Jak produkuje się ogniwa do samochodów elektrycznych

Jak produkuje się ogniwa do samochodów elektrycznych

Istnieje wiele sposobów na wyprodukowanie akumulatorów do samochodu elektrycznego. Są to m.in. recykling kryształów katodowych, wykorzystanie ogniw niklowo-manganowo-kobaltowych oraz ogniw litowo-jonowych. Jest jednak jeden format ogniw, który może być najtrudniejszy do wyprodukowania: ogniwo cylindryczne typu 4680. Na szczęście zarówno Tesla, jak i Panasonic podejmują wewnętrzne wysiłki na rzecz rozwoju i produkcji tego typu ogniw.

Recykling kryształów katodowych

W ostatnim badaniu naukowcy opracowali nowe podejście do recyklingu materiałów katodowych. Prowadzi ono do uzyskania wysokiej wydajności metalu i lepszych wyników w testach zimnego korbowania i samorozładowania, które są istotne dla samochodów elektrycznych. Naukowcy przetestowali NMCIII z recyklingu, nieskazitelną NMCIII oraz kombinację obu tych materiałów w ogniwach monetarnych, jednowarstwowych ogniwach typu pouch oraz ogniwach 11-AH.

Nowa metoda recyklingu baterii litowo-jonowych została opracowana przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego. Naukowcy twierdzą, że nowy proces jest bezpieczniejszy, zużywa mniej energii i przywraca pojemność katody. Projektem kierował Zheng Chen, profesor nanoinżynierii w uniwersyteckim Sustainable Power and Energy Center. Twierdzi on, że nowa metoda może doprowadzić do zrównoważonego i opłacalnego procesu recyklingu.

Katoda jest precyzyjną mieszanką szlachetnych minerałów i nawet niewielkie różnice w strukturze mogą pogorszyć wydajność baterii. Obecnie metody recyklingu baterii litowo-jonowych polegają na rozebraniu baterii i stopieniu jej w kwasie. W wyniku tego procesu powstaje czarna masa, którą można zebrać. Odzyskane materiały mogą być wykorzystane do produkcji nowych baterii.

Nowa metoda zespołu pozwala odzyskać większość struktury i zawartości katody. Dotyczy to między innymi kobaltu i litu. Proces zmniejsza również zużycie energii i wody nawet o 80%. Zespół twierdzi, że nowa metoda może być wdrożona w istniejących fabrykach.

Proces ten może być skalowany, co złagodziłoby problemy związane z łańcuchem dostaw zagranicznych minerałów. Mógłby również zmniejszyć zapotrzebowanie na minerały z obszarów nadmiernie eksploatowanych. Na przykład duża część światowego kobaltu wydobywana jest w Demokratycznej Republice Konga, która słynie z pracy dzieci i innych problemów. Obecnie zespół badawczy eksperymentuje w ramach projektu pilotażowego z tajwańską firmą Wistron Greentech (Texas) Corporation.

Ogniwa litowo-jonowe

Lit jest jednym z najważniejszych składników baterii samochodów elektrycznych. Wraz z rosnącym popytem na pojazdy elektryczne, światowe zasoby są ograniczane. W rzeczywistości, świat może stanąć w obliczu niedoboru do 2025 roku. Credit Suisse szacuje, że popyt na lit potroi się w ciągu dekady od 2020 do 2025 roku. Ponadto, aby osiągnąć cel zerowej emisji dwutlenku węgla netto do 2050 roku, świat potrzebuje 2 miliardów EV na drogach. Według US Geological Survey, obecnie istnieją 22 miliony ton rezerw litu.

Lit występuje naturalnie w Ziemi. Oznacza to, że aby się do niego dostać, nie trzeba wysadzać wierzchołków gór. Złoża litu są najbogatsze w Ameryce Południowej, np. w Andach. Znajduje się on również w Chinach i Stanach Zjednoczonych.

Baterie litowo-jonowe powstają przez połączenie węgla i litu z elektrolitem. Cienka warstwa węgla zwana katodą wiąże ujemnie naładowany lit z dodatnio naładowanym tlenem. Jony litu opuszczają katodę i są przyciągane do grafitowej anody. W ten sposób powstaje bateria litowo-jonowa o dużej gęstości energii.

Materiały stosowane w bateriach litowo-jonowych są bardzo cenne, ale ich odpowiedzialne pozyskiwanie może być skomplikowanym zadaniem. Kobalt jest wydobywany z Demokratycznej Republiki Konga (DRK), gdzie działacze na rzecz praw człowieka są zaniepokojeni warunkami wydobycia. Nikiel jest kolejnym ważnym elementem w bateriach EV, ale istnieje wiele potencjalnych źródeł tego pierwiastka na dnie morza.

Administracja Bidena nakłania producentów samochodów do przeniesienia swoich zakładów produkujących ogniwa akumulatorowe do USA, co może pomóc firmom zbudować bardziej wydajny i przystępny cenowo łańcuch dostaw. Globalny niedobór chipów półprzewodnikowych podkreśla potrzebę zmniejszenia zależności od zagranicznych producentów.

Ogniwa pryzmatyczne

Ogniwa pryzmatyczne są popularnym wyborem dla pojazdów elektrycznych. Akumulatory te mają okrągły kształt i pojemność od kilku Ah do setek Ah. Są bardziej wytrzymałe i lżejsze niż ich cylindryczne odpowiedniki, ale mogą być droższe w produkcji. Są również szeroko stosowane w zabawkach, elektronarzędziach, laptopach, dronach i różnego rodzaju wózkach widłowych. Mają również zastosowania medyczne.

Ogniwa pryzmatyczne są produkowane przez układanie dwóch lub więcej ogniw. Mogą być klejone, formowane lub łączone klejem. Mają średnią masę 45 gramów i pojemność od 1,2 do trzech Ah, w zależności od konstrukcji. Mogą również obsługiwać linie czujników napięcia lub temperatury.

Oprócz opłacalności ogniwa pryzmatyczne są również kompaktowe i łatwe do chłodzenia. Cierpią jednak z powodu niskiej gęstości energii i ograniczonej liczby cykli ładowania. Wielu producentów samochodów, w tym BMW i Ford, stawia na zunifikowane ogniwa pryzmatyczne. Niektórzy zwolennicy twierdzą jednak, że akumulatory cylindryczne są bardziej opłacalne.

Akumulatory te produkowane są w dwóch podstawowych konfiguracjach: pojedynczych modułach cegiełkowych oraz modułach dwuwarstwowych. Pierwsza konstrukcja stosowana jest przede wszystkim w ciężkich pojazdach elektrycznych, natomiast druga przeznaczona jest do pojazdów zużywających duże ilości energii. W przeciwieństwie do konwencjonalnych modułów bateryjnych, ogniwa pryzmatyczne można bez problemu układać w stosy. Mogą być również układane w różnych konfiguracjach i mogą być stosowane w modułowych systemach napędu elektrycznego.

Produkcja ogniw pryzmatycznych do samochodów elektrycznych wymaga szeroko zakrojonych testów. Komory do testów środowiskowych są wykorzystywane w niemal każdej branży, ale ich testowanie jest szczególnie rygorystyczne w przypadku ogniw pryzmatycznych. Oprócz testów wysokonapięciowych, ogniwa pryzmatyczne mogą być również narażone na ekstremalne zmiany temperatury. Ponadto, mogą być poddawane ekstremalnej korozji i naprężeniom.

Ogniwa niklowo-manganowo-kobaltowe

Kobalt, produkt uboczny wydobycia niklu, staje się coraz ważniejszym elementem produkcji baterii dla pojazdów elektrycznych. Jednak wydobycie kobaltu jest obarczone wieloma problemami, w tym pracą dzieci i łamaniem praw człowieka. W odpowiedzi na te problemy producenci akumulatorów próbują opracować akumulatory o niskiej zawartości kobaltu. Jednym z rozwiązań jest zastosowanie manganu, znacznie tańszego materiału na anody.

Ogniwa niklowo-manganowo-kobaltowe (NMC) są stosowane w wielu rodzajach urządzeń elektronicznych, w tym w telefonach przenośnych i laptopach. Są stosunkowo niedrogie w produkcji i mają dobrą gęstość energii. W porównaniu z innymi rodzajami baterii, baterie NMC są bezpieczniejsze i oferują wysoką gęstość energii.

Kobalt występuje w niewielkiej ilości w bateriach litowo-jonowych, które są ważnym elementem baterii samochodów elektrycznych. Jednak stężenie kobaltu w bateriach litowo-jonowych jest bardzo małe, co sprawia, że stabilność termiczna i żywotność cykliczna baterii jest wątpliwa. W związku z tym Tesla opóźniła pilotażową produkcję swojego ogniwa 4680.

Jako alternatywę dla ogniw niklowo-manganowo-kobaltowych firma opracowała chemię wykorzystującą tlenek litowo-niklowy (LMC). Materiał ten może być produkowany w dużych ilościach i do końca tego roku ma osiągnąć seryjną produkcję w dwóch zastosowaniach. W rezultacie LFP może być realną alternatywą dla pojazdów klasy podstawowej w Europie.

Kobalt jest również głównym składnikiem recyklingu akumulatorów. Celem administracji USA jest promowanie recyklingu baterii EV, ale nie zaproponowała jeszcze żadnych środków regulacyjnych. W międzyczasie północnoamerykańskie firmy start-up opracowują technologie, które pozwalają odzyskać większość metali z baterii.

Akumulatory półprzewodnikowe

Akumulatory półprzewodnikowe są opracowywane dla osobowych pojazdów elektrycznych. Ich stabilność chemiczna, niski koszt i łatwość produkcji czynią je dobrym rozwiązaniem dla pojazdów elektrycznych. Wielu producentów samochodów już zainwestowało w akumulatory półprzewodnikowe i bada możliwości ich wbudowania w pojazdy. Toyota planuje wypuszczenie pojazdu hybrydowego z akumulatorem półprzewodnikowym do 2025 r., a Nissan ma nadzieję na wprowadzenie pojazdu elektrycznego z takim akumulatorem do 2028 r.

Chociaż baterie półprzewodnikowe są dalekie od produkcji komercyjnej, ich potencjał jest ogromny. Na przykład Toyota przeznaczyła 13,6 miliarda dolarów w ciągu najbliższych dwóch dekad na rozwój akumulatorów półprzewodnikowych. Akumulatory półprzewodnikowe będą zasilać pojazdy elektryczne o zasięgu do 400 mil. Toyota przewiduje, że pierwsze akumulatory półprzewodnikowe pojawią się na drogach do 2025 roku. Firma początkowo wprowadzi akumulatory półprzewodnikowe do samochodów hybrydowych, które mają mniejsze zestawy akumulatorów i wymagają mniejszego ładowania niż pojazdy w pełni elektryczne.

Akumulatory półprzewodnikowe są produkowane poprzez zastąpienie podłoża polimerowego materiałem stałym, zwykle szklanym lub ceramicznym. Po stronie anody umieszcza się cienką warstwę metalu litowego. Akumulatory półprzewodnikowe mają większą gęstość, są mniejsze i lżejsze niż akumulatory litowo-jonowe. I mogą pomieścić więcej energii niż ich litowo-jonowe odpowiedniki.

Naukowcy z Brown University opracowali baterię półprzewodnikową, która wykorzystuje nanowłókna celulozy, które są naturalnie występującymi rurkami polimerowymi pozyskiwanymi z drzew. Ten nowy materiał charakteryzuje się wyższym przewodnictwem jonów niż inne polimerowe przewodniki jonów. Oznacza to, że może on ostatecznie stać się katodą baterii całkowicie półprzewodnikowej.

Jednak akumulatory półprzewodnikowe do samochodów elektrycznych nie są całkowicie wolne od problemów. Materiały znajdujące się w ich wnętrzu mogą wyciekać i powodować pożary. Korodują również wewnętrzne elementy akumulatora.

Rekomendowane artykuły