu do monitorowania elektrycznego. Moduły baterii są umieszczane w twardej, zamkniętej obudowie i mocowane do ramy samochodu. Zestaw akumulatorów jest również podłączony do systemu BMS i urządzenia chłodzącego.
Poszczególne ogniwa akumulatora wykonane są z kobaltu, niklu, manganu i litu. Każde ogniwo zawiera separator i anodę. Ogniwa są układane szeregowo w celu uzyskania pożądanego napięcia wyjściowego i pojemności amperogodzin.
Liczba pojedynczych ogniw baterii EV, które są używane w pojeździe, zależy od ostatecznej konstrukcji produktu. Zależy ona od tego, jak długo akumulator będzie działał oraz od wydajności poszczególnych ogniw.
Każde ogniwo posiada płyn elektrolitowy, który jest wykonany z wody destylowanej lub stałego elektrolitu, podobnie jak w akumulatorach litowo-jonowych. Baterie te są przeznaczone do dostarczania prądu stałego do silników EV.
Akumulatory te są produkowane w specjalistycznych zakładach. Koszt każdego ogniwa jest ustalany przez producenta akumulatorów. Następnie są one wysyłane do zakładów produkujących samochody jako gotowe produkty. Niektórzy producenci stosują nakładki modułowe do łączenia ogniw ze sobą.
Montaż pakietu akumulatorów do pojazdów elektrycznych obejmuje dziesiątki obrobionych elementów. Elementy te mogą obejmować tace ogniw, mocowania ogniw, kable sterujące, kołki ustalające, zestawy przewodów do czujników, manometry i wsporniki kątowe. Każdy z tych elementów odgrywa ważną rolę w końcowym etapie montażu pakietu akumulatorów.
Wstępny montaż systemu styku ogniw odbywa się na liniach produkcyjnych upstream w wysoce zautomatyzowanych procesach. Część nośna systemu CCS jest następnie przekazywana do dalszego montażu modułów poprzez sekcje buforowe. Proces montażu wstępnego obejmuje procesy spawania laserowego w celu połączenia poszczególnych stosów komórek z częścią nośną CCS.
Poszczególne ogniwa baterii są następnie montowane w moduł baterii. Moduły są zazwyczaj umieszczone w metalowej ramie, która chroni ogniwa przed zewnętrznymi czynnikami stresowymi. Następnie są one łączone ze sobą w celu zwiększenia napięcia wyjściowego i pojemności amperogodzin.