Έχει Μειωθεί η Χωρητικότητα της Μπαταρίας του Ηλεκτρικού Οχήματος σας; Κατηγορήστε το Υδρογόνο

Αυτοεκφόρτιση και απώλεια χωρητικότητας

Παρά τις δεκαετίες χρήσης των μπαταριών ιόντων λιθίου σε ηλεκτρονικές συσκευές και ηλεκτρικά οχήματα, ορισμένοι μηχανισμοί υποβάθμισής τους εξακολουθούν να μελετώνται. Η αυτοεκφόρτιση είναι η απώλεια αποθηκευμένου φορτίου χωρίς εξωτερική κατανάλωση και διαφέρει από τη μόνιμη μείωση της χωρητικότητας. Η διάρκεια ζωής δεν περιορίζεται γενικά σε 7–10 χρόνια· εξαρτάται από τη χημεία, τη χρήση και τις συνθήκες λειτουργίας.

Η υποβάθμιση απασχολεί και χημείες χωρίς κοβάλτιο. Η μείωση της χρήσης κοβαλτίου μπορεί να περιορίσει το κόστος και ορισμένα προβλήματα της εφοδιαστικής αλυσίδας, μεταξύ των οποίων ζητήματα ανθρωπίνων δικαιωμάτων. Κάθε χημεία έχει διαφορετικά πλεονεκτήματα και περιορισμούς.

Για την αυτοεκφόρτιση ορισμένων καθόδων είχε προταθεί η διάχυση ιόντων λιθίου από τον ηλεκτρολύτη προς την κάθοδο. Η νέα μελέτη εξέτασε έναν διαφορετικό μηχανισμό, χωρίς να ακυρώνει όλους τους γνωστούς τρόπους γήρανσης των μπαταριών.

Οι ερευνητές εντόπισαν συμμετοχή πρωτονίων, δηλαδή πυρήνων υδρογόνου, στην αυτοεκφόρτιση των υλικών που μελέτησαν. Το εύρημα μπορεί να βοηθήσει στον σχεδιασμό τρόπων περιορισμού της υποβάθμισης. Δεν σημαίνει ότι το υδρογόνο είναι η μοναδική αιτία σε κάθε μπαταρία.

Η εργασία δημοσιεύθηκε στο Science με τίτλο «Solvent-mediated oxide hydrogenation in layered cathodes», δηλαδή υδρογόνωση οξειδίων σε στρωματικές καθόδους με τη μεσολάβηση διαλύτη.

Στη συνεργασία συμμετείχαν το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, το DEVCOM Army Research Laboratory, τα εθνικά εργαστήρια SLAC, Argonne, Pacific Northwest και Lawrence Berkeley, το Πανεπιστήμιο του Χιούστον, το National Renewable Energy Laboratory, το Oregon State University, το Stanford University και το National Taiwan University.

Η προηγούμενη ερμηνεία

Κατά την εκφόρτιση, τα ιόντα λιθίου κινούνται από την άνοδο προς την κάθοδο μέσα από τον ηλεκτρολύτη. Τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσω του εξωτερικού κυκλώματος και τροφοδοτούν το φορτίο. Κατά τη φόρτιση η κατεύθυνση αντιστρέφεται. Η ροή ιόντων στον ηλεκτρολύτη δεν πρέπει να συγχέεται με τη ροή ηλεκτρονίων στο εξωτερικό κύκλωμα.

Πηγή: ResearchGate

Η παλαιότερη εξήγηση για την αυτοεκφόρτιση των συγκεκριμένων οξειδίων αφορούσε τη μετακίνηση ιόντων λιθίου από τον ηλεκτρολύτη προς την κάθοδο. Δεν επρόκειτο απλώς για ιόντα που «κολλούσαν» και δεν επέστρεφαν στην άνοδο κατά τη φόρτιση.

Η κατανόηση της κίνησης των ιόντων παραμένει σημαντική για τον σχεδιασμό μπαταριών. Η νέα εργασία προσθέτει έναν μηχανισμό που πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη, αντί να καταργεί συνολικά την προηγούμενη έρευνα.

Το υδρογόνο καταλαμβάνει θέσεις λιθίου

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν, μεταξύ άλλων μεθόδων, ισχυρές ακτίνες Χ στο Argonne National Laboratory του αμερικανικού Υπουργείου Ενέργειας, στο Ιλινόι, για να εξετάσουν τα υλικά.

Διαπίστωσαν ότι αντιδράσεις του ανθρακικού διαλύτη του ηλεκτρολύτη μπορούσαν να οδηγήσουν στην εισαγωγή πρωτονίων στην κάθοδο. Τα πρωτόνια καταλαμβάνουν θέσεις που σχετίζονται με το λίθιο και επηρεάζουν την αποθηκευτική ικανότητα. Δεν πρόκειται για ολόκληρα μόρια υδρογόνου που απλώς μετακινούνται στις ίδιες θέσεις.

Η μελέτη αφορά στρωματικά οξείδια μετάλλων μετάπτωσης, ιδίως απολιθιωμένες καθόδους τύπου NMC, και όχι όλες τις χημείες μπαταριών.

Η εισαγωγή υδρογόνου μπορεί επίσης να προκαλέσει δομικές μεταβολές, καταπονήσεις και ρωγμές, επιταχύνοντας την υποβάθμιση του υλικού.

Στο σύστημα που μελετήθηκε, η παρουσία πρωτονίων συνδέθηκε τόσο με αλλαγές στη χωρητικότητα όσο και με φυσική φθορά της καθόδου. Άλλοι μηχανισμοί υποβάθμισης εξακολουθούν να υπάρχουν.

Πιθανές πρακτικές συνέπειες

Περιορισμοί των ηλεκτρικών οχημάτων

Η αυτονομία επηρεάζει την υιοθέτηση ηλεκτρικών οχημάτων. Ορισμένες χημείες χωρίς κοβάλτιο έχουν μικρότερη ενεργειακή πυκνότητα, αλλά η τελική αυτονομία εξαρτάται επίσης από το μέγεθος της συστοιχίας και την κατανάλωση του οχήματος. Η απουσία κοβαλτίου δεν συνεπάγεται από μόνη της ανεπαρκή αυτονομία.

Οι αγοραστές εξετάζουν και το ενδεχόμενο ακριβής αντικατάστασης της μπαταρίας. Το κόστος αγοράς, η εγγύηση, η ανθεκτικότητα και οι πραγματικές συνθήκες χρήσης διαφέρουν σημαντικά ανά μοντέλο.

Η μεγαλύτερη διάρκεια ζωής μπορεί να μειώσει την ανάγκη νέων υλικών, την ενέργεια παραγωγής και τον όγκο που πρέπει να ανακυκλωθεί. Αυτό ενισχύει την περιβαλλοντική σημασία της έρευνας για την υποβάθμιση.

Βελτίωση της Διάρκειας Ζωής των Καθόδων

Η αναγνώριση του συγκεκριμένου μηχανισμού υδρογόνωσης επιτρέπει στοχευμένες παρεμβάσεις. Για παράδειγμα, οι ερευνητές εξετάζουν προστατευτικές επιστρώσεις που θα περιόριζαν την επαφή ή τις αντιδράσεις στην επιφάνεια της καθόδου.

Μια άλλη κατεύθυνση είναι η ανάπτυξη ηλεκτρολυτών που περιορίζουν την παραγωγή και μεταφορά των ειδών υδρογόνου που συμμετέχουν σε αυτές τις αντιδράσεις.

Μπαταρίες Στερεάς Κατάστασης

Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης έχουν ηλεκτρολύτη, αλλά αυτός είναι στερεός αντί για τον συμβατικό υγρό ηλεκτρολύτη. Ένας διαφορετικός ηλεκτρολύτης μπορεί να περιορίζει ορισμένες αντιδράσεις, όμως η μελέτη δεν αποδεικνύει πλήρη ανοσία όλων των στερεών συστημάτων στην υποβάθμιση.

Η συμπεριφορά κάθε μπαταρίας στερεάς κατάστασης πρέπει να αξιολογείται ξεχωριστά. Δεν μπορεί να αποδοθεί όλη η απόδοσή της στην απουσία ενός και μόνο μηχανισμού.

Επένδυση σε Προηγμένες Τεχνολογίες Μπαταριών

Οι μπαταρίες είναι σημαντικές για την ηλεκτροκίνηση και την αποθήκευση ενέργειας. Η βελτίωση του κόστους, της αξιοπιστίας και της διάρκειας ζωής τους μπορεί να στηρίξει τη μείωση της χρήσης ορυκτών καυσίμων, μαζί με την ανάπτυξη κατάλληλων ενεργειακών συστημάτων.

Μπορείτε να επενδύσετε σε εταιρείες μπαταριών μέσω διαφόρων χρηματιστηριακών παρόχων. Στο Securities.io θα βρείτε παρουσιάσεις παρόχων για τις ΗΠΑ, τον Καναδά, την Αυστραλία, το Ηνωμένο Βασίλειο και άλλες χώρες.

Εναλλακτικά, το άρθρο αναφέρει τα ETF Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X Lithium & Battery Tech ETF (LIT) και WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF . Αυτά μπορούν να προσφέρουν έκθεση σε περισσότερες εταιρείες, χωρίς να εξαλείφουν τον κίνδυνο του κλάδου. Η διαθεσιμότητα και οι όροι πρέπει να ελέγχονται χωριστά.

Δείτε επίσης τα άρθρα μας «10 μετοχές εταιρειών μπαταριών προς εξέταση» και «10 μετοχές εξόρυξης μετάλλων για μπαταρίες και ανανεώσιμη ενέργεια».

Εταιρείες προηγμένων μπαταριών

1. CATL (300750.SZ)

Η CATL είναι ένας από τους μεγαλύτερους κατασκευαστές μπαταριών. Σύμφωνα με τα στοιχεία που παρουσίασε η εταιρεία για το 2023, κατείχε περίπου το 36,8% της παγκόσμιας αγοράς εγκατεστημένων μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων. Αυτό δεν ισοδυναμεί με πάνω από το μισό της παραγωγής όλων των μπαταριών παγκοσμίως.

Η εταιρεία δραστηριοποιείται στις μπαταρίες ιόντων λιθίου και αναπτύσσει νέους σχεδιασμούς για οχήματα και αποθήκευση ενέργειας.

Μεταξύ των τεχνολογιών και στόχων που είχε παρουσιάσει η CATL περιλαμβάνονται:

• Μπαταρίες αποθήκευσης ενέργειας με αναφερόμενη διάρκεια 12.000 κύκλων. Ο στόχος των 18.000 κύκλων είναι προοπτική ανάπτυξης και όχι αποδεδειγμένη επίδοση όλων των προϊόντων.
• Μπαταρία φωσφορικού σιδήρου λιθίου (LFP), με ανακοινωμένη αυτονομία έως 700 km και δυνατότητα προσθήκης 400 km σε φόρτιση 10 λεπτών υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Η πραγματική επίδοση εξαρτάται από το όχημα και τη φόρτιση.
• Τεχνολογία με ανακοινωμένη ειδική ενέργεια έως 500 Wh/kg, υπό ανάπτυξη και για αεροπορικές εφαρμογές. Δεν σημαίνει ότι επιβατικά αεροσκάφη χρησιμοποιούσαν ήδη μαζικά τέτοιες μπαταρίες.
• Μπαταρίες ιόντων νατρίου πρώτης γενιάς με ανακοινωμένη ειδική ενέργεια έως 160 Wh/kg και στόχο επόμενης γενιάς τα 200 Wh/kg.

Πηγή: CATL

Το 2023 ανακοινώθηκε σχέδιο επένδυσης περίπου 3,25 δισ. ευρώ σε μονάδα ανακύκλωσης στην Κίνα. Η CATL αναφέρει ποσοστά ανάκτησης 99,6% για νικέλιο, κοβάλτιο και μαγγάνιο και 91% για λίθιο. Πρόκειται για εταιρικά στοιχεία συγκεκριμένων διεργασιών, όχι εγγύηση για κάθε ρεύμα αποβλήτων.

Το μέγεθος και η έρευνα της CATL τη βοηθούν να συμμετέχει ενεργά στην ανάπτυξη, παραγωγή και ανακύκλωση μπαταριών. Η μελλοντική πρωτοπορία δεν είναι εγγυημένη.

Η CATL συνεργάζεται με κατασκευαστές όπως η Tesla (TSLA ), η NIO, η Ford και η Stellantis. Το άρθρο αναφέρει επίσης την προσθήκη της Hyundai στις συνεργασίες της. Το περιεχόμενο και η έκταση κάθε συμφωνίας διαφέρουν.

Η γνώση από μια χημεία μπορεί να βοηθήσει στην ανάπτυξη μιας άλλης, αλλά δεν μεταφέρεται αυτόματα. Σχεδιασμοί νατρίου με νέα δομή ή υλικά αποτελούν ερευνητικές δυνατότητες. Τα πλεονεκτήματα κλίμακας της CATL επίσης διαφέρουν ανά προϊόν και παραγωγική διαδικασία.

2. BYD (BYDDY)

Η BYD, μακροχρόνιος ανταγωνιστής της Tesla, έχει εξελιχθεί σε σημαντικό κατασκευαστή ηλεκτρικών και επαναφορτιζόμενων υβριδικών οχημάτων.

Η εταιρεία ξεκίνησε από τις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες και επεκτάθηκε σε μεγάλη αυτοκινητοβιομηχανία με παρουσία στην Κίνα και σε πολλές ξένες αγορές. Οι συγκρίσεις πωλήσεων και οι εθνικές πρωτιές εξαρτώνται από την περίοδο, την κατηγορία και το αν περιλαμβάνονται υβριδικά.

Η BYD συνέβαλε στην άνοδο των κινεζικών εξαγωγών αυτοκινήτων, οι οποίες ξεπέρασαν εκείνες της Ιαπωνίας το 2023 με τη συνήθη κλαδική μέτρηση. Η διεθνής επέκταση περιλαμβάνει σχέδια εργοστασίων, όπως στην Ουγγαρία.

Το Seagull προσφέρθηκε στην Κίνα σε τιμές περίπου 10.000–12.000 δολαρίων κατά την περίοδο που περιγράφει το άρθρο. Χρησιμοποιεί μπαταρία Blade τύπου LFP, όχι μπαταρία νατρίου. Οι τιμές άλλων χωρών επηρεάζονται από φόρους, μεταφορικά και εξοπλισμό.

Πηγή: User3204 – προσωπικό έργο, CC BY-SA 4.0

Η BYD είναι επίσης μεγάλος κατασκευαστής μπαταριών LFP και ανταγωνιστής της CATL. Τα μερίδια 41,1% και 33,9% που αναφέρει το άρθρο αφορούν συγκεκριμένο, μη σαφώς προσδιορισμένο χρονικό και προϊοντικό πλαίσιο στην Κίνα· δεν πρέπει να διαβάζονται ως συνολικά ή διαχρονικά παγκόσμια μερίδια.

Οι εξαγωγές κινεζικών ηλεκτρικών οχημάτων στην Ευρώπη και στις ΗΠΑ αντιμετωπίζουν δασμούς και άλλους εμπορικούς περιορισμούς. Αυτοί μπορούν να επηρεάσουν την ανάπτυξη και τις τιμές της BYD.

Η BYD αναπτύσσεται και σε αγορές της Νότιας Αμερικής, της Αφρικής, της Μέσης Ανατολής και της Νοτιοανατολικής Ασίας. Οι τοπικές αυτοκινητοβιομηχανίες και οι εμπορικές πολιτικές διαφέρουν, επομένως δεν μπορεί να θεωρηθεί ότι όλες αυτές οι χώρες δεν έχουν παραγωγούς να προστατεύσουν.

Ο μεγάλος πληθυσμός αυτών των περιοχών υποδηλώνει δυνητική αγορά, όχι δισεκατομμύρια βέβαιους πελάτες. Η αγοραστική δύναμη, οι υποδομές φόρτισης και η κρατική πολιτική καθορίζουν την πραγματική ζήτηση. Οι ισορροπημένες διεθνείς σχέσεις δεν αποκλείουν τον προστατευτισμό.

Η τοπική παραγωγή εκτός Κίνας μπορεί να βελτιώσει την πρόσβαση σε ορισμένες αγορές. Ωστόσο, η ανταγωνιστικότητα στην ΕΕ ή στις ΗΠΑ δεν εξαρτάται μόνο από την τιμή στην Κίνα. Τα σχέδια σε Ανατολική Ευρώπη, Μεξικό ή Τουρκία έχουν διαφορετικό βαθμό ωριμότητας και δεν συνεπάγονται αυτόματη πρόσβαση ή απαλλαγή από περιορισμούς.