Mwongozo wa GlobalData kwa teknolojia shindani za EV powertrain
Betri ni mapipa ya mafuta ya karne ya ishirini na moja
Katika muongo mmoja uliopita, tasnia ya betri imeendelea vya kutosha kuwezesha vifaa vya kielektroniki vya watumiaji vinavyobebeka, intaneti ya simu, magari ya kwanza ya umeme, na upitishaji wa awali wa uhifadhi na utengenezaji wa nishati mbadala mara kwa mara. Kwa kuzingatia jukumu la nishati iliyohifadhiwa katika kukabiliana na mabadiliko ya hali ya hewa, itakuwa mojawapo ya sekta muhimu zaidi duniani katika kipindi cha miaka kumi ijayo.
Je, kutakuwa na betri za kutosha?
Kadiri serikali ulimwenguni pote zinavyozidi kuwa makini kuhusu kuondoa kaboni uchumi wao, mahitaji ya betri za bei nafuu, salama, zenye utendakazi wa hali ya juu, zinazodumu kwa muda mrefu na zenye alama ya chini ya kaboni zitaongezeka, hasa kutoka kwa sekta ya magari.
Kwa hivyo, vikwazo vya ugavi vitatokea katika muongo ujao. Ukosefu wa malighafi ya gharama ya chini na rahisi kusafisha ili kulisha gigafactory ya betri zilizopo na zilizopangwa ni tishio kubwa la kusambaza usalama. Zaidi ya hayo, kupungua kwa uwekezaji katika migodi muhimu ya madini - pamoja na kuongezeka kwa umuhimu wa mambo ya mazingira, kijamii, na utawala (ESG) - kutazuia maendeleo ya uwezo mpya.
Kuna uwezekano kutakuwa na upungufu mkubwa lakini wa muda wa betri duniani ifikapo 2025 kutokana na ongezeko kubwa la mahitaji ya magari ya umeme (EVs) na uhaba wa madini ya betri yaliyochimbwa na kusafishwa. Hata hivyo, sekta hii inawekeza sana ili kuzuia hili lisiwe tishio endelevu kwa kupunguza matumizi yake ya nyenzo adimu, kutengeneza nyenzo mpya na teknolojia ya betri, na, muhimu zaidi, kuunda sekta ya kimataifa ya kuchakata betri.
Wakati huo huo, udhibiti wa Uchina wa mnyororo mzima wa usambazaji wa kimataifa, kutoka kwa migodi na wasafishaji hadi alama za vipengele na wazalishaji wa seli, ni suala linaloongezeka la kijiografia. Marekani na Ulaya zinachukua hatua muhimu ili kupunguza utegemezi kwa Uchina ndani ya misururu ya ugavi wa betri zao ifikapo mwaka wa 2030. Urejelezaji wa betri unahusu zaidi siasa za kijiografia na vile vile uendelevu wa mazingira. Uchumi wa betri ya mduara utakuwa muhimu kwa mpito wa nishati, na mataifa (na makampuni) lazima yatengeneze urejelezaji wa ndani huku ujazo wa EV na viwango vya mwisho wa maisha hupanda kwa kasi.
Kemia - baadhi ya kanuni za msingi
Teknolojia za betri zinatumia kemia nyingi, aina tofauti za seli, na teknolojia mbadala.
Betri ni chombo kinachojumuisha seli moja au zaidi za elektrokemikali ambamo nishati ya kemikali hubadilishwa kuwa umeme. Zinatumika kama chanzo cha nguvu. Betri ni wawezeshaji muhimu wa teknolojia nyingine nyingi. Wao ni muhimu kwa maisha ya kisasa ya simu na uzalishaji mkubwa wa magari ya umeme (EVs). Teknolojia za kuhifadhi betri na nishati zitakuwa msingi katika mpito wa nishati mbadala.
Kuna aina mbili za seli za betri: seli za msingi na seli za pili.
- Seli za msingi huzalisha mkondo wa umeme kwa mmenyuko wa kemikali usioweza kutenduliwa na hurejelewa kama betri zinazoweza kutupwa.
- Seli za upili huunda mkondo huu wa umeme kupitia mmenyuko wa kemikali unaoweza kutenduliwa. Hizi mara nyingi hujulikana kama betri zinazoweza kuchajiwa tena au seli za kuhifadhi.
Seli ya mafuta ni chanzo kingine cha nishati, lakini sio betri. Betri huunda nishati kwa kutumia kemikali zilizomo ndani yake. Kinyume chake, seli ya mafuta hutumia usambazaji unaoendelea, wa nje wa mafuta unaopita ndani yake kama chanzo cha kemikali za uzalishaji wa umeme. Seli za mafuta zimetumika katika uchunguzi wa nafasi zisizo na rubani, magari, na kuhifadhi nishati ya dharura. Hata hivyo, mafuta yaliyotumiwa - kwa kawaida hidrojeni - yamezingatiwa kuwa hatari sana kwa matumizi ya kila siku.
Betri hubadilisha nishati ya kemikali kuwa nishati ya umeme
Betri huhifadhi nishati ya kemikali na kuibadilisha kuwa nishati ya umeme kupitia mmenyuko wa kielektroniki. Wao hujumuisha vipengele vitatu kuu: electrode chanya (cathode), electrode hasi (anode), na electrolyte. Electrodes mbili zinafanywa kwa vifaa tofauti. Electrodes hutenganishwa kutoka kwa kila mmoja na kitenganishi, ambacho kinaweza kupitisha kwa aina fulani za kemikali, na betri huwekwa kwenye casing.
Wakati betri imeunganishwa na mzunguko wa umeme, mmenyuko wa electrochemical hutokea. Elektroni hutiririka kutoka kwa anodi, kupitia waya ili kuwasha kifaa kilichounganishwa, na hadi kwenye cathode.
Kila seli ya betri ina kiasi kidogo cha nyenzo tendaji. Hatimaye, michakato ya electrochemical ndani ya betri itaacha kusambaza elektroni kwa electrode hasi, na umeme utaacha kutiririka. Kwa sababu hii, nguvu inayopatikana kwenye betri ni mdogo.
Kuanzisha upya
Betri za pili zinaweza kuchajiwa kwa kutumia chanzo cha nje, kama vile paneli za jua, mitambo ya upepo, breki za gari, au umeme wa mains. Wakati wa kuchaji tena, athari za kielektroniki hutokea kinyume, na kurejesha seli na vijenzi vyake karibu na hali yao ya asili. Hata hivyo, matukio kama vile ugumu wa betri na uundaji wa dendrite huzuia betri kutoka kwa kuchaji mara nyingi sana. Dendrites inaweza kusababisha njia fupi hatari, ingawa vitenganishi vya kauri vinatengenezwa ili kusaidia kupunguza suala hilo.
Lithium-ion (Li-ion) ndiyo teknolojia kuu ya betri kwa vifaa vilivyounganishwa (km, kompyuta za mkononi na simu mahiri), magari ya umeme (EVs), na hifadhi ya nishati mbadala nyumbani. Katika matukio haya yote ya matumizi, usalama ni muhimu sana. Li-ion inashinda katika nyanja hizi kwa sababu ya usalama wake. Kadiri mahitaji ya betri ndogo, zenye nguvu zaidi na mzunguko wa maisha marefu yanavyokua, watafiti wanajaribu kwa bidii kutatua shida za mzunguko mfupi na joto kupita kiasi, ambayo inaweza kusababisha moto na milipuko hatari.
Seli za Li-ion huhifadhi nishati zaidi kwa uzito fulani (wiani wa nishati)
Seli za Li-ion zinaweza kuhifadhi nishati zaidi kwa uzito na ujazo fulani kuliko betri za asidi ya risasi au zenye msingi wa NiMH na kuruhusu kuchaji na kuchaji haraka. Sifa hizi huwafanya kuwa bora kwa uhifadhi wa nishati kwa magari ya umeme, ambapo msongamano mkubwa wa nishati kwenye kifurushi chepesi ni muhimu.
Betri za fosforasi ya chuma ya lithiamu (LFP) ni aina nyingine ya betri inayotumika katika vifaa vya kisasa vya kubebeka. LFPs zina msongamano wa chini wa nishati kuliko betri za Li-ion, kwa hivyo ya mwisho ndiyo njia ya kawaida ya kutumia vifaa vya elektroniki vyenye njaa ambavyo huondoa betri kwa viwango vya juu. Hata hivyo, LFP zinaweza kustahimili halijoto ya juu na uharibifu mdogo na zinafaa kwa vitu vinavyohitaji kukimbia kwa muda mrefu kabla ya kutozwa. Kwa kuongezea, betri za LFP kwa kawaida huwa na mizunguko mingi ya maisha kuliko betri za Li-ion. Hiyo ni, wanaweza kushtakiwa na kuruhusiwa mara nyingi zaidi. Labda, moja ya faida kubwa za LFPs juu ya betri za Li-ion ni usalama. Kuimarika kwa uthabiti wa halijoto na kemikali kunamaanisha kuwa LFPs hukaa kwenye halijoto ya joto na haziwezi kuwaka (hazishiki moto) zikishughulikiwa vibaya wakati wa kuchaji haraka au kumwaga, au wakati wa mzunguko mfupi wa mzunguko.
Kemia za hali ya juu za betri pia zinatengenezwa ambazo zinaweza kutoa faida zaidi ya betri zinazopatikana kibiashara.
Faida za utendakazi ni pamoja na uzani mwepesi, msongamano mkubwa wa nishati, uwezo mkubwa wa kustahimili halijoto, mzunguko wa maisha uliopanuliwa, na usalama ulioimarishwa. Kwa mfano, elektroliti kioevu katika betri za Li-ioni inaweza kuwa tete sana ikiwa imeangaziwa na hewa ya nje, kama vile wakati wa ajali au kushindwa kwa muundo wa seli. Mioto ya betri ya lithiamu ni kali sana na ni ngumu kuzima, mara nyingi huhitaji kuzamishwa kabisa ndani ya maji kwa siku nyingi ili kuzima kabisa. Hakuna ushahidi wa kupendekeza moto wa EV kutokea kwa marudio yoyote zaidi kuliko moto wa magari yanayowaka - kwa hakika, huenda hata uwezekano mdogo wa kitakwimu.
Walakini, watengenezaji wa EV bado lazima wahakikishe umma kuwa magari yao yako salama. Uzinduzi mbaya wa Samsung wa Galaxy Note 7, simu mahiri inayokumbwa na moto wa betri ya Li-ion, uliweka hatari zinazoweza kutokea za kemia hii ya betri machoni pa umma - kosa ambalo watengenezaji EV hawatataka kurudia.
Betri za hali imara ni chaguo linalofuata linalofaa zaidi
Seli za hali dhabiti kwa ujumla hutumia mmenyuko ule ule wa kemikali ya msingi wa lithiamu ili kuhifadhi na kutoa nishati kama seli za kawaida. Tofauti iko katika electrolyte inayotumiwa kutenganisha anode na cathode. Seli za kawaida hutumia elektroliti inayotokana na kioevu - kwa kawaida chumvi ya lithiamu inayoahirishwa katika kutengenezea kikaboni - wakati seli za hali dhabiti hubadilishana hiyo na elektroliti thabiti nyembamba, ambayo kawaida hutengenezwa kutoka kwa kauri, polima au glasi.
Kuondoa elektroliti ya kioevu huleta faida nyingi zinazowezekana. Seli za hali dhabiti ni nyepesi na zimeshikana zaidi kuliko wenzao wa msingi wa kioevu, kumaanisha uzito wa pakiti unaweza kupunguzwa, au uwezo wa nishati kuongezeka. Zinapaswa kustahimili uundaji wa lithiamu dendrite, ambayo itaboresha utendakazi wa uondoaji wa nishati na kuongeza kasi inayoweza kutokea ya kuchaji, pamoja na kupanua maisha ya huduma ya pakiti ya betri. Kwa kuongeza, mara tu utengenezaji wa wingi unapatikana, zinapaswa kuwa rahisi na haraka zaidi kuliko seli za Li-ion za kawaida kutokana na kuondolewa kwa vimumunyisho vya viwanda.
Kuna manufaa zaidi yanayotolewa na seli za hali dhabiti katika uwanja wa usalama wa betri. Moto unaosababishwa na chembechembe za lithiamu-ionni zenye kasoro au zilizoharibika zimetangazwa kwa wingi (km Chevrolet Bolt na betri zake zinazotolewa na LG). Mara nyingi, moto huu hutokea kwa sababu kushindwa kwa ndani au uharibifu wa nje umesababisha elektroliti ya lithiamu tete kuwa wazi kwa hewa ya nje, na kusababisha kuwaka na kuweka athari ya mnyororo ambayo inaweza kuharibu pakiti nzima ya betri. Elektroliti imara huepuka matatizo haya kabisa na ni sugu kwa moto na mlipuko - hata katika tukio la kuchomwa au kuathiriwa.
Ingawa zinatoa manufaa mengi ya kinadharia, hakuna kampuni ambayo bado imeonyesha uwezo wa kutengeneza seli za hali dhabiti kwa magari mepesi, huku nyingi zikiwa bado kwenye hatua ya majaribio. Bado kuna baadhi ya masuala ambayo yamesalia kusuluhishwa ikiwa ni pamoja na kubuni elektroliti na elektrodi dhabiti kwa njia ambayo zitafanya kiolesura kisawa katika sehemu zote za uso, kwa sababu ugomvi wowote unaweza kuunda mianya inayopunguza ufanisi wa seli. Zaidi ya hayo, uthabiti wa nyenzo umeonekana kuwa tatizo, huku wepesi wa elektroliti ukisababisha mivunjiko ya hadubini ambayo huzuia utendaji wa seli.
Blue Solutions, kampuni tanzu ya Bolloré ya Ufaransa, imeshinda kandarasi ya kusambaza seli zake za serikali dhabiti kwa basi la jiji la Daimler la eCitaro G lililoainishwa - mkataba wa kwanza wa ugavi wa kibiashara uliorekodiwa kwa teknolojia hiyo. Hata hivyo, kifurushi cha hiari cha hali dhabiti kinahitaji kuongezewa joto kimakusudi hadi joto la juu kiasi la kufanya kazi la kati ya 50C na 80C - kupunguza kiwango fulani katika mchakato na kuifanya kuwa isiyofaa kutumika katika magari mepesi na mifumo yao ya matumizi isiyotabirika.
Seli za mafuta (hidrojeni) - dau la muda mrefu
Magari ya umeme ya seli za mafuta (FCEVs) huzalisha nguvu kwenye bodi kwa mafuta ya vioksidishaji - kwa kawaida hidrojeni - kupitia membrane ya seli ya mafuta, na utoaji pekee wa maji. Nguvu hii inaweza kutumwa moja kwa moja kwa motor ya umeme au kuhifadhiwa kwenye betri tofauti kwa matumizi ya baadaye. FCEV zinaweza 'kujazwa mafuta' kwa haraka sawa na magari yanayowaka kwa kujaza tena tanki na hidrojeni, kuondoa muda mrefu wa kuchaji upya unaohitajika na BEV. Msukumo kuelekea hidrojeni pia unaendeshwa kwa kiasi na jukumu lake linalowezekana kama sehemu ya uchumi wa nishati ya mzunguko. Hapa, upepo unaoweza kutumika tena au nishati ya umeme wa maji hutumiwa kupasua hidrojeni kutoka kwa maji ya bahari. Hidrojeni basi hutumika kama hifadhi ya nishati isiyo na kilele inayotokana na vyanzo hivyo.
Ingawa FCEV zina manufaa mengi, teknolojia inahitaji uboreshaji kabla ya kushindana na BEV. Gharama ya kuzalisha hidrojeni kwa sasa ni ya juu zaidi kuliko gharama ya kuzalisha petroli, na kufanya refills kuwa ghali. Zaidi ya hayo, miundombinu ya kusaidia FCEV bado haijajengwa, wakati mitandao ya kuchaji EV tayari inakua kwa kasi.
FCEV zinaweza kuwa na thamani kubwa zaidi kwa magari ya mizigo na ya kibiashara. Betri ni nzito kwa hivyo hazifai kwa lori za masafa marefu kwa sababu uzito kamili wa betri unaohitajika unaweza kutumia uwezo mkubwa sana wa kubeba. Njia zinazoweza kutabirika ambazo lori za masafa marefu huchukua pia zinahitaji vituo vichache vya kujaza mafuta ya hidrojeni ili kuhudumu kwa ufanisi.
Kimsingi, FCEV zinaonekana katika sekta kama mwelekeo unaowezekana wa kusafiri kwa usafiri kwa muda mrefu - na maombi yao yana uwezekano mkubwa zaidi katika magari ya biashara ya kazi kubwa pamoja na mitandao ya vituo vya kuchaji vilivyofungwa.
Chanzo kutoka Tu Auto
Kanusho: Maelezo yaliyoelezwa hapo juu yametolewa na just-auto.com bila ya Chovm.com. Chovm.com haitoi uwakilishi na dhamana kuhusu ubora na uaminifu wa muuzaji na bidhaa.
