Ciamar a bheir bataraidhean lithium-ion cumhachd don t-saoghal againn?

Tha mi air a bhith air mo ghlacadh leis na cumhachdan lùtha seo anns na h-innealan againn. Dè tha gan dèanamh cho rèabhlaideach? Leig dhomh roinn na tha mi air faighinn a-mach.

Bidh bataraidhean lithium-ion a’ gineadh dealain tro ghluasad lithium-ion eadar anod agus catod rè chuairtean cosgais/sgaoilidh. Tha an dùmhlachd lùtha àrd agus an comas ath-luchdachadh gan dèanamh freagarrach airson electronics so-ghiùlain agus carbadan dealain, eu-coltach ri roghainnean eile a ghabhas cuidhteas.

Ach tha barrachd fon uachdar. Tha tuigse air na meacanaig aca a’ sealltainn carson a tha iad a’ faighinn làmh an uachdair air teicneòlas an latha an-diugh – agus dè na crìochan a dh’fheumas sinn dèiligeadh riutha.

Ciamar a tha bataraidhean lithium-ion ag obair dha-rìribh?

B’ àbhaist dhomh a bhith a’ faighneachd mun draoidheachd a bha am broinn bataraidh mo choimpiutair-uchd. Tha an fhìrinn eadhon nas inntinniche na draoidheachd.

Bidh ianan litiam a’ gluasad bhon chatod chun anod rè cosgais tro electrolyte, a’ stòradh lùth. Rè an dì-luchdachadh, bidh ianan a’ tilleadh chun chatod, a’ leigeil ma sgaoil dealanan tron ​​chuairt taobh a-muigh. Leigidh an ath-bhualadh dealan-cheimigeach in-thionndaidheach seo le ath-chleachdadh.

Aig an ìre mhóileciuil, bidh an catod (mar as trice lithium metal oxide) a’ leigeil ma sgaoil ianan lithium nuair a thòisicheas an cosgais. Bidh na h-ianan seo a’ siubhal tron ​​electrolyte leaghaidh agus a’ dol a-steach do shreathan grafait an anod ann am pròiseas ris an canar eadar-chur. Aig an aon àm, bidh dealanan a’ sruthadh tron ​​charger agad a-steach don anod.

Nuair a bhios e air a dhì-luchdachadh, bidh am pròiseas ag atharrachadh: bidh ianan lithium a’ fàgail an anod, a’ dol thairis air membran an dealachaidh, agus a’ dol a-steach a-rithist don structar catod. Bidh na dealanan a thèid a leigeil ma sgaoil a’ toirt cumhachd don inneal agad tron ​​chuairt. Am measg nam prìomh innleachdan tha:

• Leasachadh electrolyte: Bidh stuthan cur-ris ùra a’ lughdachadh cruthachadh dendrite a dh’ adhbhraicheas cuairtean goirid
• Dealbhaidhean staid-chruaidh: Cuir stiùirichean ceirmeag/polymer an àite electrolytes leaghaidh gus casg a chur air aodion
• Adhartasan anode: Bidh co-dhèanamh silicon a’ meudachadh comas stòraidh lithium 10x an taca ri grafait

Tha pàirt chudromach aig an dealaichear ann an sàbhailteachd – leigidh na pores beaga bìodach aige le ianan gluasad agus aig an aon àm a’ cur bacadh air conaltradh corporra eadar electrodan. Bidh siostaman riaghlaidh bataraidh an-còmhnaidh a’ cumail sùil air bholtaids agus teòthachd gus casg a chuir air cus cosgais, a dh’ fhaodadh teicheadh ​​teirmeach adhbhrachadh.

Dè an diofar a tha eadar diofar sheòrsaichean bataraidhean lithium-ion?

Chan eil a h-uile bataraidh lithium air an cruthachadh co-ionnan. Dh'ionnsaich mi seo nuair a bha mi a' dèanamh coimeas eadar modalan EV an-uiridh.

Am measg nam prìomh atharrachaidhean tha ceimigeachd catod (LCO, NMC, LFP), rangachadh dùmhlachd lùtha, beatha cearcall, agus seasmhachd teirmeach. Bidh bataraidhean LFP a’ tabhann beatha nas fhaide agus sàbhailteachd nas fheàrr, agus tha NMC a’ toirt seachad dùmhlachd lùtha nas àirde airson raon nas fhaide.

Tha co-dhèanamh catod a’ mìneachadh feartan coileanaidh:

• LCO (Lithium Cobalt Oxide): Dùmhlachd lùtha àrd ach fad-beatha nas giorra (500-800 cearcall). Air a chleachdadh ann am fònaichean sgairteil
• NMC (Nickel Manganese Cobalt): Dùmhlachd lùtha/cumhachd cothromach (1,500-2,000 cearcall). A’ faighinn làmh an uachdair air carbadan dealain mar Tesla
• LFP (Lithium Iron Phosphate): Seasmhachd teirmeach air leth (3,000+ cearcall). Air a ghabhail os làimh le BYD agus Tesla Standard Range
• NCA (Nickel Cobalt Aluminum): Dùmhlachd lùtha as àirde ach seasmhachd nas ìsle. ​​Cleachdaidhean sònraichte

Tha innleachdan anode a’ dèanamh eadar-dhealachadh nas motha air na seòrsaichean:

• Grafait: Stuth àbhaisteach le deagh sheasmhachd
• Silicon-composite: comas 25% nas àirde ach cùisean leudachaidh
• Lithium-titanate: Cosgais ultra-luath (10min) ach dùmhlachd lùtha nas ìsle

Bidh buaidh aig foirmlean electrolyte air coileanadh teòthachd. Bidh electrolytes ùra fluorinated ag obair aig -40°C, agus bidh stuthan cur-ris ceirmeag a’ comasachadh cosgais anabarrach luath. Bidh a’ chosgais ag atharrachadh gu mòr cuideachd – tha ceallan LFP 30% nas saoire na NMC ach nas truime.

Carson a tha bataraidhean lithium-ion cho cumanta ann an carbadan dealain?

Nuair a bha mi a’ dèanamh deuchainn-dràibhidh air carbadan dealain, thuig mi nach e dìreach co-phàirtean a th’ anns na bataraidhean aca – gur iad am bunait.

Tha lithium-ion a’ faighinn làmh an uachdair air carbadan dealain air sgàth co-mheasan lùtha-ri-cuideam gun choimeas (200+ Wh/kg), comas cosgais luath, agus cosgaisean a tha a’ crìonadh (lùghdachadh 89% bho 2010). Bidh iad a’ toirt seachad raointean 300+ mìle nach gabh a dhèanamh le roghainnean eile mar luaidhe-aigéad no nicil-meatailt haidrid.

Tha trì buannachdan teicnigeach a’ daingneachadh an ceannas:

1. Àrd-èifeachdas dùmhlachd lùtha: Tha 12,000 Wh/kg ann am peatrail, ach chan eil einnseanan ICE ach 30% èifeachdach. Bidh bataraidhean NMC an latha an-diugh a’ lìbhrigeadh 4-5 uiread a bharrachd lùth a ghabhas cleachdadh gach kg na roghainnean eile stèidhichte air nicil, a’ comasachadh raointean practaigeach.
2. Èifeachdas cosgais: Gabhaidh lithium-ion ri cosgais luath 350kW+ (a’ cur 200 mìle ris ann an 15 mionaidean) air sgàth strì an aghaidh a-staigh ìosal. Feumaidh ceallan connaidh haidridean ath-lìonadh 3 tursan nas fhaide airson an aon raon.
3. Co-obrachadh breiceadh ath-ghinealach: Bidh ceimigeachd lithium ag ath-ghlacadh 90% de lùth breiceadh an taca ri 45% airson luaidhe-aigéad. Tha seo a’ leudachadh an raoin le 15-20% ann an dràibheadh ​​​​​​baile.

Bidh innleachdan saothrachaidh mar theicneòlas cealla-gu-pacaid CATL a’ cuir às do phàirtean modúlach, ag àrdachadh dùmhlachd pacaid gu 200Wh/kg agus a’ lughdachadh chosgaisean gu $97/kWh (2023). Tha prototypes staid-chruaidh a’ gealltainn 500Wh/kg ro 2030.

Dè na draghan sàbhailteachd cudromach a th’ ann a thaobh bataraidhean lithium-ion?

Thug a bhith a’ faicinn bataraidhean EV a’ losgadh air na naidheachdan orm sgrùdadh a dhèanamh air fìor chunnartan an taca ri brosnachadh.

Is e teicheadh ​​teirmeach – cus teasachadh gun smachd air adhbhrachadh le cuairtean goirid no milleadh – am prìomh chunnart. Tha dìonan an latha an-diugh a’ toirt a-steach dealadairean còmhdaichte le ceirmeag, electrolytes lasair-dhìonach, agus siostaman riaghlaidh bataraidh ioma-fhilleadh a bhios a’ cumail sùil air gach cealla 100x/diog.

Bidh teicheadh ​​teirmeach a’ tòiseachadh nuair a bhios an teòthachd nas àirde na 150°C, ag adhbhrachadh ath-bheachdan lobhadh:

1. Briseadh sìos sreath SEI (80-120°C)
2. Ath-bhualadh electrolyte leis an anod (120-150°C)
3. Lobhadh catòid a’ leigeil ma sgaoil ocsaidean (180-250°C)
4. Losgadh electrolyte (200°C+)

Bidh luchd-saothrachaidh a’ cur còig sreathan dìon an sàs:

• Dealbhadh casgach: Stuthan cur-ris a chuireas casg air dendritean ann an electrolytes
• “Siostaman cuibhreachaidh”: Seanalan fuarachaidh eadar ceallan agus ballachan-teine
• Sgrùdadh: mothachairean bholtaids/teòthachd air gach cealla
• “Smachdan bathar-bog”: A’ dealachadh cheallan millte taobh a-staigh mìle-diogan
• “Dìon structarail”: Cèidsean bataraidh a ghabhas bualadh

Bidh ceimigeachd fosfáit iarainn (LFP) a’ seasamh ri 300°C mus lobhadh e an taca ri 150°C airson NMC. Bidh bataraidhean sodium-ion ùra a’ cuir às do chunnartan teine ​​gu tur ach tha dùmhlachd nas ìsle aca. Cleachd luchd-cosgais le teisteanas bhon neach-dèanamh an-còmhnaidh – tha 78% de na fàilligidhean a’ toirt a-steach uidheamachd iar-mhargaidh.

Co-dhùnadh

Bidh teicneòlas lithium-ion a’ cothromachadh dùmhlachd lùtha, cosgais agus sàbhailteachd – ach tha e a’ sìor leasachadh. Dh’fhaodadh bataraidhean cruaidh-staid an ama ri teachd fuasgladh fhaighinn air crìochan an latha an-diugh agus aig an aon àm cumhachd a thoirt don àm ri teachd seasmhach againn.