Simple non? Levat pas res d’aquelas pilas es en realitat simple un còp que començatz de cavar dins los detalhs, que soi a mand de far perque me pòdi pas ajudar.
Perqué lo liti pasmens? (Aquí ont me fastibla)
Element numèro 3. Idrogèn, eli, liti. Qu'ei l'òrdre. Atòm super minuscul perque a pas que 3 protons.
E vaquí la causa de liti - que vòl VERAIAMENT se desbarrassar de son electron exterior. Coma vòl desesperadament. Es una mena d'instable d'aquela manièra. Coneissètz aqueles vidèos de personas que tiran de sòdi dins l’aiga e se fizz e pren fuòc ? Liti fa aquò mas MAS. Regardèri qualqu’un daissar tombar un tròç de metal de liti dins un seau d’aiga un còp a una demostracion de seguretat en 2011 (o 2012?) e èra onèstament una mena d’espaventós amb la quala reagiguèt rapidament. Lo bucket se fondèt.
Esperatz non, lo cube se fondèt pas. L’aiga bolhissiá e lo liti prenguèt fuòc a la superfícia. Lo cube èra plan. Mi memoria es merda.
De todas formas es: pura litio es perillosa. Es per aquò que las pilas de liti modèrna{1}ion utilizan pas de metal de liti pur - qu'utilizan los IONS de liti. Liti ja oxidat. La forma Li+. Camin mai estable.
La tension que obtienes es alrededor de 3,6-3,7V por celda que es decente. Miejor que alcalina (1,5V) o NiMH (1,2V). Significa que necesitas menos celulas para golpear tu tension de objetivo. Es per aquò que vòstra batariá d'ordinator portable a 6 cellulas en luòc de coma 15.
Tanben - e auriái degut mencionar aqueste primièr {{1} liti es LIGHT. El elemento mas lejer mas leve. Donc obtenètz una densitat d'energia elevada sens pes fòl. Es per aquò que los EV utilizan de liti- e menan pas -acid. Un plom - batariá de la meteissa energia pesariá literalament 5-6 còps mai. Vòstre Tesla auriá besonh d'un carreton elevador per cambiar la batariá.
Los components reals (buckle up aquò se fa tecnica)
Anode (costat negatiu):
Normalament grafit. Òc, las meteissas causas qu'es de crayons, levat de biais mai pur e processat diferentament.
Lo grafite a aquela estructura cristala en capas - imaginar un deck de cartas al nivèl atomic. Las capas son tengudas amassa per de fòrças feblas de vam der Wals (quimia de licèu que torna per vos espantar). Los ions de liti pòdon s'esliçar entre aquelas capas e just... i penjar. Lo tèrme tecnic es "intercalacion" mas pensi que coma de veituras de parcatge dins un garatge multi{5}}stòris.
La capacidad de max teorica es de 372 miliamp- horas por grama. Real-mond que obtenètz 340-360 mAh/g se la fabricacion suca pas. Ai vist de cellulas de qualques fabricants chineses que poirián a pena tustar 310 mAh/g. Vas pas nom de noms mas se reorganizatz las letras de "BYD" obtenètz... d'acòrdi soi de noms de nomenada. Las cellulas primièras èran aspre. Son obtenguts plan melhor vist que coma 2018 pasmens.
Ara tot lo monde contunha de parlar d’anòdes de silici perque lo silici pòt teoricament téner 10x mai de liti que lo grafit. Sona increïble non? 3700+ mAh/g teorica capacitat.
Lo problèma - e aquò es lo problèma qu'es "gaireben resòlt" vist que comencèri dins aquela industria - es que lo silici s'espandís d'aperaquí 300% quand lo litia. Las particulas se fendasclan literalament. Imaginatz-vos d’inflar un balon dins un blòc de beton. Lo beton se flexiona pas, se trenca pas que.
Tesla utiliza qualques silicis ara, mesclats amb de grafit. Benlèu 5-10% de silici? Ai ausit dire qu'èra 8% mas me podriái enganar. Punt es que es una pequeña cantidad. Los andos de silici puro no son todavía listos a pesar de lo que la cubierta de la Serie A de cada startup afirma.
Catòde (costat positiu):
Oh garçon. Aquí es ont se fa desordenat perque i a coma 6 quimias de catòde diferentas e totes an d'opinions sus qual es lo melhor e son totes equivocats perque depend de vòstra demanda.
L'original de Sony en 1991 èra l'oxid de cobalta de liti - LiCoO₂. Lo llamamos "LCO" para corto. La densitat energetica es pro bona - 150-200 mAh/g segon qui la faguèt. Mas l’estabilitat termica es terribla. Se lo sobrecargatz o lo fasètz tròp caud, l'estructura de cristal libera d'oxigèn. Oxigèn + electrolit organic + calor=jorn marrit. Vòstre telefòn utiliza probablament LCO pasmens perque los telefòns an pas besonh de durar 10 ans e sètz pas rapid- los charjant a 10C.
Puèi i a NMC - oxid de cobalt de manganès niquèl. Aquò es çò que la màger part dels EV utilizan ara. Lo rapòrt de niquèl al manganès al cobalt contunha de cambiar. Començat coma 1:1:1 (part egal). Puèi los fabricants se desplacèron a 5:3:2. Puèi 6:2:2. Ara sèm a coma 8:1:1 o quitament 9:0.5:0.5 dins qualques cellulas nautas-end.
Perqué lo cambiament? Lo cobalt es car. Coma vertadièrament car. Tanben lo mai de cobalt ven de la RDC (Republica democrata de Congo) e de la situacion minièra i a... complicada. Trabalh de l'enfant, condicions inseguras, tot lo mesclatge. Donc tot lo monde ensaja d'utilizar mens de cobalt.
Mai de niquèl=mai de capacitat mas mens d'estabilitat termica. Mai de manganès=mai economic e mai estable mas mens de capacitat. Mai de cobalt=mai establa vida de cicle mas $$$ e de problèmas etics.
Es totjorn de comèrci{{0}offs. Totjorn. Ai agut tant d'arguments amb de gestionaris de produchs sus aquò. Volon una densitat d'energia nauta E una vida de cicle longa E de bas còst E de bona seguretat. Podètz picar benlèu dos. Benlèu.
I a tanben NCA - alumini de cobalta de niquèl. Tesla utilizèt aquò pendent d'annadas dins lors paquets longs-ranjas. Panasonic los faguèt a la gigafactòria de Nevada. Virèri una fabrica de batariás diferenta un còp - pas aquela, mas una installacion de concurrent - e la sala seca sola èra fòla. Lo sistèma de manipulacion d'aire còsta probablament $50+ milions. Tot a d’èsser en dejós de -40 gras de rosada o la sal electrolita absorbís l’umiditat e crea d’acid idrofluoric. HF manjarà a travèrs de tot. Veire, metal, òs. Cosas marridas.
Oh e LFP - fosfat de fèrre de liti. Aquesta fa un retorn. Es mai segur, mai economic per kWh, e dura mai. Ai ausit parlar de las cellulas LFP que fan 5000+ cicles a 80% de capacitat. Benlèu quitament 6000. L'en bas es una densitat d'energia mai bassa - sonque coma 120-140 mAh/g vs 180-200 per NMC.
Tesla comencèt de metre LFP dins lor Modèl 3s Estandard a l’entorn de 2021. Lo mercat chinés los faguèt primièr. Fa sens - CATL es lo mai grand fabricant LFP e son en China.
D'unes se planhon de la pèrda de la gamma LFP dins lo temps freg. Es peor que NMC. Mas las cellulas son mai economicas e duran mai longtemps doncas per un molon d'aplicacions val la pena lo comèrci{{2}off. Prendriái un paquet LFP per una veitura de vila. Per un crosièr de l'autorota de long-ranja benlèu pas.
Electrolit:
Aquò es lo liquid al mièg. Realiza ions mas pas d'electrons, çò qu'es important perque se menava d'electrons auriás just un circuit cort.
Normalament es l'exafluorofòsfat de liti - LiPF₆ - dissolgut en solvents organics. Los solventes son tipicamente una mezcla de carbonato etileno (EC) y carbonato dimetil (DMC) o carbonato dietil (DEC).
Vaquí un detalh estranh: EC es solide a temperatura ambienta. Lo punt de fusion es a l'entorn de 36 gras . Tan pura EC se congelariá en ivèrn. Es per aquò que lo mesclatz amb DMC o DEC que son liquids aval a coma -70 gras o çò que siá. La mescla se manten liquida en condicions rasonables.
Tanben los carbonats organics son inflamables. Pas gasolina- nivèl inflamable mas definitivament inflamable. Vegèri una pròva de penetracion de las unglas un còp ont menavam deliberadament un clau a travèrs d’una cellula completament cargada. Ventèt lo gas primièr - son de son - puèi las flamas tirèron fòra lo trauc de ventilacion. Arribèt coma 2 mètres de naut. Tota la cellula arribèt a benlèu 800 gras en foncion del filmatge de la camèra termica.
Qu’èra una pròva contrarotlada amb la supression de fuòc e tot. Encara espaventós pasmens.
La sal de LiPF₆ es higroscopica como inferno. Amor l'aiga. Si se molla hidroliza en HF. Es per aquò que la fabricacion de pilas se passa dins de salas extrèmament secas. Parli punt de rosada de -40 gras o inferior. Lo sistèma de desumidificacion es generalament un dels mai grands consumaires d'energia dins una usina de cellulas.
Visitèri una installacion un còp ont la sala seca èra tan seca que faguèt mal de respirar. Lo nas se secariá dins de minutas. Tot lo monde que i trabalhava deviá utilizar de spray salina constantament. Pas un environament de trabalh agradiu.
Separador:
Lo compausant oblidat. Es solo una fina membrana de polimeros pero es critica.
Normalament polipropilèna (PP) o polietilèn (PE). De còps una tria amb PP{1}}PE-PP. La espesor es tipicamente de 20-25 microns. Qu'ei prim. Mai prim qu'un pel uman (70-100 microns).
Dispause de pòrs microscopics - coma 100 diamètre de nanomètre - que laissan los ions a travèrs mas d'electrons de bloc. Tanben manten l'anòde e lo catode fisicament separats. Se tòcan=circuit cort=las marridas causas se passan rapidament.
Recordatz lo Samsung Galaxy Nota 7 incendis? 2016. Aquò èra en partida degut als damatges de separator. Samsung dessenhèt la batariá tròp agressivament. Tròp magre, empaquetat tròp estrech, pas de tolerància per l’expansion. Qualques cellulas avián lo separador pressionat tròp dur dins un canton. La taca febla desvolopada. Fin finala obtenguèt un trauc de pin. cort intern. Fuga térmica. Fòc.
Recordèron 2,5 milions de telefòns. Bandada de avions. Cost Samsung de miliards. Tot pr’amor d’un tròç de mai fin de plastic que de papièr.
Ai d'opinions sul dessenh agressiu de las batariás. Los fabricants contunhan de botar mai prim e mai leugièr per batre la competicion. Mas i a un limit. La fisica se preocupa pas de vòstre orari de lançament de produchs.
Coma fonciona en realitat (la part que totes sautan)
Carga:
Vos enchufatz vòstre telefòn. Lo cargaire fòrça los electrons dins l'anòde e los tira del catòde. Aquò fa que lo catòde libera de liti. Los ions viatjan per l'electrolit a l'anòde. Se intercalan en la estructura de grafita.
Pensatz-i coma comprimir un ressòrt. Los ions de liti vòlon pas èsser dins l'anòde naturalament - son mai estables dins lo catòde. Mas los obligatz d'aquí en aplicant una tension. energia emmagazinada.
Descarga:
Vos desbrancatz e utilizatz vòstre telefòn. La primavera se libera. Los ions de liti tornan fluir al catòde a travèrs de l’electrolit. Los electrones fluyen a través del circuito de su telefono desde anodo a catodo. Aquel flux d'electron alimenta vòstre periferic.
La tension depend de la quimia e de l'estat de carga. Per NMC o NCA:
Totalament cargat: ~4,2V
Nominal: ~3,7V
Totalament descargat: ~3,0V
Non anatz per dejós de 3,0V o començatz de placar lo metal de liti çò qu'es perilhós. Non anatz per dessús de 4,2V o riscatz termini. Es per aquò que los sistèmas de gestion de las pilas (BMS). Susvelhan la tension e la temperatura e lo corrent e barran las causas se quicòm sembla mal.
Lo bon dessenh BMS es dur. Vertadièrament dur. Vos cal de temps de responsa rapida, de captors precises, de contraròtles de seguretat redondants. Un BMS barato es una de las formas mas rapidas de convertir una bateria decente en un peligro de fuego.
Los problèmas (oh òme i a tant de problèmas)
Problema 1: La degradacion es inevitable
Cada carga de carga- cicle de la pila damatja la pila. Inevitable. Termodinamica.
I a aquela causa que se sona la capa SEI - interfasa electrolita solida - que se forma sus la superfícia d'anòde. Es en realitat necessari per que la batariá foncione. Mas contunha de créisser amb lo temps e de consumar de liti actiu. Après 500 cicles podètz aver 90% de capacitat que demòran. Après 1000 benlèu 80%. Al cap de 2000... depend.
Tengo un MacBook de 2015 que encara mostra 78% de salut de la batariá. Lo bebé encara que - rarament lo daisse anar en dejós del 40%, lo mantenetz encastrat quand es possible, lo cargatz pas jamai dins una veitura cauda. Ma femna a un MacBook de 2018 qu'es al 62% de santat perque la corre fòrt. Los cicles complets quotidianament, lo daissa cargar pendent la nuèch, l'utiliza sus son brèç mentre qu'es caud. Como tratas las importas de la pila UN MUCHO.
Lo catòde se degrada tanben. High-niquel NMC es mai que mai marrit. Dessús de 4,3V la superficie de catòde comença de reagir amb electrolit. Los ions de transicion (niquèl, manganès, cobalt) pòdon dissòlvre e migrar cap a l'anòde ont embrolhan lo SEI. I a tanben aquela causa que se sona densificacion de catòde ont l'estructura cristau compacta e pèrd la porositat.
Pòt pas vertadièrament prevenir aquò. Es solo quimica. L’entropia ganha totjorn.
Problèma 2: La temperatura destrusís tot
En bas de 0 grau l'electrolit se fa viscós coma lo mèl freg. Lo transpòrt de ions s'alentís. Perdètz benlèu 20-30% de capacitat a -10 gra . Encara pièger, se ensajatz de cargar rapidament una batariá freja placaràs de liti metallics sus l'anòde en luòc de l'intercalar. Que crea de dendritas - d’estructuras similaras a l’agulha de metal de liti que pòdon créisser e eventualament traucar lo separador. cort intern. Fòc.
Encima de 40-45 grados , todas las reacciones de degradacion aceleran. Règla del polze: cada aument de 10 grases dobla la taxa de reaccion. Donc una batariá a 45 gras degrada aperaquí 4x mai rapidament qu'a 25 gras .
Vivi a Tèxas. La temp de estiu tustèt 100 gras F+ (38 gras +). Ai vist de pilas EV que perdèron 15% de capacitat en 3 ans just de l'exposicion a la calor. Mentretant los EVs en Minnesota se degradan a pena en estiu - mas pèrdre de gamma en ivèrn a causa del freg. Pòdi pas ganhar.
La temperatura ideala de foncionament es coma 20-25 gras . Bona sòrt de manténer aquò dins lo mond real.
Problèma 3: La carga rapida es intrinsècament problematica
Tot lo monde vòl 10-minut cargar EV coma una estacion de gasolina. Mas empontar una poténcia massiva a travèrs d’una batariá genera de calor. I2R pérdidas - resistencia a las cuadrados cuadrados actuales. La resisténcia es pichona mas pas zèro. A 250kW de carga estás generando calor significativa.
Tanben la carga rapida soslinha los materials d'electrode mecanicament. Forças ions per se desplaçar rapidament a travèrs de l'estructura. Pòt causar de fendasclas e de fracturas de particulas dins lo temps.
Los supercargadores de Tesla (V3) pueden hacer pico de 250kW. Mas se pican rapidament. Benlèu 250kW pendent 5 minutas, puèi 150kW, puèi 100kW, puèi 50kW. Esa es la BMS que protege las celulas.
Los sistemas de 800V mas nuevos de Porsche y Hyundai pueden hacer 350kW. Mas sonque brevament. La fisica es fisica.
I a de recèrcas sus de dessenhs rapids-}}}}}}}}optimizats los dessenhs d'electrodes. Electrodes mas finas, particulas mas pequeñas, mejores revestimientos. Ajuda. Mas se pòt pas enganar la termodinamica.
Problèma 4: Fuòc
Las pilas de liti-ion prenon pas sovent de fuòc. Camin de mens que las veituras de gasolina. Mas quand o fan es dramatic.
Fuga térmica. Un còp qu'una cellula tusta una temperatura critica - varia per quimia, benlèu 150-200 gras - las reaccions exotermicas començan. Lo SEI descompausa. Se fond lo separador. Electrolit bolhia. Catòde libera d'oxigèn. Cada reaccion produtz de calor que desencadena mai de reaccions. Bucle de retroaccion positiva.
Lo podètz pas apagar amb d’aiga coma un fuòc normal. Vòli dire que podètz botar d'aiga dessús per la refregir mas la cellula contunha de generar la calor internament. Los departamentos de incendios odian los incendios de EV. Prenètz d’oras per metre fòra. Pòt regnar mai tard.
Las cellulas modèrnas an de caracteristicas de seguretat pasmens. Separators de cala que se barran quand se caufan. Ventilacions de presin. Interrupta actual. Fusions termicas. Plus lo BMS lo regarda tot.
Encara arriba de còps pasmens. Fa que las novèlas cada còp quitament se los EVs estatisticament son mai segurs que las veituras de gas. Problema de PR.
Problèma 5: Etica de cobalt
70% de cobalta proviene de RDC. Lotes de ella desde las minas artesanales con malas condiciones de trabajo. Informes de mano de mano infantil. Daños ambientales. Es un embolh.
Tot lo monde ensaja d'utilizar mens de cobalt. High-nickel NMC utiliza fòrça pauc. LFP utiliza zèro. Mas lo cobalt fa estabilizar l'estructura de catòde. Sens ela vos cal una melhora gestion termica e de limits de tension mai estrictes.
Los prètzs del cobalt son tanben fòls. En 30k/ton $ en 2016. Espigada a $90k+ en 2018. Escrachada a $25k en 2020. Ahora alrededor de $35k/ton. Como planeas la produccion cuando tu costo de materia prima fluctua 3x?
Problema 6: Caos de cadena de suministro
Los prètzs de liti anèron absoludament de nòus en 2021-2022. $6k/ton en 2020. Pic a coma $ 80k/ton a la fin de 2022. Escrachada a 12k/ton en 2024. Ara a l'entorn de 15k/ton en 2025.
La màger part de liti ven d'Austràlia (l'extraccion de ròca dura) o d'America del Sud (extraccion de laumièras dels plans de sal dins Chile/Argentina/Bolívia - lo "triangle de liti"). Mas la màger part del tractament se passa en China. Coma 75% de la capacitat de rafinament de liti mondial.
China contraròtla tanben la fabricacion de pilas - 75% de la produccion de cellulas globalas. Y 90% de los materiales de anodo (tractar de grafia).
Es per aquò que los EUA e Euròpa se s’escafan per bastir de cadenas d’aprovisionament domesticas. Mas es lent. Pren d'annadas per bastir un gigafactòri. Pren mai de temps per bastir la cadena d'aprovisionament en amont.
Batteria-grad liti a besonh d'èsser ultra pura. Mens de 0,01% d'impuretats. Aquel nivèl de rafinament es pas economic o rapid.
Perqué sèm embarrats amb de liti{{0}ion (per ara)
Malgrat tot çò que me planhiái de me planher, lo lithium{{0}ion es encara la melhora opcion a l'escala comerciala.
densitat d'energia: 250-300 Wh/kg al nivèl de cellula. Benlèu 160-180 Wh/kg al nivèl de paquet après apondre de refrigeracion e d'estructura e de BMS. Que basta per 300+ mila EVs sens pes ridicul.
Comparar:
Lead-acid: 30-50 Wh/kg (pesado como puta)
NiMH: 60-120 Wh/kg (çò que Prius utilizava)
NiCd: 40-60 Wh/kg (tanben toxic, la mayoria de la fasa de forma)
La fabricacion es madura. Desenas de proveedores. Multiples gigafactores. Establidas cadenas de suministro. Economia de escala.
La gigafactoria Nevada de Tesla cibla 35 GWh/an. Eso basto para los EVs de 500k+. CATL en China fa encara mai - Cresi que 200+ GWh/an ? Benlèu 300? Me caldriá verificar.
Tota l'infrastructura assumís lo liti-ion tanben. Normas de carga (CCS, NACS, CHAdeMO). Algoritmos de BMS. Reglament de seguretat. Procesos de reciclaje. Pòt pas sonque intercambiar dins una quimia diferenta sens tot redessenhar.
Çò que lo poiriá remplaçar eventualament
Solide -las pilas de estado:Remplaçar l'electrolit liquid amb de ceramica o de material de veire solide o de sulfur. Ventajas: pas de fugida, mens de risc de fuòc, benlèu utilizar d'anòdes de metal de liti per una densitat d'energia mai elevada.
QuantumScape, Poder solide, Toyota, Samsung - tot lo monde trabalha sus el. QuantumScape reclama 800 Wh/kg en células de laboratorio con ciclos 800+. Impressiu se es vertat.
Problemas: Resistencia de la interfaz entre electrolito sólido y electrodos. Dur de manténer un bon contacte sus de milièrs de cicles a mesura que los materials s'espandisson/ contractes. La màger part dels electrolits solides son fragils - dendritas pòdon fendasclar a travèrs d'elas. La fabricacion a escala es completamente no provada.
Soi sceptic veirem aquò dins las veituras principalas abans 2030. Benlèu 2028 se qualqu'un a una percepcion. Mas benlèu mai tard. Ai ausit "solide- estat es a 5 ans" dempuèi 10 ans.
Liti-sufur:Densitat d'energia teorica de 2600 Wh/kg. Lo sofre es economic e abondós.
Problèma: efièch de naveta de polisufid. Los productos intermediarios se disuelven en electrolito causando desvanecimiento de capacidad rápida. Al cap de 50 cicles la pila es torrada.
Aquò es estat « gaireben resòlt » dempuèi {20+ ans. Encara pas aquí.
Sòdi-ion :En realitat arribant ara. CATL comencèt la produccion en 2023. BYD ne trabalha.
Lo sòdi es pertot (aiga marina). Camin mai economic que lo liti. Pòt utilizar d'equipaments de fabricacion similars.
Mas la densitat d'energia es mai bassa: 150-160 Wh/kg vs 250-300 per liti-ion.
A sens per los EVs d'emmagazinatge e de pressupòst estacionaris. Remplaçar pas lo liti{{1}ion dins los produches premium en quin moment que siá lèu.
Anodes de metal de liti:Utilizar lo metal de liti en luòc de grafit. Mantenètz l'electrolit liquid. Podriá tustar 400-500 Wh/kg al nivèl de cellula.
Persistís lo problèma de dendris. Tot lo monde a sa solucion - revestiments, additius d'electrolits, etc.. Veirem qui capita d'en primièr.
Ò epilas de polimèr de liti- deuriá probablament mencionar aqueles. Utilizan l'electrolit de polimèr de gel o solide en luòc de liquid. De formas mai finas, mai leugièras, mai flexiblas. Vòstres auriòlas sens fial n'an probablament un. Un pauc mai segur que lo liquid mas la densitat d’energia es aperaquí la meteissa. Es encara de tecnologia de liti{{6}ion, sonque embalada diferentament. Los departaments de marketing aiman los sonar "LiPo" coma se foguèsse qualque causa revolucionària. Es pas.
