Enkelt ikke sant? Bortsett fra at ingenting om disse batteriene faktisk er enkelt når du begynner å grave i detaljene, noe jeg er i ferd med å gjøre fordi jeg ikke kan dy meg.
Men hvorfor litium? (Her er hvor jeg blir irriterende)
Grunnstoff nummer 3. Hydrogen, helium, litium. Det er rekkefølgen. Super lite atom fordi det bare har 3 protoner.
Og her er tingen med litium - det vil VIRKELIG kvitte seg med det ytre elektronet sitt. Har desperat lyst til. Det er litt ustabilt på den måten. Du vet de videoene av folk som kaster natrium i vann og det bruser og tar fyr? Litium gjør det, men MER. Jeg så noen slippe en bit litiummetall ned i en bøtte med vann en gang på en sikkerhetsdemonstrasjon i 2011 (eller 2012?), og det var ærlig talt litt skummelt hvor raskt det reagerte. Bøtta smeltet.
Vent nei, bøtta smeltet ikke. Vannet kokte og litium tok fyr på overflaten. Bøtta var fin. Min hukommelse er dritt.
Uansett poenget er: rent litiummetall er farlig. Det er derfor moderne litium-ion-batterier ikke bruker rent litiummetall - de bruker litium-IONER. Allerede oksidert litium. Li+-formen. Mye mer stabil.
Spenningen du får er rundt 3,6-3,7V per celle som er grei. Bedre enn alkalisk (1,5V) eller NiMH (1,2V). Betyr at du trenger færre celler for å nå målspenningen. Det er derfor ditt bærbare batteri har 6 celler i stedet for 15.
Også - og jeg burde ha nevnt denne første - litium er LETT. Tredje letteste element. Så du får høy energitetthet uten vanvittig vekt. Det er derfor elbiler bruker litium-ion og ikke bly-. Et bly-batteri med samme energi ville veie bokstavelig talt 5-6 ganger mer. Teslaen din trenger en gaffeltruck for å bytte batteri.
De faktiske komponentene (spenne opp dette blir teknisk)
Anode (negativ side):
Vanligvis grafitt. Ja, de samme tingene som er i blyanter, bortsett fra mye renere og behandlet annerledes.
Grafitt har denne lagdelte krystallstrukturen - se for deg en kortstokk på atomnivå. Lagene holdes sammen av svake van der Waals-krefter (videregående kjemi kommer tilbake for å hjemsøke deg). Litiumioner kan skli mellom disse lagene og bare... henge der. Det tekniske begrepet er «interkalering», men jeg tenker på det som å parkere biler i en garasje med flere-etasjer.
Teoretisk makskapasitet er 372 milliampere-timer per gram. Virkelig-verden får du 340-360 mAh/g hvis produksjonen ikke er dårlig. Jeg har sett celler fra noen kinesiske produsenter som knapt kunne nå 310 mAh/g. Kommer ikke til å nevne navn, men hvis du omorganiserer bokstavene i "BYD" får du... ok, jeg nevner navn. De tidlige cellene deres var grove. De har imidlertid blitt mye bedre siden 2018.
Nå fortsetter alle å snakke om silisiumanoder fordi silisium teoretisk kan inneholde 10 ganger mer litium enn grafitt. Høres fantastisk ut ikke sant? 3700+ mAh/g teoretisk kapasitet.
Problemet - og dette er problemet som er "nesten løst" siden jeg startet i denne bransjen - er at silisium utvides med omtrent 300 % når du fyller det. Partiklene sprekker bokstavelig talt fra hverandre. Se for deg å blåse opp en ballong inne i en betongblokk. Betongen bøyer seg ikke, den bryter bare.
Tesla bruker litt silisium nå, blandet med grafitt. Kanskje 5-10% silisium? Jeg hørte at det var 8 %, men jeg kan ta feil. Poenget er at det er en liten mengde. Rene silisiumanoder er fortsatt ikke klare til tross for hva hver oppstarts serie A-pitch-deck hevder.
Katode (positiv side):
Å gutt. Det er her det blir rotete fordi det er som 6 forskjellige katodekjemier og alle har meninger om hvilken som er best og de tar feil fordi det avhenger av applikasjonen din.
Den originale fra Sony i 1991 var litiumkoboltoksid - LiCoO₂. Vi kaller det "LCO" for kort. Energitettheten er ganske god - 150-200 mAh/g avhengig av hvem som har laget den. Men den termiske stabiliteten er forferdelig. Hvis du overlader den eller får den for varm, frigjør krystallstrukturen oksygen. Oksygen + organisk elektrolytt + varme=dårlig dag. Telefonen din bruker sannsynligvis LCO fordi telefonene ikke trenger å vare i 10 år, og du{13}}lader dem ikke raskt ved 10C.
Så er det NMC - nikkel mangan koboltoksid. Dette er hva de fleste elbiler bruker nå. Forholdet mellom nikkel og mangan til kobolt endres stadig. Startet som 1:1:1 (like deler). Deretter flyttet produsentene til 5:3:2. Så 6:2:2. Nå er vi på 8:1:1 eller til og med 9:0.5:0.5 i noen avanserte{20}}celler.
Hvorfor skiftet? Kobolt er dyrt. Liker veldig dyrt. Det meste av kobolt kommer også fra DRC (Den demokratiske republikken Kongo) og gruvesituasjonen der er... komplisert. Barnearbeid, utrygge forhold, hele rotet. Så alle prøver å bruke mindre kobolt.
Mer nikkel=større kapasitet, men mindre termisk stabilitet. Mer mangan=billigere og mer stabil, men mindre kapasitet. Mer kobolt=mer stabil og bedre syklusliv, men $$$ og etiske problemer.
Det er alltid avveininger-. Alltid. Jeg har hatt så mange argumenter med produktsjefer om dette. De ønsker høy energitetthet OG lang levetid OG lav kostnad OG god sikkerhet. Du kan velge to. Kanskje.
Det er også NCA - nikkelkoboltaluminium. Tesla brukte dette i årevis i pakkene sine med lang rekkevidde.- Panasonic laget dem på Nevada gigafactory. Jeg besøkte en annen batterifabrikk en gang - ikke den, men en konkurrents anlegg - og det tørre rommet alene var galskap. Luftbehandlingssystemet kostet sannsynligvis 50+ millioner dollar. Alt må være under -40 graders duggpunkt ellers absorberer elektrolyttsaltet fuktighet og lager flussyre. HF vil spise gjennom alt. Glass, metall, bein. Ekle greier.
Oh og LFP - litiumjernfosfat. Denne gjør comeback. Det er tryggere, billigere per kWh og varer lenger. Jeg har hørt om LFP-celler som utfører 5000+ sykluser til 80 % kapasitet. Kanskje til og med 6000. Ulempen er lavere energitetthet - bare som 120-140 mAh/g vs 180-200 for NMC.
Tesla begynte å sette LFP i deres Standard Range Model 3s rundt 2021. Det kinesiske markedet fikk dem først. Gir mening - CATL er den største LFP-produsenten, og de er i Kina.
Noen mennesker klager over tap av LFP-rekkevidde i kaldt vær. Det er verre enn NMC. Men cellene er billigere og varer lenger, så for mange applikasjoner er det verdt byttet-. Jeg ville tatt en LFP-pakke for en bybil. For en motorveicruiser med lang rekkevidde kanskje ikke.
Elektrolytt:
Dette er væsken i midten. Den leder ioner, men ikke elektroner, noe som er viktig fordi hvis den ledet elektroner, ville du bare ha en kortslutning.
Vanligvis er det litiumheksafluorfosfat - LiPF₆ - oppløst i organiske løsemidler. Løsningsmidlene er typisk en blanding av etylenkarbonat (EC) og dimetylkarbonat (DMC) eller dietylkarbonat (DEC).
Her er en merkelig detalj: EC er solid ved romtemperatur. Smeltepunktet er rundt 36 grader. Så rent EC ville fryse om vinteren. Det er derfor du blander det med DMC eller DEC som er flytende ned til -70 grader eller hva som helst. Blandingen forblir flytende under rimelige forhold.
Også organiske karbonater er brannfarlige. Ikke bensin-nivå brannfarlig, men definitivt brannfarlig. Jeg så en spikerpenetrasjonstest en gang hvor vi med vilje slo en spiker gjennom en fulladet celle. Den ventilerte først gassen - poppende lyd -, deretter skjøt flammene ut ventilasjonshullet. Nådd som 2 meter høy. Hele cellen ble kanskje 800 grader basert på varmekameraopptakene.
Det var en kontrollert test med brannslukking og alt. Fortsatt skummelt.
LiPF₆-saltet er hygroskopisk som faen. Elsker vann. Hvis det blir vått, hydrolyseres det til HF. Det er derfor batteriproduksjon skjer i ekstremt tørre rom. Jeg snakker om duggpunkt på -40 grader eller lavere. Avfuktingssystemet er vanligvis en av de største energiforbrukerne i en cellefabrikk.
Jeg besøkte et anlegg en gang hvor det tørre rommet var så tørt at det gjorde vondt å puste. Nesen din ville tørke ut i løpet av minutter. Alle som jobbet der måtte bruke saltvannsspray konstant. Ikke et hyggelig arbeidsmiljø.
Separator:
Den glemte komponenten. Det er bare en tynn polymermembran, men den er kritisk.
Vanligvis polypropylen (PP) eller polyetylen (PE). Noen ganger et trelag med PP-PE-PP. Tykkelsen er vanligvis 20-25 mikron. Det er tynt. Tynnere enn et menneskehår (70-100 mikron).
Den har mikroskopiske porer - som 100 nanometer diameter - som slipper ioner gjennom, men blokkerer elektroner. Det holder også anoden og katoden fysisk atskilt. Hvis de berører=kortslutning=skjer dårlige ting raskt.
Husker du at Samsung Galaxy Note 7 branner? 2016. Det var blant annet på grunn av separatorskader. Samsung designet batteriet for aggressivt. For tynn, pakket for tett, ingen toleranse for utvidelse. Noen celler hadde separatoren trykket for hardt i det ene hjørnet. Svak punkt utviklet. Fikk til slutt et nålhull. Intern kort. Termisk rømming. Ild.
De tilbakekalte 2,5 millioner telefoner. Utestengt fra fly. Kostet Samsung milliarder. Alt på grunn av et stykke plast som er tynnere enn papir.
Jeg har meninger om aggressiv batteridesign. Produsenter fortsetter å presse tynnere og lettere for å slå konkurrentene. Men det er en grense. Fysikk bryr seg ikke om planen for produktlansering.
Hvordan det faktisk fungerer (den delen alle hopper over)
Lader:
Du kobler til telefonen. Laderen tvinger elektroner inn i anoden og trekker dem fra katoden. Dette gjør at katoden frigjør litiumioner. Ionene går gjennom elektrolytten til anoden. De blir interkalert i grafittstrukturen.
Tenk på det som å komprimere en fjær. Litiumionene ønsker ikke å være i anoden naturlig - de er mer stabile i katoden. Men du tvinger dem dit ved å legge på spenning. Lagret energi.
Utladning:
Du kobler fra og bruker telefonen. Våren slipper. Litiumioner strømmer tilbake til katoden gjennom elektrolytten. Elektroner strømmer gjennom telefonens krets fra anode til katode. Den elektronstrømmen driver enheten din.
Spenningen avhenger av kjemien og ladetilstanden. For NMC eller NCA:
Fulladet: ~4,2V
Nominell: ~3,7V
Fullt utladet: ~3,0V
Ikke gå under 3.0V eller du begynner å plettere litiummetall som er farlig. Ikke gå over 4,2V, ellers risikerer du termisk løping. Det er derfor batteristyringssystemer (BMS) eksisterer. De overvåker spenning og temperatur og strøm og slår av ting hvis noe ser galt ut.
God BMS-design er vanskelig. Virkelig vanskelig. Du trenger raske responstider, nøyaktige sensorer, overflødige sikkerhetssjekker. En billig BMS er en av de raskeste måtene å gjøre et anstendig batteri til en brannfare.
Problemene (å mann det er så mange problemer)
Problem 1: Degradering er uunngåelig
Hver ladning-utladingssyklus skader batteriet. Uunngåelig. Termodynamikk.
Det er denne tingen som kalles SEI-laget - fast elektrolyttinterfase - som dannes på anodeoverflaten. Det er faktisk nødvendig for at batteriet skal fungere. Men den fortsetter å vokse over tid og bruker aktivt litium. Etter 500 sykluser har du kanskje 90 % kapasitet igjen. Etter 1000 kanskje 80%. Etter 2000... kommer an på.
Jeg har en MacBook fra 2015 som fortsatt viser 78 % batterihelse. Jeg baby den selv om - lar den sjelden gå under 40 %, hold den tilkoblet når det er mulig, lad den aldri i en varm bil. Min kone har en 2018 MacBook som har 62 % helse fordi hun kjører den hardt. Full syklus daglig, lar den lades over natten, bruker den på fanget mens den er varm. Hvordan du behandler batteriet betyr MYE.
Katoden brytes også ned. NMC med høyt-nikkel er spesielt dårlig. Over 4,3V begynner katodeoverflaten å reagere med elektrolytt. Overgangsmetallioner (nikkel, mangan, kobolt) kan løses opp og migrere til anoden hvor de ødelegger SEI. Det er også denne tingen som kalles katodefortetting der krystallstrukturen sakte komprimeres og mister porøsitet.
Kan egentlig ikke forhindre dette. Det er bare kjemi. Entropi vinner alltid.
Oppgave 2: Temperatur ødelegger alt
Under 0 grader blir elektrolytten tyktflytende som kald honning. Ionetransport bremser ned. Du mister kanskje 20-30 % kapasitet ved -10 grader. Enda verre, hvis du prøver å hurtiglade et kaldt batteri, vil du belegge metallisk litium på anoden i stedet for å interkalere den. Det skaper dendritter - nållignende strukturer av litiummetall som kan vokse og til slutt gjennombore separatoren. Intern kort. Ild.
Over 40-45 grader akselererer alle nedbrytningsreaksjonene. Tommelfingerregel: hver 10 graders økning dobler reaksjonshastigheten. Så et batteri ved 45 grader degraderes omtrent 4 ganger raskere enn ved 25 grader.
Jeg bor i Texas. Sommertemperaturene når 100 grader F+ (38 grader +). Jeg har sett EV-batterier som mistet 15 % kapasitet på 3 år bare på grunn av varmeeksponering. I mellomtiden blir elbiler i Minnesota knapt degradert om sommeren -, men mister rekkevidde om vinteren på grunn av kulden. Kan ikke vinne.
Den ideelle driftstemperaturen er 20-25 grader. Lykke til med å opprettholde det i den virkelige verden.
Problem 3: Hurtiglading er iboende problematisk
Alle vil ha 10-minutters elbillading som en bensinstasjon. Men å skyve massiv kraft gjennom et batteri genererer varme. I²R-tap - strøm i kvadrat ganger motstand. Motstanden er liten, men ikke null. Ved 250 kW lading genererer du betydelig varme.
Hurtiglading belaster også elektrodematerialene mekanisk. Tvinger ioner til å bevege seg raskt gjennom strukturen. Kan forårsake sprekker og partikkelbrudd over tid.
Tesla Superchargers (V3) kan toppe 250 kW. Men de trapper raskt ned. Kanskje 250kW i 5 minutter, så 150kW, så 100kW, så 50kW. Det er BMS som beskytter cellene.
Nyere 800V-systemer fra Porsche og Hyundai kan yte 350kW. Men bare kort. Fysikk er fysikk.
Det er forskning på rask-lading-optimalisert elektrodedesign. Tynnere elektroder, mindre partikler, bedre belegg. Det hjelper. Men du kan ikke jukse termodynamikk.
Oppgave 4: Brann
Litium-ion-batterier tar ikke fyr ofte. Mye mindre enn bensinbiler. Men når de gjør det er det dramatisk.
Termisk rømming. Når en celle når en kritisk temperatur - varierer etter kjemi, kanskje 150-200 grader – eksoterme reaksjoner starter. SEI brytes ned. Separatoren smelter. Elektrolytten koker. Katoden frigjør oksygen. Hver reaksjon produserer varme som utløser flere reaksjoner. Positiv feedback loop.
Du kan ikke slukke den med vann som en vanlig brann. Jeg mener du kan dumpe vann på den for å kjøle den ned, men cellen fortsetter å generere varme internt. Brannvesenet hater EV-branner. Ta timer å sette ut. Kan tennes igjen senere.
Moderne celler har imidlertid sikkerhetsfunksjoner. Avstengningsskillere som lukkes ved oppvarming. Trykkventiler. Gjeldende avbryter. Termiske sikringer. Pluss at BMS ser på alt.
Skjer likevel noen ganger. Kommer med nyhetene hver gang, selv om elbiler statistisk sett er tryggere enn gassbiler. PR-problem.
Oppgave 5: Koboltetikk
70 % av kobolten kommer fra DRC. Mye av det fra håndverksgruver med dårlige arbeidsforhold. Barnearbeidsrapporter. Miljøskader. Det er et rot.
Alle prøver å bruke mindre kobolt. NMC med høyt-nikkel bruker svært lite. LFP bruker null. Men kobolt stabiliserer katodestrukturen. Uten den trenger du bedre termisk styring og strengere spenningsgrenser.
Koboltprisene er også vanvittige. Under $30k/tonn i 2016. Økt til $90k+ i 2018. Krasjet til $25k i 2020. Nå rundt $35k/tonn. Hvordan planlegger du produksjonen når råvarekostnaden din svinger 3x?
Oppgave 6: Kaos i forsyningskjeden
Litiumprisene ble helt gale i 2021-2022. $6k/tonn i 2020. Toppet på rundt $80k/tonn i slutten av 2022. Krasjet til $12k/tonn i 2024. Nå rundt $15k/tonn i 2025.
Mesteparten av litium kommer fra Australia (utvinning av hard bergart) eller Sør-Amerika (saltlakeutvinning fra saltsletter i Chile/Argentina/Bolivia - "litiumtrekanten"). Men det meste av behandlingen skjer i Kina. Som 75% av den globale litiumraffineringskapasiteten.
Kina kontrollerer også batteriproduksjonen - 75 % av den globale celleproduksjonen. Og 90% av anodematerialer (grafittbehandling).
Dette er grunnen til at USA og Europa prøver å bygge innenlandske forsyningskjeder. Men det går sakte. Det tar år å bygge en gigafabrikk. Det tar lengre tid å bygge oppstrøms forsyningskjeden.
Batteri-litium må være ultrarent. Mindre enn 0,01 % urenheter. Det raffineringsnivået er ikke billig eller raskt.
Hvorfor vi sitter fast med litium-ion (foreløpig)
Til tross for alt jeg nettopp har klaget på, er litium-ion fortsatt det beste alternativet i kommersiell skala.
Energitetthet: 250-300 Wh/kg på cellenivå. Kanskje 160-180 Wh/kg på pakkenivå etter tilsetning av kjøling og struktur og BMS. Det er nok for 300+ mil elbiler uten latterlig vekt.
Sammenligne:
Bly-syre: 30–50 Wh/kg (tungt som fan)
NiMH: 60-120 Wh/kg (hva Prius brukte)
NiCd: 40-60 Wh/kg (også giftig, for det meste utfaset)
Produksjonen er moden. Dusinvis av leverandører. Flere gigafabrikker. Etablerte forsyningskjeder. Stordriftsøkonomi.
Teslas gigafabrikk i Nevada har som mål 35 GWh/år. Det er nok for 500k+ elbiler. CATL i Kina gjør enda mer - Jeg tror 200+ GWh/år? Kanskje 300? Jeg må sjekke.
All infrastrukturen forutsetter også litium-ion. Ladestandarder (CCS, NACS, CHAdeMO). BMS algoritmer. Sikkerhetsforskrifter. Gjenvinningsprosesser. Kan ikke bare bytte inn en annen kjemi uten å redesigne alt.
Hva kan erstatte det til slutt
Solid-batterier:Erstatt flytende elektrolytt med fast keramikk eller glass eller sulfidmateriale. Fordeler: ingen lekkasje, mindre brannfare, kanskje bruk litiummetallanoder for høyere energitetthet.
QuantumScape, Solid Power, Toyota, Samsung - alle jobber med det. QuantumScape hevder 800 Wh/kg i laboratorieceller med 800+ sykluser. Imponerende hvis sant.
Problemer: Grensesnittmotstand mellom fast elektrolytt og elektroder. Vanskelig å opprettholde god kontakt over tusenvis av sykluser ettersom materialer utvides/ trekker seg sammen. De fleste faste elektrolytter er sprø - dendritter kan sprekke gjennom dem. Produksjon i stor skala er fullstendig uprøvd.
Jeg er skeptisk til at vi vil se dette i mainstream-biler før 2030. Kanskje 2028 hvis noen har et gjennombrudd. Men sannsynligvis senere. Jeg har hørt «solid-er 5 år unna» de siste 10 årene.
Litium-svovel:Teoretisk energitetthet på 2600 Wh/kg. Svovel er billig og rikelig.
Problem: polysulfid skytteleffekt. Mellomprodukter løses opp i elektrolytt og forårsaker rask kapasitetsfading. Etter 50 sykluser er batteriet toast.
Dette har blitt "nesten løst" i 20+ år. Fortsatt ikke der.
Natrium-ion:Det skjer faktisk nå. CATL startet produksjonen i 2023. BYD jobber med det.
Natrium er overalt (sjøvann). Mye billigere enn litium. Kan bruke lignende produksjonsutstyr.
Men energitettheten er lavere: 150-160 Wh/kg vs 250-300 for litiumion.
Gir mening for stasjonær lagring og rimelige elbiler. Erstatter ikke litium-ion i premiumprodukter når som helst snart.
Litiummetallanoder:Bruk litiummetall i stedet for grafitt. Hold flytende elektrolytt. Kunne treffe 400-500 Wh/kg på cellenivå.
Dendrittproblemet vedvarer. Alle har sin egen løsning - belegg, elektrolytttilsetninger osv. Vi får se hvem som lykkes først.
Å oglitium polymer batterier- bør sannsynligvis nevne disse. De bruker gel eller fast polymerelektrolytt i stedet for væske. Tynnere, lettere, mer fleksible former. De trådløse øreproppene dine har sannsynligvis en. Litt tryggere enn væske, men energitettheten er omtrent den samme. Det er fortsatt litium-ion-teknologi, bare pakket annerledes. Markedsavdelinger elsker å kalle dem "LiPo" som om det er en revolusjonerende ting. Det er det ikke.
