'n GlobalData-gids vir mededingende EV-aandrywingstegnologieë
Batterye is die een-en-twintigste eeu se olievate
Oor die afgelope dekade het die batterybedryf voldoende gevorder om draagbare verbruikerselektronika, die mobiele internet, die eerste elektriese motors en die aanvanklike aanvaarding van intermitterende hernubare kragberging en -opwekking moontlik te maak. Gegewe gestoorde energie se versnelde en groeiende rol in die aanpak van klimaatsverandering, sal dit oor die volgende tien jaar een van die wêreld se belangrikste nywerhede word.
Sal daar genoeg batterye wees?
Namate regerings wêreldwyd ernstig raak oor die ontkoling van hul ekonomieë, sal die vraag na goedkoop, veilige, hoëprestasie, langdurige en lae-koolstofvoetspoorbatterye die hoogte inskiet, veral van die motorbedryf.
Gevolglik sal knelpunte in die voorsieningsketting oor die volgende dekade realiseer. Die gebrek aan laekoste, maklik om te suiwer grondstowwe om die wêreld se bestaande en beplande battery gigafabrieke te voed, is die grootste bedreiging om sekuriteit te verskaf. Boonop sal die afname in investering in belangrike mineraalmyne – tesame met die groeiende belangrikheid van omgewings-, maatskaplike en bestuurs- (ESG)-faktore – die ontwikkeling van nuwe kapasiteit beperk.
Daar sal waarskynlik 'n ernstige maar tydelike wêreldwye batterytekort teen 2025 wees as gevolg van 'n skerp toename in die vraag na elektriese voertuie (EV's) en 'n tekort aan ontginde en verfynde batterymetale. Die bedryf belê egter swaar om te voorkom dat dit 'n volgehoue bedreiging word deur sy gebruik van skaars materiale te verminder, nuwe materiale en batterytegnologie te ontwikkel, en, bowenal, 'n wêreldwye batteryherwinningsbedryf te skep.
Intussen is China se beheer oor die hele globale voorsieningsketting, van myne en raffinaderye tot komponentmerkers en selprodusente, 'n toenemende geopolitieke kwessie. Die VSA en Europa neem beduidende stappe om die afhanklikheid van China binne hul batteryvoorsieningkettings teen 2030 te verminder. Batteryherwinning gaan net soveel oor geopolitiek as oor omgewingsvolhoubaarheid. Die sirkulêre battery-ekonomie sal van kritieke belang wees vir die energie-oorgang, en nasies (en maatskappye) moet huishoudelike herwinning ontwikkel, aangesien EV-volumes en einde-van-lewe-volumes skerp styg.
Die chemie – 'n paar basiese beginsels
Batterytegnologieë strek oor baie chemieë, verskillende seltipes en alternatiewe tegnologieë.
'n Battery is 'n houer wat uit een of meer elektrochemiese selle bestaan waarin chemiese energie in elektrisiteit omgeskakel word. Hulle word as 'n bron van krag gebruik. Batterye is kritieke fasiliteerders van baie ander tegnologieë. Hulle is 'n integrale deel van moderne mobiele leefstyle en die massaproduksie van elektriese voertuie (EV's). Battery- en energiebergingstegnologieë sal die basis wees in die oorgang na hernubare energie.
Daar is twee tipes batteryselle: primêre selle en sekondêre selle.
- Primêre selle produseer 'n elektriese stroom deur 'n onomkeerbare chemiese reaksie en word na verwys as weggooibare batterye.
- Sekondêre selle skep hierdie elektriese stroom deur 'n omkeerbare chemiese reaksie. Dit word dikwels na verwys as herlaaibare batterye of stoorselle.
’n Brandstofsel is nog ’n energiebron, maar dit is nie ’n battery nie. Batterye skep energie deur die chemikalieë wat reeds daarin is, te gebruik. Daarteenoor gebruik 'n brandstofsel 'n deurlopende, eksterne toevoer van brandstof wat daardeur vloei as die bron van chemikalieë vir elektrisiteitsopwekking. Brandstofselle is gebruik in onbemande ruimtesondes, motors en vir rugsteunnoodkrag. Die brandstof wat gebruik word – tipies waterstof – is egter as te gevaarlik vir alledaagse gebruik beskou.
Batterye omskep chemiese energie in elektriese energie
Batterye stoor chemiese energie en sit dit om in elektriese energie deur 'n elektrochemiese reaksie. Hulle bestaan uit drie hoofkomponente: 'n positiewe elektrode (katode), 'n negatiewe elektrode (anode) en 'n elektroliet. Die twee elektrodes is van verskillende materiale gemaak. Die elektrodes word van mekaar geskei deur 'n skeier, wat semipermeabel is vir sekere chemiese spesies, en die battery word in 'n omhulsel gehuisves.
Wanneer 'n battery aan 'n elektriese stroombaan gekoppel word, vind 'n elektrochemiese reaksie plaas. Elektrone vloei vanaf die anode, deur die draad om 'n gekoppelde toestel aan te dryf, en na die katode.
Elke batterysel bevat 'n beperkte hoeveelheid reaktiewe materiaal. Uiteindelik sal die elektrochemiese prosesse binne die battery ophou om elektrone aan die negatiewe elektrode te verskaf, en elektrisiteit sal ophou vloei. Om hierdie rede is die krag beskikbaar in 'n battery beperk.
herlaai
Sekondêre batterye kan herlaai word met behulp van 'n eksterne bron, soos sonpanele, windturbines, motorremme of hoofstroom. Tydens herlaai gebeur die elektrochemiese reaksies omgekeerd, wat die sel en sy komponente tot naby hul oorspronklike toestand herstel. Verskynsels soos batteryverharding en dendrietvorming verhoed egter dat batterye 'n oneindige aantal kere herlaai. Dendriete kan tot gevaarlike kortsluiting lei, hoewel keramiekskeiers ontwikkel word om die probleem te help verlig.
Litium-ioon (Li-ion) is die oorheersende batterytegnologie vir gekoppelde toestelle (bv. skootrekenaars en slimfone), elektriese voertuie (EV's) en hernubare energieberging in die huis. In al hierdie gebruiksgevalle is veiligheid van kardinale belang. Li-ion wen in hierdie velde as gevolg van sy veiligheid. Namate die vraag na kleiner, kragtiger batterye met langer lewensiklusse toeneem, probeer navorsers aktief om die probleme van kortsluiting en oorverhitting op te los, wat tot gevaarlike brande en ontploffings kan lei.
Li-ioonselle stoor meer energie vir 'n gegewe gewig (energiedigtheid)
Li-ioonselle kan meer energie vir 'n gegewe gewig en volume stoor as loodsuur- of NiMH-gebaseerde batterye en maak voorsiening vir vinniger herlaai en ontlaai. Hierdie eienskappe maak hulle ideaal vir energieberging vir elektriese voertuie, waar groot energiedigtheid in 'n liggewig pakket noodsaaklik is.
Litium-ysterfosfaat (LFP)-batterye is nog 'n batterytipe wat in vandag se draagbare elektronika gebruik word. LFP's het 'n laer energiedigtheid as Li-ioon-batterye, so laasgenoemde is die tipiese go-to vir kraghonger elektronika wat batterye teen hoë tempo leegmaak. LFP's kan egter hoë temperature met minimale agteruitgang weerstaan en is geskik vir voorwerpe wat vir lang tydperke moet hardloop voordat hulle gelaai word. Daarbenewens het LFP-batterye tipies meer lewensiklusse as Li-ioon-batterye. Dit wil sê, hulle kan meer keer gelaai en ontslaan word. Waarskynlik is veiligheid een van die grootste voordele van LFP's bo Li-ioon-batterye. Verbeterde termiese en chemiese stabiliteit beteken dat LFP's koel bly in warm temperature en onbrandbaar is (nie vlamvat nie) as dit verkeerd hanteer word tydens vinnige laai of ontlaai, of tydens kortsluiting.
Gevorderde batterychemie word ook ontwikkel wat voordele bo kommersieel beskikbare batterye kan bied.
Werkverrigtingvoordele sluit in 'n ligter gewig, hoër energiedigtheid, breër temperatuurtoleransie, verlengde lewensiklus en verbeterde veiligheid. Byvoorbeeld, die vloeibare elektroliet in Li-ion batterye kan ongelooflik vlugtig word as dit aan buitelug blootgestel word, soos tydens 'n ongeluk of 'n mislukking van die sel se struktuur. Litiumbatterybrande is veral gewelddadig en moeilik om te blus, en moet dikwels vir verskeie dae heeltemal in water gedompel word om heeltemal inert te word. Daar is geen bewyse wat daarop dui dat EV-brande met 'n groter frekwensie voorkom as brande in verbrandingsvoertuie nie - dit kan inderdaad selfs statisties minder waarskynlik wees.
EV-vervaardigers moet egter steeds die publiek verseker dat hul voertuie veilig is. Samsung se rampspoedige bekendstelling van die Galaxy Note 7, 'n slimfoon wat geteister word deur Li-ioon-batterybrande, het die potensiële gevare van hierdie batterychemie in die publieke oog gedryf – 'n fout wat EV-vervaardigers nie sal wil herhaal nie.
Vastetoestandbatterye is die volgende mees lewensvatbare opsie
Vastetoestandselle gebruik oor die algemeen dieselfde litium-ioon-gebaseerde chemiese reaksie om energie te berg en te ontlaai as konvensionele selle. Die verskil lê in die elektroliet wat gebruik word om die anode en katode te skei. Konvensionele selle gebruik 'n vloeistof-gebaseerde elektroliet - gewoonlik 'n litiumsout wat in 'n organiese oplosmiddel gesuspendeer is - terwyl vaste toestand selle dit verruil vir 'n wafeldun vaste elektroliet, gewoonlik gemaak van óf keramiek, polimeer of glas.
Die verwydering van die vloeibare elektroliet bring baie potensiële voordele. Vastetoestandselle is ligter en meer kompak as hul vloeistof-gebaseerde eweknieë, wat beteken dat pakgewig verminder kan word, of energiekapasiteit verhoog kan word. Hulle behoort meer bestand te wees teen litiumdendrietvorming, wat kragontladingsprestasie sal verbeter en potensiële laaispoed sal verhoog, tesame met die verlenging van die dienslewe van die batterypak. Boonop, sodra massavervaardiging bereik is, behoort dit makliker en vinniger te wees om te maak as konvensionele Li-ion-selle danksy die verwydering van industriële oplosmiddels.
Daar is selfs meer duidelike voordele wat soliede-toestandselle bied op die gebied van batteryveiligheid. Brande wat deur gebrekkige of beskadigde litium-ioonselle veroorsaak word, is wyd bekend gemaak (bv. Chevrolet Bolt en sy batterye van LG). In baie gevalle kom hierdie brande voor omdat interne mislukking of eksterne skade veroorsaak het dat die vlugtige litiumelektroliet aan die buitelug blootgestel word, wat veroorsaak dat dit ontvlam en 'n kettingreaksie veroorsaak wat die hele batterypak kan vernietig. Vaste elektroliete systap hierdie probleme heeltemal en is hoogs bestand teen brand en ontploffing – selfs in die geval dat hulle deurboor of geraak word.
Alhoewel dit baie teoretiese voordele bied, het geen maatskappy nog die vermoë getoon om vastestofselle vir ligte voertuie in massa te vervaardig nie, met die meeste nog in die banktoetsstadium. Daar is nog 'n paar kwessies oor om op te los, insluitend die ontwerp van die soliede elektroliet en elektrodes op so 'n manier dat hulle eweredig oor hul hele oppervlak koppel, want enige vervorming kan gapings skep wat seldoeltreffendheid beperk. Daarbenewens is getoon dat materiaalstabiliteit 'n probleem is, met die brosheid van die elektroliet wat lei tot mikroskopiese frakture wat selprestasie beperk.
Blue Solutions, 'n filiaal van Frankryk se Bolloré, het 'n kontrak gekry om sy vastestofselle vir Daimler se eCitaro G geartikuleerde stedelike bus te verskaf – die eerste aangetekende kommersiële verskaffingsooreenkoms vir die tegnologie. Die opsionele vastestofpak moet egter doelbewus verhit word tot 'n relatief hoë bedryfstemperatuur van tussen 50C en 80C - wat 'n mate van reeks in die proses onderbreek en dit onvanpas maak vir gebruik in ligte voertuie met hul onvoorspelbare gebruikspatrone.
Brandstofselle (waterstof) – 'n langtermyn weddenskap
Brandstofsel elektriese voertuie (FCEV's) genereer krag aan boord deur brandstof – gewoonlik waterstof – deur 'n brandstofselmembraan te oksideer, met die enigste uitlaatgasse water. Hierdie krag kan direk na die elektriese motor gestuur word of in 'n aparte battery gestoor word vir latere gebruik. FCEV's kan vinnig 'gevul' word op soortgelyke wyse as verbrandingsvoertuie deur die tenk met waterstof te vul, wat die lang herlaaiperiode wat deur BEV's vereis word, uitskakel. Die stoot na waterstof word ook gedeeltelik gedryf deur sy potensiële rol as deel van 'n sirkulêre energie-ekonomie. Hier word hernubare wind- of hidro-elektriese energie gebruik om waterstof uit seewater te kraak. Die waterstof dien dan as 'n stoor vir die buite-spitenergie wat deur daardie bronne gegenereer word.
Terwyl FCEV's baie potensiële voordele inhou, moet die tegnologie verfyning voordat dit met BEV's kan meeding. Die koste van die opwekking van waterstof is tans hoër as die koste van die vervaardiging van petrol, wat hervulling duur maak. Boonop moet die infrastruktuur om FCEV's te ondersteun nog gebou word, terwyl EV-herlaainetwerke reeds vinnig groei.
FCEV's kan van die grootste waarde wees vir swaardiens- en kommersiële voertuie. Batterye is swaar en is dus nie goed geskik vir langafstandvragmotors nie, want die blote gewig van batterye wat benodig word, sal te veel potensiële dravermoë opgebruik. Die voorspelbare roetes wat langafstandvragmotors neem, vereis ook minder waterstofvulstasies om doeltreffend te dien.
In wese word FCEV's in die bedryf gesien as 'n waarskynlike reisrigting vir vervoer op lang termyn - met hul toepassings waarskynlik aanvanklik in swaardiens-handelsvoertuie langs geslote-lus-laaistasienetwerke.
Bron van Net Auto
Vrywaring: Die inligting hierbo uiteengesit word verskaf deur just-auto.com onafhanklik van Chovm.com. Chovm.com maak geen voorstelling en waarborge oor die kwaliteit en betroubaarheid van die verkoper en produkte nie.
