Από τι είναι φτιαγμένες οι μπαταρίες των ηλεκτρικών αυτοκινήτων;

Οι περισσότερες μπαταρίες ηλεκτρικών αυτοκινήτων είναι κατασκευασμένες από μεταβλητές ποσότητες ιόντων λιθίου, κοβαλτίου, νικελίου, μαγγανίου, πυριτίου και ηλεκτρολυτών. Μέσα σε αυτές υπάρχουν κυψέλες μπαταριών, οι οποίες αποτελούνται από την άνοδο και την κάθοδο, τον διαχωριστή, τον ηλεκτρολύτη και τους θετικούς και αρνητικούς συλλέκτες ρεύματος (σκεφτείτε την επίπεδη πλευρά και την πλευρά με το εξόγκωμα σε μια μπαταρία AA). Αλλά τι ακριβώς σημαίνει αυτό; Γιατί λίθιο; Ποια ιόντα; Μην φοβάστε — είμαστε εδώ για να εξηγήσουμε από τι είναι κατασκευασμένες οι μπαταρίες ηλεκτρικών αυτοκινήτων.

Για να ξεκινήσουμε, ας καθορίσουμε ότι παρόλο που μια μπαταρία Tesla και μια μπαταρία Chevrolet Bolt είναι και οι δύο μπαταρίες ιόντων λιθίου, αυτό δεν σημαίνει ότι είναι κατασκευασμένες το ίδιο. Η χημεία της μπαταρίας έχει τεράστιο αντίκτυπο στον τρόπο φόρτισης και εκφόρτισης μιας μπαταρίας, στον τρόπο διαχείρισης της θερμότητας, στην ποσότητα ενέργειας που μπορεί να αποθηκεύσει κάθε κυψέλη στην μπαταρία και στο κόστος κάθε κυψέλης. Γι' αυτό οι κατασκευαστές μπαταριών όπως η Panasonic, η CATL, η Samsung SDI και η LG προσπαθούν πάντα να βελτιώσουν τη χημεία τους για να επιτύχουν την καλύτερη απόδοση και τα χαμηλότερα κόστη.

Οι ακριβείς συνταγές για τις κυψέλες μπαταριών των περισσότερων κατασκευαστών δεν είναι δημόσιες πληροφορίες, καθώς κάθε εταιρεία έχει τη δική της ιδιόκτητη φόρμουλα. Ωστόσο, τα βασικά συστατικά είναι λίγο-πολύ τα ίδια, οπότε ας αναλύσουμε τι είναι και τι κάνουν, ξεκινώντας με το λίθιο.

Λίθιο

Το λίθιο σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου ("Li-ion" εν συντομία) αποτελεί την κάθοδο και την άνοδο, δηλαδή τις θετικές και αρνητικές πλευρές μιας κυψέλης μπαταρίας. Τα ιόντα λιθίου κινούνται μέσα στη θετική πλευρά της κυψέλης (κάθοδος) και δημιουργούν ηλεκτρόνια που, όντας αρνητικά φορτισμένα, θέλουν να φτάσουν στην αρνητική πλευρά (άνοδος) της μπαταρίας, αλλά δεν μπορούν λόγω του διαχωριστή μεταξύ της καθόδου και της ανόδου. Αυτό σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια θα ρέουν έξω από τη θετική πλευρά της μπαταρίας, μέσω της συσκευής σας, τροφοδοτώντας την και στη συνέχεια πίσω στην άνοδο.

Το λίθιο στην κυψέλη δεν είναι καθαρό στοιχειακό λίθιο, επειδή είναι πολύ αντιδραστικό με άλλα στοιχεία για να είναι ασφαλές. Αντ' αυτού, το λίθιο που χρησιμοποιείται είναι με τη μορφή οξειδίου μετάλλου λιθίου, το οποίο σταθεροποιεί το μείγμα. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν οξείδιο κοβαλτίου λιθίου στην πλευρά της καθόδου της μπαταρίας και ενώσεις λιθίου-άνθρακα στην άνοδο.

Κοβάλτιο

Το κοβάλτιο χρησιμοποιείται στις μπαταρίες για δύο κύριους λόγους. Πρώτον, προσφέρει εξαιρετική ενεργειακή πυκνότητα, που σημαίνει ότι όσο περισσότερο κοβάλτιο χρησιμοποιεί μια κυψέλη μπαταρίας (μέχρι ένα σημείο), τόσο περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να αποθηκεύσει. Το άλλο πλεονέκτημα είναι ότι το κοβάλτιο αυξάνει τη θερμική σταθερότητα μιας κυψέλης μπαταρίας. Γιατί είναι σημαντική η θερμική σταθερότητα; Στο σχετικό άρθρο μας για τις πυρκαγιές ηλεκτρικών αυτοκινήτων, σημειώσαμε ότι όσο λιγότερο αντιδρά μια μπαταρία στις αλλαγές θερμοκρασίας, τόσο λιγότερο επιρρεπής είναι σε θερμική διαφυγή και, επομένως, λιγότερο επιρρεπής σε έκρηξη σε μια δύσκολη στην κατάσβεση πυρκαγιά λιθίου.

Η υπερβολική εξάρτηση από το κοβάλτιο έχει τα μειονεκτήματά της. Το κοβάλτιο θεωρείται στοιχείο σπάνιων γαιών και, όπως υποδηλώνει το όνομα, δεν είναι πολύ συνηθισμένο. Αυτό το καθιστά ακριβό στην προμήθεια. Τείνει επίσης να βρίσκεται σε περιοχές που υποφέρουν από μεγάλη πολιτική και κοινωνική αστάθεια, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε άγριες διακυμάνσεις των τιμών, καθώς και σε σημαντικές παραβιάσεις των ανθρωπίνων δικαιωμάτων από τις εταιρείες εξόρυξης και τις χώρες στις οποίες δραστηριοποιούνται.

Αυτά τα ζητήματα έχουν οδηγήσει τους κατασκευαστές μπαταριών να προσπαθήσουν να μειώσουν την ποσότητα κοβαλτίου στη χημεία τους. Αντισταθμίζουν το κοβάλτιο με νικέλιο, το οποίο είναι σημαντικά φθηνότερο και λιγότερο σπάνιο, αλλά και αυτό έχει τα μειονεκτήματά του.

Νικέλιο

Το νικέλιο χρησιμοποιείται στις μπαταρίες για να αυξήσει την ενεργειακή πυκνότητα μιας κυψέλης, παρόμοια με το κοβάλτιο. Ωστόσο, σε αντίθεση με το κοβάλτιο, οι κυψέλες μπαταριών πλούσιες σε νικέλιο μπορεί να έχουν προβλήματα με τη μικρορωγμάτωση στην επιφάνεια της καθόδου. Αυτό μπορεί να προκαλέσει υποβάθμιση της απόδοσης σε μικρότερο χρονικό διάστημα από μια μπαταρία με λιγότερο νικέλιο και περισσότερο κοβάλτιο.

Υπάρχουν ακόμα πολλά θετικά στην χρήση νικελίου. Πρώτον, πωλείται για περίπου 18.000 έως 21.000 δολάρια ανά τόνο, σε σύγκριση με το κοβάλτιο, το οποίο κοστίζει τακτικά πάνω από 30.000 δολάρια ανά τόνο και έχει μεγαλύτερες διακυμάνσεις τιμών. Στη συνέχεια, αυτές οι μικρορωγμές που προκαλούν απώλεια απόδοσης μπορούν να μετριαστούν χρησιμοποιώντας μια "διαβάθμιση" στην κατασκευή της καθόδου. Αυτό σημαίνει ότι το κέντρο της καθόδου είναι κυρίως νικέλιο και στη συνέχεια άλλα μέταλλα με διαφορετικά χαρακτηριστικά απόδοσης στρώνονται πάνω του.

Μαγγάνιο

Το τρίτο κύριο συστατικό σε πολλές χημείες μπαταριών είναι το μαγγάνιο. Ενώ το νικέλιο και το κοβάλτιο συνεργάζονται με το λίθιο για να αυξήσουν την αποθήκευση ενέργειας, το μαγγάνιο διατηρεί τα πάντα ενωμένα και σταθερά. Είναι ένα δομικό πρόσθετο και, ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται σε μικρότερα ποσοστά από το νικέλιο ή το κοβάλτιο.

Πυρίτιο

Το πυρίτιο χρησιμοποιείται στην άνοδο μαζί με το λίθιο και τον άνθρακα για να αυξήσει την ενεργειακή πυκνότητα. Όταν αυξάνετε την ενεργειακή πυκνότητα στη θετική πλευρά της κυψέλης με νικέλιο και κοβάλτιο, αυτά τα ηλεκτρόνια θα χρειαστούν ένα μέρος για να πάνε μετά το ταξίδι τους μέσω των κινητήρων του EV σας. Το πυρίτιο είναι εξαιρετικό επειδή είναι σταθερό, φθηνό και μπορεί να συγκρατήσει περίπου 10 φορές περισσότερα ηλεκτρόνια από τον γραφίτη.

Ηλεκτρολύτης

Χωρίς έναν ηλεκτρολύτη σε μια κυψέλη μπαταρίας, δεν θα υπήρχε τρόπος για τα ηλεκτρόνια να μετακινηθούν από την άνοδο στην κάθοδο κατά τη φόρτιση. Είναι η μυστική σάλτσα που κάνει ολόκληρη την μπαταρία να λειτουργεί. Υπάρχουν διάφορα είδη ηλεκτρολυτών και η χημεία μπορεί να γίνει περίπλοκη, αλλά χωρίζονται σε λίγες διαφορετικές οικογένειες.

Τα υδατικά διαλύματα είναι υγρά, ενώ τα μη υδατικά διαλύματα δεν είναι. Στη συνέχεια, έχουμε ιοντικά υγρά, τα οποία είναι πιο σταθερά στη θερμοκρασία και έχουν καλύτερα χαρακτηριστικά μεταφοράς από τα οργανικά υδατικά και μη υδατικά διαλύματα. Στη συνέχεια, υπάρχουν ηλεκτρολύτες πολυμερών, οι οποίοι χρησιμοποιούν πλαστικά ως συνδετικά τους. Τέλος, έχουμε υβριδικούς ηλεκτρολύτες, οι οποίοι είναι υβρίδια των άλλων τύπων.

Διαχωριστής

Η κύρια δουλειά του διαχωριστή μέσα σε μια κυψέλη είναι να αποτρέπει τα βραχυκυκλώματα, διαχωρίζοντας την κάθοδο και την άνοδο. Ο διαχωριστής είναι συνήθως κατασκευασμένος από μικροπορώδες πλαστικό και επιτρέπει κάποια ροή ηλεκτρονίων από την κάθοδο απευθείας στην άνοδο, η οποία είναι γνωστή ως αυτοεκφόρτιση. Αυτό είναι φυσιολογικό, αλλά όταν μια κυψέλη ζεσταίνεται πολύ, ο διαχωριστής λειτουργεί ως ένα είδος ασφάλειας για την κυψέλη. Το πλαστικό στον διαχωριστή λιώνει και αυτοί οι μικροπόροι κλείνουν, απομονώνοντας πλήρως τη μία πλευρά της κυψέλης από την άλλη και ελπίζοντας να αποτρέψουν μια δυσάρεστη πυρκαγιά.

Η Edmunds λέει

Υπάρχει άφθονη προηγμένη χημεία που συμβαίνει μέσα στην μπαταρία ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου. Δεδομένου ότι πολλές μπαταρίες EV βασίζονται σε μέταλλα σπάνιων γαιών, αποτελούν το πιο ακριβό μέρος του οχήματος και είναι μέρος του λόγου για τον οποίο οι MSRP παραμένουν υψηλές.