Simple drechi? Excepto nada di e baterianan aki en realidad ta simpel unabes bo cuminsa coba den e detayenan, loke mi ta a punto di haci pasobra mi no por yuda mi mes.
Dikon litio sinembargo? (Aki ta unda mi ta bira fastioso)
Elemento number 3. Hidrogeno, helium, litio. Esey ta e ordo. Atom super chikito pasobra e tin solamente 3 proton.
E ta e kos di litio {{0} e REALMENTE e ke deshací di su electron eksterno. Como cu desesperadamente kier. E ta tipo di instabil di e manera ey. Bo sa e videonan ey di hendenan cu ta tira sodium den awa y e ta fiz y pega candela? Litio ta haci esey pero MAS. Mi a mira un hende baha un pida di metal di litio den un baki di awa un biaha na un demostracion di seguridad na 2011 (of 2012?) y e tabata honestamente tipo di spanto con lihe el a reacciona. E baki a smelt.
Warda no, e baki no a smelt. E awa a herbe y e litio a pega candela riba e superficie. E baki tabata bon. Mi memoria ta shit.
Anyway punto ta: metal di litio puro ta peligroso. Ta p’esei baterianan moderno-ion bateria no ta usa metal di litio puru {{2} nan ta usa IONS di litio. Ya ta oxida litio. E forma Li+. Manera mas stabil.
E voltahe cu bo ta haya ta alrededor di 3.6-3.7V pa cel cual ta decente. Mihó ku alkalino (1,5V) òf NiMH (1,2V). Medionan bo mester di menos cel pa dal bo voltahe di meta. Ta pesey bo bateria di laptop tin 6 cel en bes di manera 15.
Tambe - i mi mester a menshoná esaki promé {{1} litio ta LIGHT. Di tres elemento mas liviano. Asina bo ta haya densidad di energia halto sin peso loco. Ta p’esei EVnan ta usa litio-ion i no ta hiba-ácido. Un bateria di plomo-ácido ku e mesun energia ta pisa literalmente 5-6 biaha mas. Bo Tesla ta mester di un forklift pa kambia e bateria.
E komponentenan real (buckle up esaki ta bira tékniko)
Anodo (banda negativo):
Normalmente grafito. Si, e mesun cosnan cu ta den potlood, excepto manera mas puro y procesa diferente.
Grafito tin e struktura di kristal kapa aki - imaginá un deck di karchi na nivel atómiko. E capanan ta wordo teni hunto pa forsanan debil di van der Waals (kimica di scol halto ta bin bek pa persigui bo). Ionnan di litio por slip entre e capanan aki y djis... pasa eynan. E término tékniko ta "interkalashon" pero mi ta pensa riba dje manera stashoná outo den un garashi multi-.
Kapasidat máksimo teóriko ta 372 mililiamp pa gram. Real- mundu bo ta haña 340-360 mAh/g si e fabrikashon no ta chupa. Mi a mira celnan di algun fabricante Chines cu apenas por a dal 310 mAh/g. No ta bai nomber nòmber pero si bo rearreglá e lèternan den "BYD" bo ta haña... okay mi ta nombrando nòmber. Nan celnan tempran tabata bruto. Nan a bira manera miho desde manera 2018 aunke.
Awor tur hende ta keda papia di anodonan di silicon pasobra teoreticamente por tene 10x mas litio cu grafito. Ta sona asombroso no? 3700+ mAh/g kapasidat teóriko.
E problema - i esaki ta e problema ku a wòrdu "kasi solushoná" for di tempu ku mi a kuminsá den e industria aki {{1} ta ku silikon ta ekspandé ku mas o ménos 300% ora bo ta lithite esaki. E particulanan literalmente ta ranca for di otro. Imagina bo hincha un bala den un bloki di beton. E beton no ta flexiona, e ta djis kibra.
Tesla ta uza algun silicon awor, mescla cu grafito. Kisas 5-10% di silicio? Mi a tende cu e tabata 8% pero mi por ta robes. Punto ta e ta un cantidad chikito. Anodonan di silicio puro ainda no ta cla apesar di loke tur startup’s Series A pitch deck ta reclama.
Katodo (banda positivo):
Oh boy. Aki ta unda e ta bira desordena pasobra tin manera 6 diferente quimica di catodo y tur hende tin opinion riba cua ta miho y nan tur ta robes pasobra e ta depende di bo aplicacion.
Esun original di Sony na 1991 tabata óksido di cobalt di litio - LiCoO2. Nos ta yam’e “LCO” pa corta. Densidat di energia ta basta bon {{4} mAh/g dependiendo di ken a traha esaki. Pero e stabilidad termico ta teribel. Si bo ta overcarge’é òf hañ’é muchu kayente, e struktura di kristal ta libera oksígeno. Oxigeno + elektrolito orgániko + kalor {{10} dia malu. Bo telefon probablemente ta usa LCE aunke pasobra telefonnan no mester dura 10 aña i bo no ta lihé{{13}gando nan na 10C.
Despues tin NMC - nikel di óksido di kobalt di nikkel. Esaki ta loke mayoria EV ta uza awor. E ratio di nikkel pa manganes pa cobalt ta keda cambia. Kuminsá komo 1:1:1 (partinan igual). Despues fabricantenan a muda pa 5:3:2. Despues 6:2. Ora nos ta na manera 8:1 òf asta 9:0.5:0.5 den algun sèl haltu di {20}.
Dikon e shift? Cobalt ta caro. Como realmente caro. Tambe mayoria di cobalt ta bin di RDC (Repúblika Demokrátiko di Kongo) i e situashon di mineria ku tin... kompliká. Trabou di mucha, condicionnan insigur, henter e desordo. Pues tur hende ta purba di uza menos cobalt.
Mas nikkel=mas kapasidat pero ménos stabilidat termal. Mas manganes=mas barata i mas stabil pero ménos kapasidat. Mas cobalt=mas stabil i mihó bida di siklo pero $$$ i asuntunan étiko.
Semper ta komersio-ffs. Sèmper. Mi a yega di tin asina hopi argumento ku gerente di produkto tokante esaki. Nan kier densidad di energia halto Y bida di ciclo largo Y costo abou Y bon seguridad. Bo por piki kisas dos. Por ta.
Tambe tin NCA - aluminio di cobalt di nikkel. Tesla a usa esaki pa añanan den nan pakusnan largu-rango. Panasonico a traha nan na e gigafabrica di Nevada. Mi a gira un fábrika di bateria diferente un biaha {{5} no esun ei, sino un fasilidat di kompetidó - i e kamber seku so tabata loco. E sistema di maneho di aire probablemente ta kosta $50+ mion. Tur kos tin ku ta bou di -40 grado di rosea òf e salu di elektrolito ta apsorbé humedat i ta krea ácido hidrofluóriko. HF lo come door di cualkier cos. Glas, metal, weso. Cosnan desagradabel.
Oh e LFP - fosfato di hero di litio. Esun aki ta haciendo un comeback. E ta mas sigur, mas barata pa kWh, y ta dura mas largo. Mi a tende di celnan di LFP haciendo {{4} ta ciclo na 80% di capacidad. Kisas asta 6000. E desventaha ta densidat di energia mas abou {{8} solamente manera 120-140 mAh/g vs 180-200 pa NMC.
Tesla a cuminsa pone LFP den nan Modelo di Rango Standard 3s rond di 2021. E mercado Chines a haya nan prome. Hasi sentido {{3} BATAL ta e fabrikante di LFP mas grandi i nan ta na China.
Tin hende ta keha di perdida di rango di LFP den tempo friu. E ta pio cu NMC. Pero e celnan ta mas barata y ta dura mas largo pues pa un cantidad di aplicacion e ta bale la pena e comercio-ff. Mi ta tuma un paki di LFP pa un outo di siudat. Pa un krusadó di karetera largu-narkel kisas no.
Elektrolito:
Esaki ta e likido den mitar. E ta kondusí ionnan pero no elektrón, loke ta importante pasobra si e kondusí elektrón bo ta djis tin un korto sirkuito.
Normalmente ta trata di hexafluorofoorofoorofoorofoofoofoofoofósfato di litio {{0} LiPF₆ {{1} disolvé den solventenan orgániko. E solventenan ta tipicamente un mix di carbonato di etileno (EC) y carbonato dimetil (DMC) of carbonato dietil (DEC).
Aki un detaye straño: EC ta solido na temperatura di kamber. Punto di smelt ta alrededor di 36 grado . Pues EC puro ta vries den winter. Ta p’esei bo ta meskl’é ku DMC òf DEC ku ta líkido abou pa manera -70 grado òf whatever. E mescla ta keda likido den condicionnan razonabel.
Tambe karbonatonan orgániko ta inflamabel. No ta gasolin- nivel inflamabel pero definitivamente inflamabel. Mi a mira un prueba di penetracion di uña un biaha unda nos a core deliberadamente un clabo door di un cel completamente carga. El a ventila gas promé {{4} zonido di pop {{5} despues ta vlam tira afó e buraku di ventila. Alcansa manera 2 meter halto. Henter e cel a yega na kisas 800 grado a base di e filmacion di e camara termal.
Esey tabata un test controla cu supresion di candela y tur cos. Ainda spantoso aunke.
E salu di LiPF₆ ta higráskópiko manera fièrnu. Stima awa. Si e ta muha e ta hidrolisa den HF. Ta pesey fabricacion di bateria ta sosode den cambernan sumamente seco. Mi ta papiando punto di rosea di -40 grado òf mas abou. E sistema di deshumidificacion ta generalmente un di e consumidornan di energia mas grandi den un fabrica di cel.
Mi a bishitá un fasilidat un biaha kaminda e kamber seku tabata asina seku ku tabata hasi doló pa hala rosea. Bo nanishi ta seca den algun minuut. Tur hende cu ta traha eynan mester a uza spray di salo constantemente. No ta un ambiente di trabou agradabel.
Separadó:
E komponente lubidá. E ta djis un membrana di polimer fini pero e ta critico.
Normalmente polipropileno (PP) òf polietileno (PE). Tin biaha un trilayer ku PP-PE{2}}P. Diki ta tipicamente 20-25 micron. Esey ta flaco. Mas diki ku un kabei humano (70-100 mikron).
E tin poronan mikroskópiko - manera 100 diameter di nanometer {{2} ku ta laga ionnan pasa pero ta blokia elektrón. Tambe e ta mantene e anodo y catodo fisicamente separa. Si nan ta mishi {{5} di korto sirkuito {{6} kosnan malu ta sosodé lihé.
Bo ta kòrda e Samsung Galaxy Nota 7 kandela? 2016. Esey tabata parcialmente debi na daño di separador. Samsung a diseña e bateria demasiado agresivo. Demasiado fini, paki demasiado strak, no tin toleransia pa ekspanshon. Algun cel tabatin e separador primi demasiado duro den un skina. Spot debil a desaroya. Eventualmente a haya un buraco di pin. Short interno. Termal a huy. Kandela.
Nan a recorda 2.5 miyon di telefon. Prohibí for di avion. Costo Samsung biyones. Tur pa motibo di un pida plastic mas diki cu papel.
Mi tin opinionnan tocante diseño di bateria agresivo. Fabricantenan ta keda pusha mas diki y liviano pa bati e competencia. Pero tin un limite. Físika no ta preokupá ku bo orario di lansamentu di produkto.
Con e ta funciona en realidad (e parti cu tur hende ta salta)
Kabra:
Bo ta plug den bo telefon. E cargador ta forsa electronnan den e anodo y ta hala nan for di e catodo. Esaki ta haci cu e catodo ta libera ionnan di litio. E ionnan ta biaha den e electrolito pa e anodo. Nan ta wordo intercapa den e structura di grafito.
Pensa riba dje manera comprimi un resorte. E ionnan di litio no kier ta den e anodo naturalmente {{1} nan ta mas stabil den e katodo. Pero bo ta forsa nan eynan door di aplica voltahe. Energia warda.
Deskargá:
Bo ta desconecta y uza bo telefon. E primavera ta lansa. Ionnan di litio ta flui bek pa e catodo door di e electrolito. Electronnan ta flui den circuito di bo telefon for di anodo pa catodo. E fluho di electron ey ta alimenta bo aparato.
E voltahe ta depende di e kimico y estado di carga. Pa NMC of NCA:
Completamente carga: ~4.2V
Nominal: ~3.7V
Completamente descarga: ~3.0V
No bay bou di 3.0V of bo ta cuminsa platea metal di litio cu ta peligroso. No bay riba 4.2V of bo ta riesga di huy termico. Ta p’esei sistemanan di maneho di bateria (BMS) ta eksistí. Nan ta monitor voltahe y temperatura y coriente y cera cosnan si algo ta mustra robes.
Bo diseño di BMS ta duro. Realmente duro. Bo mester di tempu di kontesta rápido, sensornan eksakto, kòntròlnan di seguridat redundante. Un BMS barata ta un di e maneranan mas lihe pa converti un bateria decente den un peliger di candela.
E problemanan (oh homber tin asina hopi problema)
Problema 1: Degradashon ta inevitabel
Tur karga-descarga siklo di deskarga ta daña e bateria. Inevitabel. Termodinámika.
Tin e kos aki yama e kapa di SEI {{0} interfase di elektrolito sólido {{1} ku ta forma riba e superfisie di anodo. Eigenlijk ta nesesario pa e bateria funshoná. Pero e ta keda crece cu tempo y consumi litio activo. Despues di 500 ciclo bo por tin 90% di capacidad cu a resta. Despues di 1000 kisas 80%. Despues di 2000... ta depende.
Mi tin un MacBook for di 2015 cu ainda ta mustra 78% di salud di bateria. Mi ta baby’é aunke - raramente lag’é bai bou di 40%, tene esaki plug in ora ta posibel, nunka karg’é den un outo kayente. Mi esposa tin un MacBook 2018 cu ta na 62% di salud pasobra e ta core esaki duro. Full ciclonan diariamente, ta lag’e carga durante anochi, ta uz’e riba su schouder mientras e ta cayente. Con bo ta trata e asuntonan di bateria HOPI.
E catodo ta degrada tambe. Alto-enkel NMC ta spesialmente malu. Riba 4.3V e superficie di catodo ta cuminsa reacciona cu electrolito. Ionnan di metal di transishon (nikel, manganes, cobalt) por disolvé i migra pa e anodo kaminda nan ta desordená e SEI. Tambe tin e cos aki cu yama densificacion di catodo unda e structura di cristal ta compacta poco poco y ta perde porosidad.
No por preveni esaki realmente. Ta djis quimica. Entropia semper ta gana.
Problema 2: Temperatura ta destruí tur kos
Pabou di 0 grado e electrolito ta bira viscoso manera honing friu. Transporte di ion ta baha. Bo ta pèrdè kisas 20-30% kapasidat na {{8}10 grado . Pió ainda, si bo purba di karga un bateria friu bo ta plat lithium metaliko riba e anodo en bes di interkalá esaki. Esey ta crea dendritanan - structuranan manera aguja di metal di litio cu por crece y eventualmente perfora e separador. Short interno. Kandela.
Riba 40-45 grado , tur e reakshonnan di degradashon ta aselerá. Regla di man: cada aumento di 10 grado ta redobla e tasa di reaccion. Pues un bateria na 45 grado ta degrada mas o menos 4x mas lihe cu na 25 grado .
Mi ta biba na Texas. Temps di zomer a dal 100 grado F+ (38 grado +). Mi a mira bateria di EV cu a perde 15% di capacidad den 3 aña djis for di exposicion na calor. Mientras tanto EVnan na Minnesota apenas ta degrada den zomer {{9} pero ta perde rango den winter debi na e friu. No por gana.
E temperatura ideal di operashon ta manera 20-25 grado . Bon suerte manteniendo esey den mundo real.
Problema 3: Kargamentu lihé ta inherentemente problemátiko
Tur hende kier 10- minute di karga manera un pòmp di gasolin. Pero pusha energia masivo pa medio di un bateria ta genera calor. Pèrdidanan di I2R - tempu kuadrá di koriente. E resistencia ta chikito pero no cero. Na 250kW di karga bo ta generá kalor signifikante.
Tambe kargamentu lihé ta enfatisá e materialnan di elektrodo mekánikamente. Ionnan di forsanan pa move lihé dor di e struktura. Por causa rancamento y fractura di particula cu tempo.
Supercargadornan di Tesla (V3) por haci 250kW pico. Pero nan ta taper abou lihe. Kisas 250kW pa 5 minüt, despues 150kW, despues 100kW, despues 50kW. Esey ta e BMS cu ta proteha e celnan.
Sistemanan di 800V mas nobo di Porsche y Hyundai por haci 350kW. Pero solamente brevemente. Físika ta físika.
Tin investigashon den rápido{2} karge-}-optimalisá diseñonan di elektroda. Electrodonan mas fini, particulanan mas chikito, miho capanan. E ta yuda. Pero bo no por gaña termodinamica.
Problema 4: Kandela
Bateria di Litio-ion no ta pega candela hopi biaha. Manera menos cu autonan di gasolin. Pero ora nan haci’e ta dramatico.
Termal a huy. Unabes ku un sèl dal un temperatura krítiko - ta varia pa kímika, kisas 150{{3} 200 grado - reakshonnan eksotermiko ta kuminsá. SEI ta deskomponé. Separador ta smelt. Elektrolito ta herebé. Catodo ta libera oxigeno. Cada reaccion ta produci calor cual ta desencadena mas reaccion. Loop di feedback positivo.
No por paga esaki cu awa manera un candela normal. Kiermen bo por dump awa riba dje pa e fria pero e cel ta keda genera calor internamente. Bomberonan ta odia candela di EV. Tuma oranan pa pone afo. Por reencende despues.
Celnan moderno tin rasgonan di seguridad aunke. Separadornan di Shutdown cu ta cera ora e ta wordo calenta. Ventilanan di presion. Actual ta interumpi. Fusenan termico. Plus e BMS ta wak tur cos.
Ainda ta sosode tin biaha aunke. Haci e noticianan cada biaha aunke EVnan estadistico ta mas sigur cu autonan di gas. Problema di PR.
Problema 5: Etika di kobalt
70% di cobalt ta bin di DRC. Hopi di dje for di minanan artesanal cu mal condicionnan di trabou. Rapportnan di trabou di mucha. Daño ambiental. E ta un desordo.
Tur hende ta purbando di uza menos cobalt. Alto-enkel NMC ta usa masha poko. LFP ta uza cero. Pero cobalt si ta stabilisá e struktura di katodo. Sin esaki bo mester di miho maneho termico y limitenan di voltahe mas estricto.
Prijs di cobalt tambe ta loco. Bou di $30k/ton na 2016. A subi te na $90k+ na 2018. Actua te $25k na 2020. Awor alrededor di $35k/ton. Kon bo ta plania produkshon ora bo gastunan di materia prima ta fluktuá 3x?
Problema 6: Kaos di kadena di suministro
Prijsnan di litio a bay absolutamente nuts na 2021-2022. $6k/ton na 2020. Calco na como $80k/ton na fin di 2022. Actua pa $12k/ton na 2024. Awor alrededor di $15k/ton na 2025.
Mayoria di litio ta bini di Australia (minamentu di piedra duru) òf Sur Amérika (kèkstrashon di brine for di flatnan di salu den Chile/Argentina/Bolivia {{0} e "triangulo di litio"). Pero mayoria di procesamento ta sosode na China. Como 75% di e capacidad di refinacion di litio global.
China tambe ta kontrolá fabrikashon di bateria - 75% di produkshon di cel global. E 90% di materialnan di anodo (prosesamentu di grafito).
Esaki ta e motibo cu Merca y Europa ta luchando pa construi cadenanan di suministro domestico. Pero e ta slow. Ta tuma añanan pa construi un gigafabrica. Ta tuma mas tempo pa construi e cadena di suministro riba estrecho.
Bateria- grado litio mester ta ultra puro. Menos cu 0.01% impuresanan. E nivel di refinacion ey no ta barata of lihe.
Dikon nos ta pega ku litio-ion (pa awor)
Apesar di tur loke mi a djis keha di dje, litio-ion ainda ta e mihó opshon na eskala komersial.
Densidad di energia: 250-300 Wh/kg na nivel di cel. Kisas 160-180 Wh/kg na nivel di paki despues di añadí friamentu i struktura i BMS. Esey ta suficiente pa 300+ EVnan sin peso ridiculo.
Kompará:
Plomo-ácido: 30-50 Wh/kg (pesado komo fuck)
NiMH: 60-120 Wh/kg (loke Prius a usa)
NiCd: 40-60 Wh/kg (tambe tóksiko, mayoria biaha a wòrdu alimentá)
Fabricacion ta madura. Decenas di proveedor. Multiple gigafabrica. Estableci e cadenanan di suministro. Ekonomia di eskala.
E gigafabrica di Nevada di Tesla ta dirigi riba 35 GWh/aña. Esey ta suficiente pa 500k+ EV. CATL na China ta hasi mas ainda - mi ta pensa {{6} GWh/aña? Kisas 300? Mi ta mester check.
Tur e infrastruktura ta asumí litio-ion tambe. Normanan di karga (CCS, NACS, CHAdeMO). Algoritmonan di BMS. Reglamentonan di seguridad. Procesonan di reciclahe. No por djis intercambia den un diferente quimica sin rediseña tur cos.
Kico por reemplas’e eventualmente .
Sólido{{0} di baterianan:Remplasá elektrolito líkido ku serámika sólido òf material di sulfuro. Bentaha: no tin leakage, menos riesgo di candela, kisas uza anodonan di metal di litio pa densidad di energia mas halto.
Kuántiko Scape, Poder Solido, Toyota, Samsung {{0} tur hende ta trahando riba dje. KuántikoSkape ta reklamá 800 Wh/kg den sèlnan di laboratorio ku 800+ siklonan. Impresionante si ta berdad.
Problemanan: Resistensia di interfase entre elektrolito sólido i elektrode. Duro pa mantené bon kontakto riba miles di siklo segun ku materialnan ta ekspandé/kontrakt. Mayoria di elektrolito sólido ta briyo {{2} dendritanan por ranka dor di nan. Fabricacion na escala ta completamente sin prueba.
Mi ta skeptico nos lo mira esaki den autonan principal prome cu 2030. Kisas 2028 si un hende tin un avance. Pero probablemente despues. Mi a tende "solido-estado ta 5 aña leu" pa e último 10 añanan.
Litio-sulfur:Densidat di energia teóriko di 2600 Wh/kg. Sulfur ta barata y abundante.
Problema: efekto di shuttle di polisulfuro. Produktonan intermedio ta disolvé den elektrolito kousando fade rápido. Despues di 50 ciclo e bateria ta toast.
Esaki a wordo “casi soluciona” pa {{0} añanan. Ainda no tey.
Sodio-ion:Eigenlijk ta pasando awor. CATL a cuminsa cu produccion na 2023. BYD ta trahando riba dje.
Sodio ta tur caminda (awa di lama). Manera mas barata ku litio. Por uza ekiponan di fabricacion similar.
Pero densidat di energia ta mas abou: 150{{2}160 Wh/kg vs 250-300 pa litio-ion.
Tin sentido pa EVnan di almacenahe y presupuesto stacionario. No reemplasando litio-ion den produktonan premium pronto.
Anodonan di metal di litio:Uza metal di litio en bes di grafito. Mantené elektrolito líkido. Por a alcansa 400-500 Wh/kg na nivel di cel.
Problema di distrito ta persistí. Tur hende tin nan propio solushon - kapanan, aditivonan di elektrolito, etc. Nos lo wak ken ta logra promé.
Oh ebateria di polimer di litio- probablemente mester menshoná eseinan. Nan ta usa gel òf elektrolito di polimero sólido en bes di líkido. Di forma mas fini, formanan mas flexibel. Bo earbuds sin kabel probablemente tin un. Un tiki mas sigur cu likido pero densidad di energia ta mas o menos mescos. Ainda e ta litio-ion tech, djis empaketá diferente. Departamentonan di mercadeo ta gusta yama nan “LiPo” manera ta trata di algun cos revolucionario. No ta asina.
