Kobalt, nikkel, mangaan, grafiet en silicium zijn de belangrijkste componenten die worden gebruikt in EV-batterijen. De revolutie van elektrische voertuigen (EV) versnelt, met landen als het Verenigd Koninkrijk en Frankrijk imposante tijdlijnen voor de uitfasering van benzine- en dieselauto's. Hoewel elektrische voertuigen de schijnbare vervanging zijn, zijn EV-batterijen altijd al onbetaalbaar en inefficiënt geweest. Tot voor kort hadden elektrische voertuigen moeite om meer dan 200 mijl te rijden op één lading, en de lange oplaadperiode maakt lange reizen tot een nachtmerrie. Nu gaat dat allemaal veranderen.
Wat is de reden van de wijziging? EEN doorbraak in de materialen die worden gebruikt in oplaadbare batterijen voor elektrische voertuigen, zal hun efficiëntie verhogen, waardoor een groter bereik en kortere oplaadperioden mogelijk worden.
De vijf primaire soorten EV-batterijen
Op dit moment zijn alle vijf de belangrijkste batterijtypen die in elektrische voertuigen worden gebruikt, gebaseerd op lithium-ion (Li-ion):
1. Kobaltlithiumoxide (LCO)
Hoewel LCO-batterijen voornamelijk worden gebruikt in draagbare elektronische apparaten zoals smartphones en tablets, kunnen ze ook worden gebruikt in kleinere elektrische voertuigen. Het is een relatief inerte en ongevaarlijke stof.
Het belangrijkste nadeel is dat ze aanzienlijke hoeveelheden kobalt bevatten, een duur metaal met bronproblemen. Als gevolg hiervan wordt het zelden gebruikt in commerciële elektrische voertuigen.
2. Oxide van lithium, nikkel, mangaan en kobalt (NMC)
NMC-batterijen zijn misschien wel de meest gebruikt typ EV's in. Ze hebben een stabiele chemie en zijn redelijk goedkope verbindingen die slechts een kleine hoeveelheid kobalt bevatten. Ze werken uitstekend, leveren een hoge energiedichtheid en laden sneller op dan andere batterijen.
3. Aluminium-lithium-nikkel-kobalt (NCA)
NCA-batterijen waren de eerste commerciële poging om het onbetaalbare kobalt in Li-ionbatterijen te vervangen door nikkel. Ze presteren goed, produceren veel energie en zijn vrij goedkoop te produceren. Ze zijn op grote schaal gebruikt in draagbare apparaten en elektrische voertuigen, terwijl NMC-batterijen ze de afgelopen jaren hebben verdrongen.
4. IJzer-lithiumfosfaat Lithium-ijzerfosfaat (LFP)
De veiligste van allemaal zijn Li-ion-batterijen, met een extreem stabiele chemische samenstelling. Bovendien hebben deze batterijen een hoge energiedichtheid, waardoor ze uitstekend geschikt zijn voor gebruik in grotere elektrische voertuigen zoals bestelwagens, bussen en vrachtwagens.
5. Mangaan-lithiumoxide (LMO)
Vanwege de redelijke energieprestaties en goedkope materiaalkosten waren LMO-batterijen een van de eersten die in vroege EV's werden gebruikt. Het nadeel is dat de cellen niet zo duurzaam zijn als die van andere batterijtypes, wat resulteert in een relatief korte levensduur.
In dit artikel worden enkele van de kritische materialen onderzocht die worden gebruikt om de verschillende componenten van de meest efficiënte en kosteneffectieve batterijen, zoals NMC, te fabriceren, en de redenen voor hun keuze.
Elektrolytstoffen
De elektrolyt is een cruciaal onderdeel van elke batterij en fungeert als een katalysator om de geleidbaarheid tijdens het laden en ontladen te vergroten door te helpen bij het transport van ionen van de kathode naar de anode. Elektrolyten kunnen vloeibaar zijn, zoals zwavelzuur (H2SO4) of oplosbare zouten, of vast, zoals polycarbonaat.
Op dit moment zijn alle EV-batterijen in vloeibare toestand, maar solid-state batterijen bieden tal van voordelen, waaronder kleinere afmetingen en gewicht, grotere capaciteit en lagere productiekosten. Toyota heeft onlangs verklaard van plan te zijn om tegen 2020 een elektrische auto op de markt te brengen met een solid-state batterij.
De meeste elektrolyten van EV-batterijen zijn gebaseerd op lithium-ionen, wat betekent dat ze lithium gebruiken om elektriciteit tussen elektroden te geleiden. Hoewel het mechanisme vergelijkbaar is met dat van een batterij voor een mobiele telefoon, gebruikt een EV-batterij doorgaans 10,000 keer de hoeveelheid lithium. Als gevolg hiervan heeft de prijs van lithium Risen in de pas lopen met de stijgende vraag.
Materialen voor de kathode
Cobalt
Cobalt was het eerste materiaal dat werd gebruikt in kathodes voor lithium-ionbatterijen en is de afgelopen jaren op grote schaal gebruikt. Dankzij de compacte samengestelde moleculaire structuur van kobalt is het perfect voor het handhaven van een snelle elektronenstroom door de batterij.
Kobalt wordt echter steeds schaarser als gevolg van misbruik in de lithium-ionbatterij-industrie, die 55% van de wereldwijde kobaltvoorraden verbruikt. Het wordt geproduceerd als een bijproduct van de koper- en nikkelwinning en is uiterst moeilijk terug te winnen. Een ander probleem is dat kobalt niet gemakkelijk kan worden gerecycled, en dat het uitgebreide verfijning vereist voordat het opnieuw kan worden gebruikt, waardoor het onbetaalbaar wordt.
Aangezien de kathode ongeveer 24% van de totale kosten van een Li-ionbatterij, hebben goedkopere alternatieven voor kobalt de afgelopen jaren aan populariteit gewonnen.
Nikkel
Door het verhoogde uithoudingsvermogen van nikkel, is het vereist om EV-batterijkathodes te vervaardigen. Nikkelsulfaat wordt gebruikt in de kathode en kan worden vervaardigd met nikkel van klasse 1 (premium) of klasse 2. Hoewel nikkel van klasse 2 minder duur is als grondstof, moet het worden opgelost en gezuiverd voordat het in de kathode wordt gebruikt, wat een kostbare procedure is. Hierdoor is klasse 1 nikkel het voorkeursmateriaal.
Batterijproducenten staan te popelen om hun gebruik van nikkel te verhogen, aangezien het aanzienlijk goedkoper is dan kobalt. Het wordt vaak gebruikt met sporenhoeveelheden kobalt om zuiniger kathoden te genereren. Zo wordt voorspeld dat tussen 2018 en 2025 de vraag naar nikkel van klasse 1 jaarlijks met 30% zal toenemen, mogelijk tot 570 kT, of ongeveer 10 keer de huidige vraag. Volgens deze prognoses tonen verschillende recyclingbedrijven interesse in het recyclen van nikkel uit oude batterijen om aan de vraag te voldoen.
Mangaan
Mangaan met een hoge zuiverheid en kwaliteit wordt vaak gebruikt om de kathodes van NMC-batterijen te maken. Bovendien wordt het af en toe gebruikt in de vorm van elektrolytisch mangaandioxide (EMD), dat wordt gegenereerd door mangaandioxide (MnO2) op te lossen in zwavelzuur en een stroom tussen twee elektroden te laten lopen.
Mangaandioxide lost op in de vloeistof om sulfaat te vormen, dat vervolgens wordt afgezet op het oppervlak van de anode. Het materiaal wordt geëxtraheerd en gecombineerd met een sporenhoeveelheid kobalt om de kathode in lithium-ionbatterijen te vormen.
Materialen voor anodes
grafiet
grafiet is het meest gebruikte materiaal voor de anodes van accu's van elektrische voertuigen. Voor een batterij van gemiddelde grootte is 25 kg grafiet van hoge zuiverheid vereist en voor grote batterijen, zoals die in de Tesla Model S worden gebruikt, is tot 54 kg vereist.
Het vervaardigen van grafietanodes is een tijdrovende en dure procedure. Het omvat het synthetiseren van grafiet uit gecalcineerde of gereinigde petroleumcokes (een bijproduct van olieraffinaderijen), een dunne, grindachtige substantie die aan elkaar is gehecht met koolteerpek. Om de lithium-ion absorptie te maximaliseren, moet de anode gemaakt zijn van hoogwaardig grafiet met een sterk kristallijne structuur.
Het mengsel wordt vervolgens gebakken om pure koolstof te creëren, die een bijna verwaarloosbare geleidbaarheid heeft. Daarna begint een proces dat bekend staat als "grafitisering" of magnetische inductie, waarbij een gelijkstroomlading met een laag voltage en een hoge stroomsterkte door de oven wordt geleverd. Ten slotte wordt was of hars toegevoegd als vochtbarrière aan de anode in batterijen in vloeibare toestand om te voorkomen dat deze degradeert.
Silicium
Silicium als anodemateriaal heeft een aantal voordelen ten opzichte van grafiet, waaronder lagere materiaal- en fabricagekosten. Bovendien kan het een veel grotere hoeveelheid lithiumionen absorberen en bevatten dan grafiet wanneer het wordt opgeladen. Dit verhoogt de efficiëntie van de batterij, waardoor EV's verder kunnen gaan op een enkele lading. Siliciumanoden zijn nog in onderzoek, maar zullen naar verwachting in 2020 commercieel beschikbaar zijn.
De toekomst van batterijmaterialen voor elektrische voertuigen
Talloze materialen die essentieel zijn voor de productie van EV-batterijen zijn schaars. Samen met het groeiend aantal elektrische voertuigen dat wordt gemaakt, ondergaan de batterijen die ze aandrijven een snelle innovatie. De doelstellingen van de industrie zijn onder meer het ontwikkelen van materialen die goedkoop te produceren zijn, evenals het verhogen van de efficiëntie, duurzaamheid en gewichtsvermindering van de batterij.
Silicium en grafeen zijn bijvoorbeeld potentiële kandidaten om grafiet te vervangen als het favoriete anodemateriaal. Door deze materialen te gebruiken, wordt de actieradius van auto's met één lading vergroot.
PlatoAi. Web3 opnieuw uitgevonden. Gegevensintelligentie versterkt.
Klik hier om toegang te krijgen.
