Ang Hinaharap ng Mobilidad – Teknolohiya ng Baterya

Ang Pagsikat ng mga EV

Nang itatag ang Tesla (TSLA ) noong 2003, madalas ituring ang mga de-kuryenteng kotse bilang produkto para sa maliit na merkado. Maraming modelo ang may limitadong layo ng biyahe at katamtamang pagganap. Gayunman, mayroon nang mga ganap na de-kuryenteng kotse bago ang Tesla.

Ang Tesla Roadster ng ^unang henerasyon, na ginagawan pa ng kahalili, ay nakatulong sa pagbabago ng pananaw na ito sa pamamagitan ng pagganap na maihahambing sa isang mamahaling sports car.

Mahalagang salik ang pag-unlad ng teknolohiya ng baterya. Noong una, ginamit ang mga lithium-ion cell na binuo para sa maliliit na elektronikong kagamitan. Kalaunan, mas maraming sistemang sadyang para sa sasakyan ang binuo upang madagdagan ang layo ng biyahe.

Ayon sa IEA, mahigit sampung milyong de-kuryenteng kotse ang naibenta noong 2022, o 14% ng benta ng mga bagong kotse sa mundo. Kabilang dito ang ganap na de-kuryenteng kotse at plug-in hybrid. Nanguna ang Tsina at Europa.

Pandaigdigang benta ng EV – Pinagmulan: IEA

Sa kabila ng paglago, may mga tanong noong 2023 tungkol sa bilis ng paglipat sa mga EV. Nakaapekto sa mga plano ang mataas na implasyon, gastos sa pagpopondo, at pangangailangang hikayatin ang mas malawak na merkado. Naging bahagi ito ng dahilan ng pagpapaliban o pagbabago ng mga plano sa EV ng mga tagagawang tulad ng GM, Ford, at Honda.

Ang Kasalukuyang Mga Limitasyon

Pinahalagahan ng mga unang mamimili ang bagong teknolohiya at posibilidad na mabawasan ang emisyon. May ibang nag-aalinlangan dahil sa ilang salik:

• Presyo: Mas mahal bilhin ang maraming EV kaysa sa katumbas na kotseng may makinang panloob na pagsunog. Maaaring magpabigat sa hulog ang mas mataas na interes.
• Pangamba sa layo ng biyahe: Maaaring magpababa ng presyo ang mas maliit na baterya, ngunit karaniwan ding umiikli ang layo ng biyahe. Sa mahabang paglalakbay, mahalaga rin ang bilis ng pag-charge at lokasyon ng mga istasyon.
• Malamig na panahon: Pansamantalang nababawasan ng lamig ang magagamit na enerhiya at maaari nitong pabagalin ang pag-charge. Maaaring makatulong ang paunang pagpapainit at pagkakakonekta sa kuryente habang nakaparada. Hindi kailangang mag-charge buong magdamag ang bawat EV dahil lamang nakaparada ito sa labas sa taglamig.
• Imprastruktura ng pag-charge: Ang mga taong nakatira sa mga apartment ay maaaring mahirapang i-recharge ang kanilang mga EV kung kulang ang mga pampublikong istasyon ng pag-charge. Mahahabang pila, mabagal na pag-charge o kawalan ng mga istasyon sa malapit ay maaaring magdulot ng hindi magandang karanasan.
• Kaligtasan at tibay ng baterya: Maraming enerhiya ang nakaimbak sa lithium-ion na baterya. Madaling magliyab ang maraming karaniwang likidong electrolyte, kaya maaaring magdulot ng sunog ang pinsala o sobrang init. Nakadepende rin ang panganib sa kemistri, pagpapalamig, at mga proteksiyon. May panganib din ng sunog ang mga kotseng may makinang panloob na pagsunog.
• Grid ng kuryente: Nangangailangan ng pagpaplano ang pag-charge ng milyun-milyong sasakyan. Mahalaga ang lokasyon, oras ng pag-charge, at kapasidad ng grid. Nakaaapekto rin ang pinagmumulan ng kuryente, dahil may mga planta pang gumagamit ng fossil fuel gaya ng karbon.

Maaaring mapabuti ng mas mahusay na baterya ang oras ng pag-charge, layo ng biyahe, kaligtasan, pagganap sa lamig, at gastos. Mahalaga rin ang disenyo ng sasakyan, mga istasyon ng pag-charge, at grid.

Ang mga mananaliksik at lider ng industriya ay nagsusumikap na lutasin ang mga kakulangang ito, alinman sa pamamagitan ng pagpapabuti ng kasalukuyang disenyo o pag-imbento ng ganap na mga bagong paraan ng paggawa ng baterya.

Maaaring magpababa ng timbang at laki ang mas mataas na densidad ng enerhiya. Hindi nito awtomatikong ginagawang mas mura, mas ligtas, mas matibay, o mas mabilis i-charge ang baterya; mahalaga rin ang materyales at disenyo.

Pagpapahusay sa mga Bateryang Lithium

Unang hakbang ang pagpapahusay sa mga umiiral na baterya gamit ang naipong kaalaman at karanasan. Tinalakay sa pag-aaral na “Mga pananaw sa lithium-ion at iba pang baterya: isang bisyon para sa 2030” ang posibleng unti-unting pag-unlad.

Isang larangan ng pananaliksik ang cathode. May mga lithium-ion na kemistriyang gumagamit ng nickel at cobalt, samantalang gumagamit ng iron phosphate ang iba. Maaaring makatulong ang pag-unawa sa estruktura ng kristal at mga pagbabago habang tumatanda ang baterya.

Maaaring bahagyang palitan ng silicon o silicon oxide ang graphite sa anode. Mas mataas ang teoretikal na kapasidad ng silicon kada yunit ng timbang kaysa sa graphite, ngunit hindi ibig sabihin na lima hanggang sampung beses ang enerhiya ng buong baterya. Suliranin ang paglawak at pagkasira nito. Ginagamit na ang mga halong graphite at silicon.

Maaari ring baguhin ang electrolyte na naghahatid ng mga ion sa pagitan ng anode at cathode. Ang bagong solvent, mas puro na electrolyte, at mga anyong gel ay maaaring makatulong sa kaligtasan at densidad ng enerhiya.

Isa pang paraan ang mas mahusay na pagsasama ng baterya sa sasakyan. Nag-iimbak ng enerhiya at nagsisilbing bahagi ng estruktura ang mga structural battery pack. Maaaring mabawasan ang mga piyesa at timbang. Sinaliksik ito ng Rolls-Royce (RRU.DE ), Tesla, at Volvo. Ang binanggit na 16% dagdag na layo ng biyahe ay target ng isang disenyo, hindi pangkalahatang pagbuti para sa lahat ng sasakyan.

Mga Bateryang may Solidong Electrolyte

Matagal nang sinasaliksik ang mga bateryang may solidong electrolyte at unti-unting nasusubok sa mga laboratoryo. Madalas silang ituring na isang mahalagang inaasam na pag-unlad.

Pinapalitan ng solidong tagapagdala ng ion ang likidong electrolyte; hindi tuluyang inaalis ang electrolyte. Maaaring tumaas ang densidad ng enerhiya at mabawasan ang madaling magliyab na likido sa ilang disenyo. Maaari ring magbago ang proseso ng paggawa. Tinalakay sa siniping pagsusuri ang posibleng pagtitipid ng hanggang tatlong linggo, depende sa proseso.

May mga developer na naglalayong makapag-charge sa loob ng tatlo hanggang limang minuto. Target ito, hindi awtomatikong kakayahan ng lahat ng solid-state na baterya.

Iba-iba ang target ng mga kumpanyang bumubuo ng solid-state na baterya, kabilang ang mga petsang 2026–2029. Kabilang sa mga manlalaro ang QuantumScape (QS ) (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS), at Samsung SDI (006400.KS). Mga plano ang mga petsang ito. Ang 4680 ng Tesla (TSLA) ay sukat at anyo ng silindrikong lithium-ion cell, hindi solid-state na kemistri.

Mga Hamon sa Solid-state na Baterya

Mahirap palakihin ang produksyon mula sa prototype sa laboratoryo tungo sa murang mass production. Kailangang matugunan nang sabay ang pagiging maaasahan, automation, at gastos. Ang binanggit noong 2023 na pagpasok sa merkado sa 2026–2028 ay pagtataya, hindi tiyak na resulta.

Pinagmulan: Vertex Holdings

Maaaring mangailangan ng mas maraming lithium kada cell ang ilang disenyong may lithium-metal anode. Hindi ito awtomatikong totoo sa lahat ng disenyo o kada kilowatt-hour. Mabilis na tumaas ang presyo ng lithium hanggang 2022, ngunit nakadepende rin ang mga susunod na presyo sa suplay at pangangailangan. Mahalaga pa ring hamon ang pagre-recycle.

Mga Bateryang may Condensed na Electrolyte

Hindi lamang ganap na solidong electrolyte ang posibleng daan sa mataas na densidad ng enerhiya. Noong Abril 2023, inanunsyo ng CATL ang condensed battery na may hanggang 500 Wh/kg ayon sa kumpanya. Sinabi nitong maaari itong mabilis na maparami at bumuo ito ng mga aplikasyon para sa sasakyan at eroplano. Mga pahayag at plano ng kumpanya ang mga ito.

Kawili-wili para sa de-kuryenteng paglipad ang ipinahayag na densidad sa antas ng cell. Kailangan din ng sapat na power, haba ng buhay, kaligtasan, sertipikasyon, at maayos na battery pack upang makabuo ng magagamit na eroplano.

Mga Alternatibong Kemistri ng Baterya

Maraming kemistri bukod sa karaniwang lithium-ion na mayaman sa nickel. Isa ring lithium-ion na kemistri ang LFP. Kailangang magtugma ang timbang, densidad ng enerhiya, kaligtasan, at gastos para sa sasakyan.

Sa paglipas ng panahon, maaaring lumaki ang papel ng mas murang kemistri sa malawak na merkado ng sasakyan, kung saan mahalagang salik ang presyo.

Mga Bateryang Lithium Iron Phosphate (LFP)

Karaniwang mas mababa ang densidad ng enerhiya ng LFP kaysa sa mga lithium-ion na kemistriyang mayaman sa nickel. Ang agwat na 30–40% ay nakadepende sa mga cell at pack na pinaghahambing. Naging mas kaakit-akit ang LFP para sa abot-kayang sasakyan dahil sa mas mahusay na mga cell at pagsasama sa pack.

Hindi kailangan ng LFP ang nickel o cobalt. Sagana at medyo mura ang iron at phosphate. Maaari ring makatulong ang mahabang buhay sa pagpapababa ng kabuuang gastos habang ginagamit ang baterya.

Kabilang ang CATL (300750.SZ) at BYD (BYDDF) sa malalaking tagagawa ng LFP. Sinasaliksik din ng CATL ang ibang kemistri upang palakasin ang posisyon nito.

Ipinakilala ng CATL ang Shenxing noong Agosto 2023. Ayon sa kumpanya, kayang magbigay ng LFP na bateryang ito ng mahigit 700 kilometrong biyahe at magdagdag ng 400 kilometrong layo sa sampung minutong pag-charge. Nakadepende ang resulta sa sasakyan at mga kondisyon ng pagsubok at pag-charge.

Mga Bateryang Sodium-Ion

Mahalagang materyal ang lithium sa lithium-ion na baterya. Napakasagana ng sodium at maaari nitong mabawasan ang pag-asa sa ilang mas mahal na materyales.

May ulat noong Nobyembre 2022 na nagtaya na gagamit ang BYD ng sodium-ion sa murang Dolphin at Seagull. Pagtataya iyon: LFP Blade ang ginamit ng mga inilunsad na modelo. Ang binanggit noon na presyong humigit-kumulang 10,000 dolyar para sa Seagull ay para sa merkado sa Tsina.

Nauna nang ipinakilala ng CATL ang sodium-ion cell na may 160 Wh/kg noong 2021. Noong Nobyembre 2023, inanunsyo ng Northvolt ang cell na nasubok sa mahigit 160 Wh/kg, na unang inilaan para sa nakapirming imbakan ng enerhiya.

Maaaring maging mas mura ang sodium-ion dahil sagana ang hilaw na materyales. Ang presyong isang-katlo ng ilang bateryang may nickel ay isang pagtataya, hindi presyong napatunayang pangkalahatan sa merkado. Nakadepende sa disenyo ang densidad at angkop na gamit.

Iba Pang Kemistri

May iba pang kemistriyang maaaring maging kakompetensiya para sa mobilidad. Marami pa ang nasa maagang pananaliksik kaya hindi tiyak ang paggamit sa EV sa malapit na panahon.

Mga Bateryang Salamin

Isang kapana-panabik na ideya na gumagamit ng saganang materyales, ngunit mahirap pa ring mapagtibay nang hiwalay ang mga resulta. Kabilang sa mga mananaliksik nito si John B. Goodenough, isa sa mga nanguna sa pagbuo ng lithium-ion na baterya. Pumanaw siya noong Hunyo 25, 2023. Kailangan pa ring suriin ang praktikal na pagganap sa pamamagitan ng mga pagsubok na kayang ulitin.

Mga Bateryang Graphene

Ang graphene ay iisang patong ng mga atom ng carbon na mahusay magdala ng kuryente. Sinasaliksik ng Graphene Manufacturing Group (GMG.V) ang graphene-aluminium-ion na baterya. Ang hanggang pitumpung beses na bilis ng pag-charge at tatlong beses na buhay ay mga pahayag mula sa maagang pagsubok, hindi napatunayang pagganap ng komersiyal na EV pack. Nakipagkasundo ang kumpanya sa Rio Tinto (RIO ) noong Mayo 2023 upang bumuo ng pansubok na pack. Ang malawakang produksyon bandang 2025 ay plano noon.

Mga Bateryang Magnesium-Ion

Inilarawan sa pag-aaral noong 2023 ang magnesium-ion na bateryang may kuasi-solidong electrolyte. Napanatili nito ang 90% ng kapasidad matapos ang siyam na raang siklo sa −22 °C. Nasa yugto pa ito ng pananaliksik.

Mga Bateryang Lithium-Sulfur

Gumagamit ang mga ito ng lithium at sulfur sa halip na cathode na may mamahaling nickel o cobalt. Posibleng mataas ang densidad ng enerhiya, ngunit mahalagang hamon ang haba ng buhay at pagkawala ng kapasidad.

Pinagmulan: Vertex Holdings

Mga Bateryang Sodium-Sulfur

Gumagana ang karaniwang sodium-sulfur na baterya sa mataas na temperaturang humigit-kumulang 300 °C. Maaaring suportahan ng mga bagong electrolyte na pumipigil sa pagkatunaw ng sulfur ang operasyon sa mas mababang temperatura. Isa itong direksiyon para sa mas mura at mahusay na imbakan ng enerhiya.

Mga Bateryang Aluminium-Ion

Maaaring gumamit ng aluminium anode ang aluminium-ion na baterya. Sinubok din ng mga mananaliksik ang organic redox polymer bilang kapalit ng graphite sa positibong electrode at nakamit ang mas mataas na kapasidad ng materyal.

Mga Bateryang Aluminium-Air

Lumilikha ng kuryente ang aluminium-air cell sa reaksiyon ng aluminium at oxygen, kung saan nauubos ang aluminium. Ipinangako ng mga siniping konsepto ang humigit-kumulang 1,600 kilometrong biyahe at 1,350 Wh/kg na espesipikong enerhiya. Enerhiya kada timbang iyon, hindi power sa W/kg. Mga pahayag ito tungkol sa konsepto, hindi garantisadong pagganap ng buong sasakyan. Iminungkahi rin ang paggamit sa eroplano.

Ayon sa mga developer, maaaring palitan ang aluminium sa loob ng mga siyamnapung segundo sa sistemang sadyang idinisenyo para rito. Kailangang iproseso sa industriya ang produkto ng reaksiyon upang gawing aluminium muli, na nangangailangan ng enerhiya. Iminungkahi rin ang dagdag na module upang pahabain ang biyahe ng mas lumang EV.

May mga hamong teknikal, pang-ekonomiya, at pang-imprastruktura, kabilang ang paggawa at pagbawi ng aluminium. Maaaring makaapekto ang mga insentibo, ngunit hindi basta maituturing na tanging o pangunahing hadlang ang kakulangan ng suporta ng pamahalaan.