Манай төхөөрөмжүүдийн эдгээр эрчим хүчний цахилгаан станцууд миний сэтгэлийг татсан. Юу тэднийг ийм хувьсгалч болгодог вэ? Би олж мэдсэн зүйлээ хуваалцъя.
Лити-ион батерейнууд нь цэнэглэх/цэнэглэх мөчлөгийн үед анод ба катодын хоорондох лити-ион хөдөлгөөнөөр цахилгаан үүсгэдэг. Тэдний эрчим хүчний өндөр нягтрал, цэнэглэх чадвар нь нэг удаагийн хувилбараас ялгаатай нь зөөврийн электрон хэрэгсэл, цахилгаан тээврийн хэрэгсэлд тохиромжтой.
Гэхдээ гадаргын доор илүү их зүйл бий. Тэдний механикийг ойлгох нь орчин үеийн технологид яагаад давамгайлж байгааг, мөн бид ямар хязгаарлалтыг шийдвэрлэх ёстойг харуулдаг.
Лити-ион батерей хэрхэн ажилладаг вэ?
Зөөврийн компьютерын батерейны ид шидийн талаар би гайхдаг байсан. Бодит байдал нь ид шидээс ч илүү сэтгэл татам юм.
Лити ионууд нь электролитээр цэнэглэгдэх үед катодоос анод руу шилжиж, энерги хадгалдаг. Цэнэглэх үед ионууд катод руу буцаж, электронуудыг гадаад хэлхээгээр ялгаруулдаг. Энэхүү урвуу цахилгаан химийн урвал нь дахин ашиглах боломжийг олгодог.
Молекулын түвшинд катод (ихэвчлэн литийн металлын исэл) цэнэглэж эхлэхэд литийн ионуудыг ялгаруулдаг. Эдгээр ионууд нь шингэн электролитээр дамжин анодын бал чулуун давхаргад орж, интеркаляци гэж нэрлэгддэг процесст ордог. Үүний зэрэгцээ электронууд таны цэнэглэгчээр дамжин анод руу урсдаг.
Цэнэглэх үед процесс урвуу болно: Лити ионууд анодоос гарч, тусгаарлагч мембраныг гаталж, катодын бүтцэд дахин орно. Гарсан электронууд нь таны төхөөрөмжийг хэлхээгээр тэжээдэг. Гол шинэчлэлтүүд нь:
- Электролитийг оновчтой болгох: Шинэ нэмэлтүүд нь богино холболт үүсгэдэг дендрит үүсэхийг багасгадаг
- Хатуу төлөвт загвар: Шингэн электролитийг гоожихоос сэргийлж керамик/полимер дамжуулагчаар солино.
- Анодын дэвшилтүүд: Цахиурын нийлмэл материалууд нь графиттай харьцуулахад литийн багтаамжийг 10 дахин нэмэгдүүлдэг.
Тусгаарлагч нь аюулгүй байдлын чухал үүрэг гүйцэтгэдэг - микроскопийн нүхнүүд нь электродуудын хоорондох физик холбоог хааж, ион нэвтрүүлэх боломжийг олгодог. Батерейны удирдлагын систем нь дулааны алдагдлыг өдөөж болох хэт цэнэглэлтээс урьдчилан сэргийлэхийн тулд хүчдэл ба температурыг байнга хянаж байдаг.
Лити-ион батерейны төрлийг юугаараа ялгадаг вэ?
Бүх литийн батерейнууд адилхан бүтээгддэггүй. Өнгөрсөн жил EV загваруудыг харьцуулж байхдаа би үүнийг мэдсэн.
Гол өөрчлөлтүүд нь катодын хими (LCO, NMC, LFP), эрчим хүчний нягтын зэрэглэл, мөчлөгийн амьдрал, дулааны тогтвортой байдал зэрэг орно. LFP батерей нь илүү урт наслалт, дээд зэргийн аюулгүй байдлыг хангадаг бол NMC нь илүү урт хугацаанд эрчим хүчний нягтралыг өгдөг.
Катодын найрлага нь гүйцэтгэлийн шинж чанарыг тодорхойлдог.
- LCO (Литийн кобальт исэл): Эрчим хүчний өндөр нягтралтай боловч ашиглалтын хугацаа богино (500-800 цикл). Ухаалаг гар утсанд ашигладаг
- NMC (Никель манганы кобальт): Тэнцвэржүүлсэн энерги/чадлын нягт (1500-2000 цикл). Тесла шиг цахилгаан машинуудад давамгайлдаг
- LFP (литийн төмрийн фосфат): дулааны онцгой тогтвортой байдал (3000+ цикл). BYD болон Tesla Standard Range-аас баталсан
- NCA (Никель кобальт хөнгөн цагаан): Эрчим хүчний хамгийн их нягтралтай боловч тогтвортой байдал бага. Тусгай програмууд
| Харьцуулах хэмжээ | LCO | NMC | LFP | NCA |
| Химийн томъёо | LiCoO₂ | LiNiMnCoO₂ | LiFePO₄ | LiNiCoAlO₂ |
| Эрчим хүчний нягтрал | 150-200 Вт.ц/кг | 180-250 Вт/кг | 120-160 Вт/кг | 220-280 Вт.ц/кг |
| Амьдралын мөчлөг | 500-800 мөчлөг | 1500-2000 мөчлөг | 3000-7000 мөчлөг | 800-1200 мөчлөг |
| Дулааны гүйлтийн эхлэл | 150°С | 210 ° C | 270 ° C | 170 ° C |
| Зардал (кВт цаг тутамд) | 130-150 доллар | 100-120 доллар | 80-100 доллар | 140-160 доллар |
| Цэнэглэх хувь | 0.7С (Стандарт) | 2-4C (хурдан цэнэглэх) | 1-3C (хурдан цэнэглэх) | 1С (Стандарт) |
| Бага температурын гүйцэтгэл | -20°C (60% дээд тал) | -30°C (70% дээд тал) | -20°C (80% дээд тал) | -20°C (50% дээд тал) |
| Үндсэн програмууд | Ухаалаг утас/таблет | Цахилгаан машин (Tesla гэх мэт) | Цахим автобус/Эрчим хүчний агуулах | Дээд зэрэглэлийн цахилгаан машин (Roadster) |
| Гол давуу тал | Өндөр эзэлхүүний нягтрал | Эрчим хүч/Эрчим хүчний тэнцвэр | Маш урт наслалт ба аюулгүй байдал | Дээд түвшний эрчим хүчний нягтрал |
| Чухал хязгаарлалт | Кобальтын үнийн хэлбэлзэл | Хийн хаван (High-Ni хувилбарууд) | Хүйтэн үзүүлэлт муу/Хүнд | Цогцолбор үйлдвэрлэл |
| Төлөөлөгч бүтээгдэхүүн | Apple iPhone батерей | CATL-ийн Kirin батерей | BYD хутганы батерей | Panasonic 21700 эсүүд |
Анодын шинэчлэл нь дараахь төрлүүдийг ялгадаг.
- Графит: Тогтвортой чанар сайтай стандарт материал
- Цахиур нийлмэл: 25% илүү хүчин чадалтай боловч өргөтгөлийн асуудал
- Лити-титанат: Хэт хурдан цэнэглэх (10 минут) боловч эрчим хүчний нягтрал багатай
Электролитийн найрлага нь температурын гүйцэтгэлд нөлөөлдөг. Шинэ фторжуулсан электролитууд -40 хэмд ажилладаг бол керамик нэмэлтүүд нь маш хурдан цэнэглэх боломжийг олгодог. Зардал нь ихээхэн ялгаатай - LFP эсүүд нь NMC-ээс 30% хямд боловч илүү хүнд байдаг.
Лити-ион батерей яагаад цахилгаан машинд давамгайлж байна вэ?
Би цахилгаан машиныг туршихдаа батерей нь зүгээр нэг бүрэлдэхүүн хэсэг биш, харин суурь нь гэдгийг ойлгосон.
Эрчим хүч, жингийн харьцуулшгүй харьцаа (200+ Вт/кг), хурдан цэнэглэх чадвар, зардал буурсан (2010 оноос хойш 89% буурсан) зэргээс шалтгаалан лити-ион нь цахилгаан машинуудад давамгайлж байна. Эдгээр нь хар тугалга-хүчил эсвэл никель-металл гидридийн өөр хувилбараар 300+ милийн зайг хангадаг.
Техникийн гурван давуу тал нь тэдний давамгайллыг бэхжүүлдэг:
- Эрчим хүчний нягтралын давуу тал: Бензин нь 12,000 Вт/кг агуулдаг боловч ICE хөдөлгүүр нь зөвхөн 30% үр ашигтай байдаг. Орчин үеийн NMC батерейнууд нь никель дээр суурилсан хувилбаруудаас нэг кг тутамд 4-5 дахин их ашиглагдах эрчим хүчийг нийлүүлж, практик хүрээг идэвхжүүлдэг.
- Цэнэглэх үр ашиг: Лити-ион нь дотоод эсэргүүцэл багатай тул 350 кВт+ хурдан цэнэглэлтийг (15 минутын дотор 200 миль нэмнэ) хүлээн авдаг. Устөрөгчийн түлшний эсүүд нь ижил зайд 3 дахин урт цэнэглэх шаардлагатай байдаг.
- Тоормосны нөхөн төлжих үйл ажиллагаа: Литийн химийн бодис нь тоормосны энергийн 90%-ийг, хар тугалга-хүчлийн 45%-ийг өвөрмөц байдлаар сэргээдэг. Энэ нь хотын жолоодлогын хүрээг 15-20% нэмэгдүүлдэг.
CATL-ийн эсээс багцлах технологи зэрэг үйлдвэрлэлийн инноваци нь модульчлагдсан бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг арилгаж, савлагааны нягтыг 200 Вт/кг хүртэл нэмэгдүүлж, зардлыг 97 доллар/кВт цаг хүртэл бууруулж (2023). Хатуу төлөвт прототипүүд 2030 он гэхэд 500Wh/кг амлаж байна.
Лити-ион батерейны аюулгүй байдлын асуудал юу вэ?
EV-ийн батарейг мэдээгээр асч байгааг хараад намайг шуугиан дэгдээж, бодит эрсдэлийг судлахад хүргэв.
Дулааны гүйдэл - богино холболт эсвэл эвдрэлээс үүдэлтэй хяналтгүй хэт халалт нь гол аюул юм. Орчин үеийн хамгаалалтууд нь керамик бүрсэн тусгаарлагч, галд тэсвэртэй электролит, эс тус бүрийг секундэд 100 дахин хянадаг олон давхаргат батерейны удирдлагын системүүд юм.
Температур 150 хэмээс хэтрэх үед дулааны гүйдэл эхэлдэг бөгөөд энэ нь задралын урвалыг үүсгэдэг.
- SEI давхаргын задаргаа (80-120°C)
- Анодтой электролитийн урвал (120-150 ° C)
- Хүчилтөрөгч ялгаруулдаг катодын задрал (180-250°C)
- Электролитийн шаталт (200°C+)
Үйлдвэрлэгчид хамгаалалтын таван давхаргыг хэрэгжүүлдэг.
- Урьдчилан сэргийлэх загвар: Электролит дэх дендрит дарангуйлагч нэмэлт
- Хамгаалалтын систем”: Эсүүд болон галт хана хоорондын хөргөлтийн сувгууд
- Хяналт: Хүчдэл/температур мэдрэгчийг нүд бүр дээр байрлуулна
- Програм хангамжийн удирдлага”: Гэмтсэн эсүүдийг миллисекундэд тусгаарлана
- Бүтцийн хамгаалалт”: Осол шингээгч зайны тор
Төмрийн фосфат (LFP) хими нь задрахаас өмнө 300 ° C-т тэсвэртэй байдаг бол NMC-ийн хувьд 150 ° C. Шинэ натри-ион батерейнууд нь галын эрсдлийг бүрмөсөн арилгадаг боловч бага нягтралтай байдаг. Үргэлж үйлдвэрлэгчээс баталгаажсан цэнэглэгчийг ашигла - бүтэлгүйтлийн 78% нь зах зээлийн дараах тоног төхөөрөмжтэй холбоотой байдаг.
Дүгнэлт
Лити-ион технологи нь эрчим хүчний нягтрал, өртөг, аюулгүй байдлыг тэнцвэржүүлдэг боловч үргэлжлүүлэн хөгжиж байна. Маргаашийн хатуу төлөвт батерей нь бидний тогтвортой ирээдүйг хангахын зэрэгцээ өнөөдрийн хязгаарлалтыг шийдэж чадна.
Шуудангийн цаг: 2025 оны 8-р сарын 05-ны хооронд