लिथियम-आयन म्हणजे काय?

साधे बरोबर? एकदा तुम्ही तपशीलांमध्ये खोदणे सुरू केले की या बॅटरींबद्दल काहीही सोपे नाही, जे मी करणार आहे कारण मी स्वत: ला मदत करू शकत नाही.

तरीही लिथियम का? (इथे मला त्रास होतो)

 

घटक क्रमांक 3. हायड्रोजन, हेलियम, लिथियम. असा क्रम आहे. अतिशय लहान अणू कारण त्यात फक्त 3 प्रोटॉन आहेत.

आणि इथे लिथियमची गोष्ट आहे - त्याला त्याच्या बाह्य इलेक्ट्रॉनपासून मुक्त व्हायचे आहे. जिवाची इच्छा आहे. त्या दृष्टीने तो एक प्रकारचा अस्थिर आहे. लोक सोडियम पाण्यात फेकतात आणि ते फस्त होऊन आग लागते असे व्हिडिओ तुम्हाला माहीत आहेत? लिथियम ते करते परंतु अधिक. 2011 (किंवा 2012?) मध्ये सुरक्षा प्रात्यक्षिकात एकदा कोणीतरी लिथियम धातूचा तुकडा पाण्याच्या बादलीत टाकताना मी पाहिले आणि ते किती वेगाने प्रतिक्रिया देते हे प्रामाणिकपणे भीतीदायक होते. बादली वितळली.

थांब नाही, बादली वितळली नाही. पाणी उकळले आणि लिथियमने पृष्ठभागावर आग पकडली. बादली ठीक होती. माझी स्मरणशक्ती कमी आहे.

कोणताही मुद्दा असा आहे: शुद्ध लिथियम धातू धोकादायक आहे. म्हणूनच आधुनिक लिथियम-आयन बॅटरी शुद्ध लिथियम धातू वापरत नाहीत - ते लिथियम आयओएन वापरतात. आधीच ऑक्सिडाइज्ड लिथियम. Li+ फॉर्म. मार्ग अधिक स्थिर.

तुम्हाला मिळणारे व्होल्टेज सुमारे 3.6-3.7V प्रति सेल आहे जे सभ्य आहे. अल्कधर्मी (1.5V) किंवा NiMH (1.2V) पेक्षा चांगले. म्हणजे तुमच्या लक्ष्य व्होल्टेजला मारण्यासाठी तुम्हाला कमी सेलची आवश्यकता आहे. म्हणूनच तुमच्या लॅपटॉपच्या बॅटरीमध्ये 15 ऐवजी 6 सेल आहेत.

तसेच - आणि मी हे पहिले - लिथियम प्रकाश आहे असे नमूद केले पाहिजे. तिसरा हलका घटक. त्यामुळे तुम्हाला वेडे वजन न करता उच्च ऊर्जा घनता मिळेल. म्हणूनच ईव्ही लिथियम-आयन वापरतात आणि लीड-ॲसिड वापरतात. समान ऊर्जा असलेल्या लीड-ॲसिड बॅटरीचे वजन अक्षरशः ५-६ पट जास्त असते. तुमच्या टेस्लाला बॅटरी बदलण्यासाठी फोर्कलिफ्टची आवश्यकता असेल.

 

 

वास्तविक घटक (बकल अप हे तांत्रिक होते)

 

एनोड (नकारात्मक बाजू):

सहसा ग्रेफाइट. होय, पेन्सिलमध्ये असलेली समान सामग्री, शुद्ध आणि वेगळ्या पद्धतीने प्रक्रिया केल्याशिवाय.

ग्रेफाइटमध्ये ही स्तरित स्फटिक रचना आहे - अणु स्तरावर कार्डांच्या डेकची कल्पना करा. स्तर कमकुवत व्हॅन डेर वॉल्स फोर्सने एकत्र ठेवले आहेत (हायस्कूल केमिस्ट्री तुम्हाला त्रास देण्यासाठी परत येत आहे). लिथियम आयन या थरांमधून सरकतात आणि फक्त... तिथेच थांबतात. तांत्रिक शब्द "इंटरकलेशन" आहे परंतु मला ते बहुमजली गॅरेजमध्ये पार्किंग कारसारखे वाटते.

सैद्धांतिक कमाल क्षमता 372 मिलीअँप-तास प्रति ग्रॅम आहे. वास्तविक-विश्व तुम्हाला 340-360 mAh/g मिळते जर उत्पादन कमी होत नसेल. मी काही चीनी उत्पादकांच्या सेल पाहिल्या आहेत ज्या केवळ 310 mAh/g पर्यंत पोहोचू शकतात. नावं ठेवणार नाही पण जर तुम्ही "BYD" मध्ये अक्षरांची पुनर्रचना केलीत तर तुम्हाला मिळेल... ठीक आहे मी नावं देत आहे. त्यांच्या सुरुवातीच्या पेशी उग्र होत्या. 2018 प्रमाणे ते खूप चांगले झाले आहेत.

आता प्रत्येकजण सिलिकॉन एनोड्सबद्दल बोलत राहतो कारण सिलिकॉन सैद्धांतिकदृष्ट्या ग्रेफाइटपेक्षा 10x अधिक लिथियम धारण करू शकतो. आश्चर्यकारक वाटतं ना? 3700+ mAh/g सैद्धांतिक क्षमता.

समस्या - आणि ही समस्या आहे जी मी या उद्योगात सुरू केल्यापासून "जवळजवळ सोडवली" आहे - ती म्हणजे सिलिकॉन जेव्हा तुम्ही लिथिएट करतो तेव्हा त्याचा विस्तार सुमारे 300% होतो. कण अक्षरशः फुटतात. काँक्रीट ब्लॉकमध्ये फुगा फुगवण्याची कल्पना करा. काँक्रीट वाकत नाही, फक्त तुटते.

टेस्ला आता काही सिलिकॉन वापरते, ग्रेफाइट मिसळून. कदाचित 5-10% सिलिकॉन? मी ऐकले की ते 8% होते परंतु मी चुकीचे असू शकते. मुद्दा हा एक लहान रक्कम आहे. प्रत्येक स्टार्टअपच्या मालिका ए पिच डेकचा दावा असूनही शुद्ध सिलिकॉन एनोड्स अद्याप तयार नाहीत.

कॅथोड (सकारात्मक बाजू):

अरे मुलगा. येथेच गोंधळ होतो कारण तेथे 6 भिन्न कॅथोड रसायने आहेत आणि कोणते सर्वोत्तम आहे याबद्दल प्रत्येकाची मते आहेत आणि ते सर्व चुकीचे आहेत कारण ते तुमच्या अर्जावर अवलंबून आहे.

1991 मध्ये सोनीचे मूळ लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड - LiCoO₂ होते. आम्ही त्याला थोडक्यात "LCO" म्हणतो. ऊर्जेची घनता चांगली आहे - 150-200 mAh/g ती कोणी बनवली यावर अवलंबून. पण थर्मल स्थिरता भयंकर आहे. जर तुम्ही ते जास्त चार्ज केले किंवा ते खूप गरम झाले तर क्रिस्टल स्ट्रक्चर ऑक्सिजन सोडते. ऑक्सिजन + ऑर्गेनिक इलेक्ट्रोलाइट + उष्णता=वाईट दिवस. तुमचा फोन कदाचित LCO वापरत असेल कारण फोन 10 वर्षे टिकण्याची गरज नाही आणि तुम्ही 10C वर ते जलद-चार्ज करत नाही.

त्यानंतर NMC - निकेल मँगनीज कोबाल्ट ऑक्साईड आहे. बहुतेक ईव्ही आता हेच वापरतात. निकेल ते मँगनीज ते कोबाल्ट यांचे गुणोत्तर बदलत राहते. 1:1:1 (समान भाग) म्हणून प्रारंभ झाला. नंतर उत्पादक 5:3:2 वर गेले. नंतर 6:2:2. आता आम्ही काही उच्च-सेल्समध्ये ८:१:१ किंवा ९:०.५:०.५ सारखे आहोत.

शिफ्ट का? कोबाल्ट महाग आहे. खरोखर महाग सारखे. तसेच बहुतेक कोबाल्ट डीआरसी (डेमोक्रॅटिक रिपब्लिक ऑफ काँगो) मधून येतात आणि तिथली खाण परिस्थिती... गुंतागुंतीची आहे. बालमजुरी, असुरक्षित परिस्थिती, संपूर्ण गोंधळ. त्यामुळे प्रत्येकजण कमी कोबाल्ट वापरण्याचा प्रयत्न करत आहे.

अधिक निकेल=अधिक क्षमता परंतु कमी थर्मल स्थिरता. अधिक मँगनीज=स्वस्त आणि अधिक स्थिर परंतु कमी क्षमता. अधिक कोबाल्ट=अधिक स्थिर आणि चांगले सायकल जीवन पण $$$ आणि नैतिक समस्या.

हे नेहमीच व्यापार-बंद असते. नेहमी. याबद्दल उत्पादन व्यवस्थापकांशी माझे बरेच वाद झाले आहेत. त्यांना उच्च उर्जेची घनता आणि दीर्घ सायकल आयुष्य आणि कमी किमतीची आणि चांगली सुरक्षितता हवी आहे. तुम्ही कदाचित दोन निवडू शकता. कदाचित.

NCA - निकेल कोबाल्ट ॲल्युमिनियम देखील आहे. टेस्लाने हे त्यांच्या लांब-पॅकमध्ये वर्षानुवर्षे वापरले. Panasonic ने त्यांना नेवाडा गिगाफॅक्टरी येथे बनवले. मी एकदा वेगळ्या बॅटरी कारखान्याला भेट दिली - ती नाही, तर एका स्पर्धकाची सुविधा - आणि एकटा ड्राय रूम वेडा होता. एअर हँडलिंग सिस्टमची किंमत कदाचित $50+ दशलक्ष आहे. सर्व काही -40 अंश दवबिंदूच्या खाली असले पाहिजे किंवा इलेक्ट्रोलाइट मीठ ओलावा शोषून घेते आणि हायड्रोफ्लोरिक ऍसिड तयार करते. HF काहीही खाईल. काच, धातू, हाड. ओंगळ सामान.

ओह आणि LFP - लिथियम लोह फॉस्फेट. हे एक पुनरागमन करत आहे. ते अधिक सुरक्षित, प्रति kWh स्वस्त आणि जास्त काळ टिकते. मी LFP पेशी 80% क्षमतेपर्यंत 5000+ सायकल करत असल्याबद्दल ऐकले आहे. कदाचित 6000 देखील. कमी उर्जा घनता - आहे ​​जसे की NMC साठी 120-140 mAh/g विरुद्ध 180-200.

टेस्लाने 2021 च्या सुमारास त्यांच्या मानक श्रेणी मॉडेल 3 मध्ये LFP ठेवण्यास सुरुवात केली. चिनी बाजारपेठेला ते प्रथम मिळाले. अर्थ प्राप्त होतो - CATL ही सर्वात मोठी LFP उत्पादक आहे आणि ते चीनमध्ये आहेत.

काही लोक थंड हवामानात LFP श्रेणी कमी झाल्याची तक्रार करतात. ते महापालिकेपेक्षा वाईट आहे. परंतु सेल स्वस्त आहेत आणि जास्त काळ टिकतात त्यामुळे बऱ्याच ऍप्लिकेशन्ससाठी व्यापार-बंद करणे योग्य आहे. मी शहरातील कारसाठी LFP पॅक घेईन. लांब-श्रेणी हायवे क्रूझरसाठी कदाचित नाही.

इलेक्ट्रोलाइट:

हे मध्यभागी द्रव आहे. ते आयन चालवते परंतु इलेक्ट्रॉन नाही, जे महत्वाचे आहे कारण जर ते इलेक्ट्रॉन चालवते तर तुमच्याकडे शॉर्ट सर्किट असेल.

सामान्यतः ते लिथियम हेक्साफ्लोरोफॉस्फेट - LiPF₆ - सेंद्रीय सॉल्व्हेंट्समध्ये विरघळते. सॉल्व्हेंट्स सामान्यत: इथिलीन कार्बोनेट (EC) आणि डायमिथाइल कार्बोनेट (DMC) किंवा डायथिल कार्बोनेट (DEC) यांचे मिश्रण असतात.

येथे एक विचित्र तपशील आहे: EC खोलीच्या तपमानावर घन आहे. हळुवार बिंदू सुमारे 36 अंश आहे. त्यामुळे शुद्ध ईसी हिवाळ्यात गोठवते. म्हणूनच तुम्ही ते डीएमसी किंवा डीईसीमध्ये मिसळा जे द्रव -70 डिग्री किंवा काहीही असेल. वाजवी परिस्थितीत मिश्रण द्रव राहते.

तसेच सेंद्रिय कार्बोनेट ज्वलनशील असतात. पेट्रोल-पातळी ज्वलनशील नाही परंतु निश्चितपणे ज्वलनशील आहे. मी एकदा नेल पेनिट्रेशन टेस्ट पाहिली जिथे आम्ही जाणूनबुजून पूर्ण चार्ज झालेल्या सेलमधून खिळे काढले. त्याने प्रथम वायू बाहेर काढला - पॉपिंग ध्वनी - नंतर ज्वाला बाहेर काढल्या. 2 मीटर उंचीपर्यंत पोहोचले. थर्मल कॅमेरा फुटेजच्या आधारे संपूर्ण सेल कदाचित 800 अंशांवर आला.

ती आग दडपशाही आणि सर्वकाही नियंत्रित चाचणी होती. तरीही भितीदायक.

LiPF₆ मीठ हेलप्रमाणे हायग्रोस्कोपिक आहे. पाणी आवडते. जर ते ओले झाले तर ते HF मध्ये हायड्रोलायझ होते. म्हणूनच बॅटरीचे उत्पादन अत्यंत कोरड्या खोल्यांमध्ये होते. मी -40 डिग्री किंवा त्याहून कमी दवबिंदू बोलत आहे. डिह्युमिडिफिकेशन सिस्टम ही सेल फॅक्ट्रीमधील सर्वात मोठ्या ऊर्जा ग्राहकांपैकी एक आहे.

मी एकदा एका सुविधेला भेट दिली जिथे कोरडी खोली इतकी कोरडी होती त्यामुळे श्वास घेण्यास दुखापत झाली. तुमचे नाक काही मिनिटांत कोरडे होईल. तिथे काम करणाऱ्या प्रत्येकाला सतत सलाईन स्प्रेचा वापर करावा लागत होता. कामासाठी अनुकूल वातावरण नाही.

विभाजक:

विसरलेला घटक. हे फक्त एक पातळ पॉलिमर झिल्ली आहे परंतु ते गंभीर आहे.

सहसा पॉलीप्रोपीलीन (पीपी) किंवा पॉलीथिलीन (पीई). कधीकधी PP-PE-PP सह ट्रायलेअर. जाडी सामान्यतः 20-25 मायक्रॉन असते. ते पातळ आहे. मानवी केसांपेक्षा पातळ (70-100 मायक्रॉन).

त्यात सूक्ष्म छिद्र आहेत - जसे 100 नॅनोमीटर व्यास - जे आयनमधून जाऊ देतात परंतु इलेक्ट्रॉन अवरोधित करतात. तसेच ते एनोड आणि कॅथोड भौतिकरित्या वेगळे ठेवते. जर त्यांना=शॉर्ट सर्किट=स्पर्श झाला तर वाईट गोष्टी लवकर घडतात.

Samsung Galaxy Note 7 ची आग आठवते? 2016. ते अंशतः विभाजक नुकसानीमुळे होते. सॅमसंगने बॅटरी खूप आक्रमकपणे डिझाइन केली आहे. खूप पातळ, खूप घट्ट पॅक केलेले, विस्तारासाठी सहनशीलता नाही. काही सेलमध्ये एका कोपर्यात विभाजक खूप जोरात दाबले होते. कमकुवत जागा विकसित. शेवटी एक पिनहोल मिळाला. अंतर्गत लहान. थर्मल पळापळ. आग.

त्यांनी 25 लाख फोन परत मागवले. विमानांना बंदी. सॅमसंग अब्जावधी खर्च. हे सर्व कागदापेक्षा पातळ प्लास्टिकच्या तुकड्यामुळे.

आक्रमक बॅटरी डिझाइनबद्दल माझी मते आहेत. उत्पादक स्पर्धा जिंकण्यासाठी पातळ आणि हलके ढकलत राहतात. पण एक मर्यादा आहे. भौतिकशास्त्र तुमच्या उत्पादन लाँच शेड्यूलची काळजी घेत नाही.

 

ते प्रत्यक्षात कसे कार्य करते (प्रत्येकजण वगळलेला भाग)

 

चार्जिंग:

तुम्ही तुमचा फोन प्लग इन करा. चार्जर इलेक्ट्रॉनला एनोडमध्ये आणतो आणि कॅथोडमधून खेचतो. यामुळे कॅथोड लिथियम आयन सोडते. आयन इलेक्ट्रोलाइटमधून एनोडपर्यंत जातात. ते ग्रेफाइट संरचनेत एकमेकांशी जोडले जातात.

स्प्रिंग संकुचित केल्यासारखा विचार करा. लिथियम आयन नैसर्गिकरित्या एनोडमध्ये राहू इच्छित नाहीत - ते कॅथोडमध्ये अधिक स्थिर आहेत. पण तुम्ही व्होल्टेज लावून त्यांना तिथे जबरदस्ती करत आहात. साठवलेली ऊर्जा.

डिस्चार्जिंग:

तुम्ही तुमचा फोन अनप्लग करा आणि वापरा. स्प्रिंग रिलीज होतो. लिथियम आयन इलेक्ट्रोलाइटद्वारे कॅथोडकडे परत जातात. इलेक्ट्रॉन्स तुमच्या फोनच्या सर्किटमधून एनोडपासून कॅथोडपर्यंत वाहतात. तो इलेक्ट्रॉन प्रवाह तुमच्या डिव्हाइसला शक्ती देतो.

व्होल्टेज रसायनशास्त्र आणि चार्ज स्थितीवर अवलंबून असते. NMC किंवा NCA साठी:

पूर्ण चार्ज केलेले: ~4.2V

नाममात्र: ~3.7V

पूर्णपणे डिस्चार्ज: ~3.0V

3.0V च्या खाली जाऊ नका किंवा तुम्ही लिथियम धातूचा प्लेट लावू शकता जे धोकादायक आहे. 4.2V च्या वर जाऊ नका अन्यथा तुम्हाला थर्मल पळून जाण्याचा धोका आहे. म्हणूनच बॅटरी व्यवस्थापन प्रणाली (BMS) अस्तित्वात आहे. ते व्होल्टेज आणि तापमान आणि करंटचे निरीक्षण करतात आणि काही चुकीचे दिसल्यास ते बंद करतात.

चांगले बीएमएस डिझाइन कठीण आहे. खरोखर कठीण. तुम्हाला जलद प्रतिसाद वेळ, अचूक सेन्सर, निरर्थक सुरक्षा तपासणी आवश्यक आहेत. एक स्वस्त BMS हा योग्य बॅटरी आगीच्या धोक्यात बदलण्याचा सर्वात जलद मार्ग आहे.

 

 

समस्या (अरे यार खूप समस्या आहेत)

 

समस्या १: अधोगती अपरिहार्य आहे

प्रत्येक चार्ज-डिस्चार्ज सायकल बॅटरीचे नुकसान करते. अटळ. थर्मोडायनामिक्स.

SEI थर - घन इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस - नावाची ही गोष्ट आहे जी एनोड पृष्ठभागावर तयार होते. प्रत्यक्षात बॅटरी कार्य करण्यासाठी ते आवश्यक आहे. परंतु ते कालांतराने वाढत राहते आणि सक्रिय लिथियम वापरते. 500 चक्रांनंतर तुमच्याकडे 90% क्षमता शिल्लक असू शकते. 1000 नंतर कदाचित 80%. 2000 नंतर... अवलंबून आहे.

माझ्याकडे 2015 पासून एक MacBook आहे जे अजूनही 78% बॅटरीचे आरोग्य दर्शवते. मी ते बाळ करतो तरी - क्वचितच ते 40% च्या खाली जाऊ द्या, शक्य असेल तेव्हा प्लग इन ठेवा, गरम कारमध्ये कधीही चार्ज करू नका. माझ्या पत्नीकडे 2018 चे मॅकबुक आहे जे 62% आरोग्यावर आहे कारण ती कठोरपणे चालवते. दररोज पूर्ण सायकल चालवते, रात्रभर चार्ज ठेवते, गरम असताना तिच्या मांडीवर वापरते. तुम्ही बॅटरीशी कसे वागता हे खूप महत्त्वाचे आहे.

कॅथोड देखील खराब होतो. उच्च-निकेल NMC विशेषतः वाईट आहे. 4.3V वर कॅथोड पृष्ठभाग इलेक्ट्रोलाइटसह प्रतिक्रिया देऊ लागतो. संक्रमण धातूचे आयन (निकेल, मँगनीज, कोबाल्ट) विरघळू शकतात आणि एनोडमध्ये स्थलांतरित होऊ शकतात जेथे ते SEI मध्ये गोंधळ करतात. कॅथोड डेन्सिफिकेशन नावाची ही गोष्ट देखील आहे जिथे क्रिस्टल स्ट्रक्चर हळूहळू कॉम्पॅक्ट होते आणि सच्छिद्रता गमावते.

हे खरोखर रोखू शकत नाही. हे फक्त रसायनशास्त्र आहे. एन्ट्रॉपी नेहमीच जिंकते.

समस्या 2: तापमान सर्वकाही नष्ट करते

0 डिग्रीच्या खाली इलेक्ट्रोलाइट थंड मधासारखे चिकट होते. आयन वाहतूक मंदावली. तुम्ही कदाचित 20-30% क्षमता -10 अंशावर गमावाल. त्याहूनही वाईट, जर तुम्ही कोल्ड बॅटरी जलद चार्ज करण्याचा प्रयत्न केला तर तुम्ही एनोडवर इंटरकॅलेट करण्याऐवजी मेटॅलिक लिथियम प्लेट कराल. त्यामुळे डेंड्राइट्स तयार होतात - लिथियम धातूच्या सुईसारखी रचना जी वाढू शकते आणि शेवटी विभाजकाला छेदू शकते. अंतर्गत लहान. आग.

40-45 अंशांच्या वर, सर्व अधोगती प्रतिक्रियांचा वेग वाढतो. अंगठ्याचा नियम: प्रत्येक 10 अंश वाढ प्रतिक्रिया दर दुप्पट. त्यामुळे 45 अंशावरील बॅटरी 25 अंशांपेक्षा 4 पट वेगाने कमी होते.

मी टेक्सासमध्ये राहतो. उन्हाळ्याचे तापमान 100 अंश F+ (38 अंश +) पर्यंत पोहोचले. मी EV बॅटऱ्या पाहिल्या आहेत ज्यांची क्षमता केवळ उष्णतेमुळे 3 वर्षांत 15% कमी झाली आहे. दरम्यान, मिनेसोटामधील EVs उन्हाळ्यात क्वचितच खराब होतात - परंतु थंडीमुळे हिवाळ्यात त्यांची श्रेणी कमी होते. जिंकता येत नाही.

आदर्श ऑपरेटिंग तापमान 20-25 अंश आहे. खऱ्या जगात ते कायम राखण्यासाठी शुभेच्छा.

समस्या 3: जलद चार्जिंग ही स्वाभाविकच समस्याप्रधान आहे

प्रत्येकाला गॅस स्टेशनप्रमाणे १०-मिनिटांचे ईव्ही चार्जिंग हवे असते. परंतु बॅटरीद्वारे प्रचंड शक्ती ढकलल्याने उष्णता निर्माण होते. I²R नुकसान - वर्तमान चौरस वेळा प्रतिकार. प्रतिकार लहान आहे परंतु शून्य नाही. 250kW चार्जिंगवर तुम्ही लक्षणीय उष्णता निर्माण करत आहात.

तसेच जलद चार्जिंगमुळे इलेक्ट्रोड सामग्रीवर यांत्रिकपणे ताण येतो. आयनांना संरचनेतून वेगाने हलवण्यास भाग पाडते. कालांतराने क्रॅक आणि कण फ्रॅक्चर होऊ शकते.

टेस्ला सुपरचार्जर्स (V3) 250kW शिखर करू शकतात. पण ते झपाट्याने कमी होतात. कदाचित 5 मिनिटांसाठी 250kW, नंतर 150kW, नंतर 100kW, नंतर 50kW. ते BMS पेशींचे संरक्षण करते.

Porsche आणि Hyundai मधील नवीन 800V प्रणाली 350kW करू शकतात. पण फक्त थोडक्यात. भौतिकशास्त्र हे भौतिकशास्त्र आहे.

जलद-चार्ज-ऑप्टिमाइझ इलेक्ट्रोड डिझाइनमध्ये संशोधन आहे. पातळ इलेक्ट्रोड, लहान कण, चांगले कोटिंग्ज. ते मदत करते. परंतु आपण थर्मोडायनामिक्सची फसवणूक करू शकत नाही.

समस्या 4: आग

लिथियम-आयन बॅटरियांना अनेकदा आग लागत नाही. गॅसोलीन कारपेक्षा कमी. पण जेव्हा ते करतात तेव्हा ते नाट्यमय असते.

थर्मल पळापळ. एकदा सेल गंभीर तापमानाला आदळला की - रसायनशास्त्रानुसार बदलते, कदाचित 150-200 अंश - एक्झोथर्मिक प्रतिक्रिया सुरू होतात. SEI विघटित होते. विभाजक वितळतो. इलेक्ट्रोलाइट उकळते. कॅथोड ऑक्सिजन सोडते. प्रत्येक प्रतिक्रिया उष्णता निर्माण करते जी अधिक प्रतिक्रियांना चालना देते. सकारात्मक अभिप्राय पळवाट.

सामान्य आगीप्रमाणे तुम्ही ते पाण्याने विझवू शकत नाही. म्हणजे ते थंड करण्यासाठी तुम्ही त्यावर पाणी टाकू शकता पण सेल अंतर्गत उष्णता निर्माण करत राहतो. अग्निशमन विभागांना EV आगीचा तिरस्कार आहे. बाहेर काढण्यासाठी तास घ्या. नंतर पुन्हा प्रज्वलित होऊ शकते.

आधुनिक पेशींमध्ये सुरक्षा वैशिष्ट्ये आहेत. शटडाउन विभाजक जे गरम झाल्यावर बंद होतात. प्रेशर व्हेंट्स. वर्तमान व्यत्यय. थर्मल फ्यूज. शिवाय BMS सर्वकाही पाहतो.

तरीही कधी कधी घडते. सांख्यिकीयदृष्ट्या EVs गॅस कारपेक्षा सुरक्षित असल्या तरीही प्रत्येक वेळी बातम्या बनवते. पीआर समस्या.

समस्या 5: कोबाल्ट नैतिकता

70% कोबाल्ट DRC मधून येतो. खराब कामाची परिस्थिती असलेल्या कारागीर खाणींमधून बरेच काही. बालकामगार अहवाल. पर्यावरणाची हानी. गडबड आहे.

प्रत्येकजण कमी कोबाल्ट वापरण्याचा प्रयत्न करत आहे. उच्च-निकेल NMC फार कमी वापरते. LFP शून्य वापरते. परंतु कोबाल्ट कॅथोड संरचना स्थिर करते. त्याशिवाय तुम्हाला चांगले थर्मल व्यवस्थापन आणि कडक व्होल्टेज मर्यादा आवश्यक आहेत.

कोबाल्टच्या किंमती देखील वेडे आहेत. 2016 मध्ये $30k/टन पेक्षा कमी. 2018 मध्ये $90k+ पर्यंत वाढले. 2020 मध्ये $25k वर क्रॅश झाले. आता सुमारे $35k/टन. तुमच्या कच्च्या मालाच्या किमतीत 3x चढ-उतार होत असताना तुम्ही उत्पादनाचे नियोजन कसे करता?

समस्या 6: पुरवठा साखळी गोंधळ

2021-2022 मध्ये लिथियमच्या किमती एकदम कमी झाल्या. 2020 मध्ये $6k/टन. 2022 च्या उत्तरार्धात $80k/टन प्रमाणे शिखर गाठले. 2024 मध्ये $12k/टन क्रॅश झाले. आता 2025 मध्ये सुमारे $15k/टन.

बहुतेक लिथियम ऑस्ट्रेलिया (कठोर खडक खाण) किंवा दक्षिण अमेरिका (चिली/अर्जेंटिना/बोलिव्हिया - "लिथियम त्रिकोण" मधील मीठ फ्लॅट्समधून समुद्र काढणे) मधून येते. परंतु सर्वाधिक प्रक्रिया चीनमध्ये होते. जागतिक लिथियम शुद्धीकरण क्षमतेच्या 75% प्रमाणे.

जागतिक सेल उत्पादनाच्या - 75% बॅटरी उत्पादनावरही चीन नियंत्रण करतो. आणि 90% एनोड सामग्री (ग्रेफाइट प्रक्रिया).

त्यामुळेच अमेरिका आणि युरोप देशांतर्गत पुरवठा साखळी तयार करण्यासाठी झटत आहेत. पण ते संथ आहे. गिगाफॅक्टरी तयार करण्यासाठी वर्षे लागतात. अपस्ट्रीम पुरवठा साखळी तयार करण्यासाठी जास्त वेळ लागतो.

बॅटरी-ग्रेड लिथियम अल्ट्रा शुद्ध असणे आवश्यक आहे. ०.०१% पेक्षा कमी अशुद्धता. परिष्करणाची ती पातळी स्वस्त किंवा जलद नाही.

 

आम्ही लिथियम-आयनमध्ये का अडकलो आहोत (आतासाठी)

 

मी नुकतीच तक्रार केली असूनही, लिथियम-आयन हा अजूनही व्यावसायिक स्तरावर सर्वोत्तम पर्याय आहे.

ऊर्जा घनता: सेल स्तरावर 250-300 Wh/kg. कूलिंग आणि स्ट्रक्चर आणि बीएमएस जोडल्यानंतर पॅक स्तरावर कदाचित 160-180 Wh/kg. हास्यास्पद वजनाशिवाय 300+ मैल ईव्हीसाठी ते पुरेसे आहे.

तुलना करा:

शिसे-ॲसिड: ३०-५० वाट/किग्रा (संभोग म्हणून जड)

NiMH: 60-120 Wh/kg (प्रियसने काय वापरले)

NiCd: 40-60 Wh/kg (देखील विषारी, बहुतेक टप्प्याटप्प्याने)

उत्पादन परिपक्व आहे. डझनभर पुरवठादार. अनेक गिगाफॅक्टरीज. पुरवठा साखळी स्थापन केली. स्केलचे अर्थशास्त्र.

टेस्लाच्या नेवाडा गिगाफॅक्टरीचे लक्ष्य 35 GWh/वर्ष आहे. 500k+ EV साठी ते पुरेसे आहे. चीनमध्ये CATL आणखी - करते माझ्या मते 200+ GWh/वर्ष? कदाचित 300? मला तपासावे लागेल.

सर्व पायाभूत सुविधा लिथियम-आयन देखील गृहीत धरतात. चार्जिंग मानके (CCS, NACS, CHAdeMO). BMS अल्गोरिदम. सुरक्षा नियम. पुनर्वापर प्रक्रिया. सर्वकाही पुन्हा डिझाइन केल्याशिवाय फक्त वेगळ्या रसायनशास्त्रात बदल करू शकत नाही.

 

 

शेवटी काय बदलू शकते

 

सॉलिड-स्टेट बॅटरी:द्रव इलेक्ट्रोलाइटला घन सिरेमिक किंवा काच किंवा सल्फाइड सामग्रीसह बदला. फायदे: गळती नाही, आगीचा धोका कमी, कदाचित उच्च ऊर्जा घनतेसाठी लिथियम मेटल एनोड्स वापरा.

QuantumScape, Solid Power, Toyota, Samsung - प्रत्येकजण त्यावर काम करत आहे. QuantumScape 800+ चक्रांसह प्रयोगशाळेतील पेशींमध्ये 800 Wh/kg दावा करते. खरे असल्यास प्रभावी.

समस्या: घन इलेक्ट्रोलाइट आणि इलेक्ट्रोड दरम्यान इंटरफेस प्रतिकार. हजारो चक्रांमध्ये चांगला संपर्क राखणे कठीण आहे कारण साहित्याचा विस्तार/करार होतो. बहुतेक घन इलेक्ट्रोलाइट्स ठिसूळ असतात - डेंड्राइट्स त्यांच्याद्वारे क्रॅक होऊ शकतात. स्केलवर उत्पादन पूर्णपणे अप्रमाणित आहे.

मला शंका आहे की आम्ही हे 2030 पूर्वी मुख्य प्रवाहातील कारमध्ये पाहू. कदाचित 2028 मध्ये जर एखाद्याला यश मिळाले असेल. पण कदाचित नंतर. मी गेल्या 10 वर्षांपासून "ठोस-राज्य 5 वर्षे दूर आहे" असे ऐकले आहे.

लिथियम-सल्फर:सैद्धांतिक ऊर्जा घनता 2600 Wh/kg. सल्फर स्वस्त आणि मुबलक आहे.

समस्या: पॉलीसल्फाइड शटल प्रभाव. मध्यवर्ती उत्पादने इलेक्ट्रोलाइटमध्ये विरघळतात ज्यामुळे जलद क्षमता कमी होते. 50 चक्रांनंतर बॅटरी टोस्ट होते.

हे 20+ वर्षांपासून "जवळजवळ सोडवले" गेले आहे. अजूनही नाही.

सोडियम-आयन:प्रत्यक्षात आता होत आहे. CATL ने 2023 मध्ये उत्पादन सुरू केले. BYD यावर काम करत आहे.

सोडियम सर्वत्र आहे (समुद्रजल). लिथियमपेक्षा स्वस्त. समान उत्पादन उपकरणे वापरू शकता.

परंतु उर्जेची घनता कमी आहे: लिथियम-आयनसाठी 150-160 Wh/kg विरुद्ध 250-300.

स्थिर स्टोरेज आणि बजेट EV साठी अर्थपूर्ण. प्रीमियम उत्पादनांमध्ये लवकरच लिथियम-आयन बदलत नाही.

लिथियम मेटल एनोड्स:ग्रेफाइटऐवजी लिथियम धातू वापरा. द्रव इलेक्ट्रोलाइट ठेवा. सेल स्तरावर 400-500 Wh/kg मारू शकते.

डेंड्राइटची समस्या कायम राहते. प्रत्येकाचे स्वतःचे सोल्यूशन - कोटिंग्ज, इलेक्ट्रोलाइट ॲडिटीव्ह इ. आहेत. प्रथम कोण यशस्वी होते ते आम्ही पाहू.

 

अरे आणिलिथियम पॉलिमर बॅटरी- ने कदाचित त्यांचा उल्लेख करावा. ते द्रव ऐवजी जेल किंवा घन पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट वापरतात. पातळ, फिकट, अधिक लवचिक आकार. तुमच्या वायरलेस इअरबडमध्ये कदाचित एक असेल. द्रवापेक्षा किंचित सुरक्षित परंतु उर्जेची घनता सारखीच आहे. हे अजूनही लिथियम-आयन तंत्रज्ञान आहे, फक्त वेगळ्या पद्धतीने पॅकेज केलेले. मार्केटिंग विभागांना त्यांना "LiPo" म्हणणे आवडते जसे की ही काही क्रांतिकारक गोष्ट आहे. ते नाही.