Lo sviluppo di una chimica della batteria è sempre un esercizio che richiede concessioni. Non esiste una chimica della batteria che sia la migliore in ogni campo, per avere una batteria ben bilanciata dobbiamo scendere a compromessi per quanto riguarda densità di energia, densità di potenza, sicurezza, durata del ciclo e costi.
In questo lungo articolo vedremo dove sta andando la tecnologia delle batterie con l'attenzione allo sviluppo dei catodi NCM. Lascerò anodi ed elettroliti ad un'altra volta.
Iniziamo confrontando alcuni prodotti chimici di batteria popolari per veicoli elettrici. Le tariffe variano da 1 (peggiore) a 5 (migliore).
Anodi
Ossido di titanato di litio ( LTO )
catodi
Ferrofosfato di litio ( LFP )
Litio Nichel Cobalto Manganese (NCM 333 o 111)
Litio Nichel Cobalto Manganese (NCM 523)
Litio Nichel Cobalto Manganese (NCM 622)
Litio Nichel Cobalto Manganese (NCM 811)
Alluminio Litio Nichel Cobalto ( NCA )
Le sostanze chimiche LTO e LFP vengono utilizzate solo quando è richiesta una ricarica molto rapida (5-10 C), ad esempio negli autobus elettrici. Sebbene NCA sia utilizzato da Tesla, quasi tutte le case automobilistiche utilizzano batterie con catodi NCM.
È risaputo che i principali ostacoli all'adozione delle auto elettriche sono il prezzo e l'autonomia. Pertanto, i recenti miglioramenti nei catodi NCM si sono concentrati sull'aumento della densità di energia e sulla riduzione dei costi, a scapito della riduzione della densità di potenza, della durata del ciclo e della sicurezza. Tuttavia, una maggiore capacità della batteria riduce il problema della minore densità di potenza e della scarsa durata del ciclo. Per quanto riguarda le celle della batteria meno sicure, richiedono BMS (Battery Management System) e TMS (Thermal Management System) più protetti ma non sono realmente pericolosi.
La formula generale utilizzata per diminuire i costi e allo stesso tempo aumentare la densità di energia delle celle delle batterie NCM è stata quella di ridurre il contenuto di cobalto del catodo, sostituendolo con più nichel. L'aggiunta di silicio agli anodi di grafite aiuta anche ad aumentare la densità di energia, a scapito della riduzione della durata del ciclo. Ricorda, è sempre un compromesso...
Quest'anno segna l'introduzione delle batterie NCM 811 nelle auto elettriche di serie. L'azienda cinese CATL ha vinto la gara ed è stato il primo produttore a inserire le celle della batteria NCM 811 in un'auto elettrica di serie che viene già consegnata ai clienti:la NIO ES6. Tuttavia, altri stanno seguendo.
BYD è un altro produttore cinese di celle per batterie che ha annunciato le batterie NCM 811 per quest'anno. Mentre Envision AESC mira a iniziare a produrre celle per batterie NCM 811 nel 2020.
Per quanto riguarda i produttori coreani di celle per batterie, hanno posticipato ciò che avevano promesso prima di tutti gli altri. SK Innovation prevede ora di introdurre le proprie celle della batteria NCM 811 per veicoli elettrici su vasta scala all'inizio del prossimo anno, mentre LG Chem scommetterà sui catodi NCM 712 per le celle a sacchetto. Samsung SDI è molto indietro e prevede di iniziare a produrre batterie NCM 811 solo nel 2021.
È chiaro che le celle della batteria NCM 811 sono il presente e il prossimo futuro per i veicoli elettrici. Hanno una grande densità di energia e un basso costo, consentendo una maggiore autonomia e auto elettriche più economiche. Tuttavia, hanno già un successore in divenire...
SK Innovation ha annunciato che le sue celle della batteria NCM 811 - che arriveranno all'inizio del prossimo anno su vasta scala - offrono un'autonomia di 600 km (372 miglia) alle auto elettriche, ma è nel 2022 quando l'autonomia non sarà più un problema grazie all'introduzione di Celle della batteria NCM 90 (NCM 9.5.5).
I catodi NCM 90 (NCM 9.5.5) riducono ulteriormente la necessità di cobalto, che è scarso e costoso.
Ora diamo un'occhiata dietro l'hype e vediamo dove si trova attualmente questo sviluppo della tecnologia delle batterie.
Prestazioni in bicicletta dei catodi NCM utilizzando l'anodo metallico al litio
I grafici sopra ci mostrano la durata del ciclo di diversi catodi NCM a tensioni di carica molto elevate. Non essere spaventato dall'apparente elevata degradazione delle cellule. È previsto per tensioni di carica così elevate, il tipo di voltaggio che di solito vediamo sulle batterie degli smartphone.
Fortunatamente le auto elettriche hanno le celle della batteria meglio protette e limitate a tensioni di carica inferiori. Ad esempio, le celle della batteria della Nissan LEAF sono limitate a una tensione di carica massima di 4,2 V. Altre auto elettriche hanno limiti ancora più bassi per ridurre il degrado della batteria.
Ora torniamo alle classifiche.
Gli autori affermano che "l'NCM-622 (4,5 V) e l'NCM-811 (4,3 V) hanno mostrato una capacità di scarica iniziale simile di 200 mAh g-1 a 0,5 C con una ritenzione della capacità del 93% dopo 100 cicli". Inoltre, il catodo NCM 622 aveva una maggiore stabilità strutturale.
Tuttavia, anche se il catodo NCM 622 è più sicuro e quando è limitato a 4,5 V ha una durata del ciclo e una capacità simile al catodo NCM 811 quando è limitato a 4,3 V, è un gioco da ragazzi adottare quest'ultimo per le auto elettriche a causa alla riduzione dei costi richiedendo meno cobalto. Ricorda, ci sono sempre compromessi nella tecnologia delle batterie e ora l'obiettivo è ridurre i costi per consentire la massificazione delle auto elettriche.
Ora, per quanto riguarda il catodo NCM 90, le cose sembrano buone, ma potrebbe non essere ancora pronto per sostituire il catodo NCM 811.
Il catodo NCM 90, quando ciclato tra 2,7 e 4,3 V a 0,5 C, mantiene il 90 % della sua capacità iniziale della batteria dopo 100 cicli. Pertanto, una nuova auto elettrica con un'autonomia di 600 km avrebbe un'autonomia di 540 km dopo 57.000 km [(600 + 540) / 2 x 100)] in queste condizioni. La buona notizia è che nessuna batteria per auto elettrica viene utilizzata in bicicletta in queste condizioni estreme. Sono molto meglio protetti.
Mi piacerebbe vedere come si comporta il catodo NCM 90 quando cicla tra 2,8 e 4,1 V, è ragionevole aspettarsi che la durata del ciclo sia molto migliore del solo 90% di ritenzione della capacità dopo 100 cicli. Deve essere abbastanza buono da consentire una garanzia standard della batteria, che per la maggior parte dei veicoli elettrici garantisce una capacità minima del 70% per otto anni o 160.000 km (100.000 miglia).
Fino a quando non avremo batterie completamente prive di cobalto, i catodi NCM 90 sono un passo avanti necessario per consentire la massificazione delle auto elettriche.
Ad ogni modo, SK Innovation è stato il primo produttore di celle per batterie ad annunciare le celle per batterie NCM 90, ma dubito che sarà il primo a produrle. Penso che probabilmente sarà CATL o BYD.
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