Het ontwikkelen van een batterijchemie is altijd een oefening die concessies vraagt. Er is geen batterijchemie die op elk gebied de beste is. Om een goed uitgebalanceerde batterij te hebben, moeten we compromissen sluiten met betrekking tot energiedichtheid, vermogensdichtheid, veiligheid, levensduur en kosten.
In dit lange artikel zullen we zien waar de batterijtechnologie naartoe gaat met de focus op de ontwikkeling van NCM-kathodes. Anodes en elektrolyten laat ik tot een andere keer over.
Laten we beginnen met het vergelijken van enkele populaire batterijchemieën voor elektrische voertuigen. Tarieven variëren van 1 (slechtste) tot 5 (beste).
Anodes
Lithiumtitanaatoxide ( LTO )
Kathoden
Lithium-ferrofosfaat ( LFP )
Lithium-nikkel-kobalt-mangaan (NCM 333 of 111)
Lithium-nikkel-kobalt-mangaan (NCM 523)
Lithium-nikkel-kobalt-mangaan (NCM 622)
Lithium-nikkel-kobalt-mangaan (NCM 811)
Lithium Nikkel Kobalt Aluminium ( NBA )
De LTO- en LFP-chemie wordt alleen gebruikt wanneer echt snelladen (5-10 C) nodig is, bijvoorbeeld in elektrische bussen. Terwijl NCA door Tesla wordt gebruikt, gebruikt bijna elke autofabrikant batterijen met NCM-kathodes.
Het is algemeen bekend dat de belangrijkste obstakels voor de adoptie van elektrische auto's de prijs en het bereik zijn. Daarom zijn recente verbeteringen in NCM-kathoden gericht op het verhogen van de energiedichtheid en het verlagen van de kosten, ten koste van het verminderen van de vermogensdichtheid, levensduur en veiligheid. Hogere batterijcapaciteiten verminderen echter het probleem van een lagere vermogensdichtheid en een slechte levensduur. Wat betreft minder veilige batterijcellen, deze vereisen meer bescherming van BMS (Battery Management System) en TMS (Thermal Management System), maar zijn niet echt gevaarlijk.
De algemene formule die werd gebruikt om de kosten te verlagen en tegelijkertijd de energiedichtheid van NCM-batterijcellen te verhogen, was om het kobaltgehalte van de kathode te verminderen door deze te vervangen door meer nikkel. Het toevoegen van silicium aan grafietanodes helpt ook om de energiedichtheid te verhogen, wat ten koste gaat van de levensduur. Onthoud dat het altijd een compromis is...
Dit jaar markeert de introductie van NCM 811-batterijen in elektrische auto's voor massaproductie. Het Chinese bedrijf CATL won de race en was de eerste fabrikant die NCM 811-batterijcellen plaatste in een elektrische auto voor massaproductie die al aan klanten wordt geleverd - de NIO ES6. Desalniettemin volgen anderen.
BYD is een andere Chinese fabrikant van batterijcellen die dit jaar NCM 811-batterijen heeft aangekondigd. Terwijl Envision AESC ernaar streeft om in 2020 te beginnen met de productie van NCM 811-batterijcellen.
Wat de Koreaanse batterijcelfabrikanten betreft, ze hebben wat ze beloofden voor iedereen uitgesteld. SK Innovation verwacht nu begin volgend jaar zijn eigen NCM 811-batterijcellen voor EV's op volledige schaal te introduceren, terwijl LG Chem zal inzetten op NCM 712-kathodes voor pouch-cellen. Samsung SDI loopt ver achter en verwacht pas in 2021 te beginnen met de productie van NCM 811-batterijcellen.
Het is duidelijk dat de NCM 811-batterijcellen het heden en de nabije toekomst zijn voor elektrische voertuigen. Ze hebben een grote energiedichtheid en lage kosten, waardoor een groter bereik en goedkopere elektrische auto's mogelijk zijn. Ze hebben echter al een opvolger in de maak…
SK Innovation kondigde aan dat zijn NCM 811-batterijcellen – die begin volgend jaar op volledige schaal aankomen – 600 km (372 mijl) bereik geven aan elektrische auto’s, maar het is in 2022 wanneer het bereik geen probleem meer zal zijn dankzij de introductie van NCM 90 (NCM 9.5.5) batterijcellen.
De NCM 90 (NCM 9.5.5)-kathoden verminderen de behoefte aan kobalt, dat schaars en duur is, verder.
Laten we nu eens kijken achter de hype en zien waar deze ontwikkeling van batterijtechnologie zich momenteel bevindt.
Fietsprestaties van NCM-kathoden met behulp van Li-metaalanode
De bovenstaande grafieken tonen ons de levensduur van verschillende NCM-kathoden bij zeer hoge laadspanningen. Schrik niet van de ogenschijnlijk hoge afbraak van de cellen. Het wordt verwacht voor zulke hoge laadspanningen, het soort spanningen dat we meestal zien op smartphonebatterijen.
Gelukkig hebben elektrische auto's hun batterijcellen beter beschermd en beperkt tot lagere laadspanningen. De batterijcellen van de Nissan LEAF zijn bijvoorbeeld beperkt tot een maximale laadspanning van 4,2 V. Andere elektrische auto's hebben zelfs nog lagere limieten om degradatie van de batterij te verminderen.
Nu terug naar de hitlijsten.
De auteurs vermelden dat "de NCM-622 (4,5 V) en NCM-811 (4,3 V) een vergelijkbare initiële ontladingscapaciteit van 200 mAh g-1 bij 0,5 C vertoonden met een capaciteitsbehoud van 93% na 100 cycli." Bovendien had de NCM 622-kathode een hogere structurele stabiliteit.
Maar zelfs als de NCM 622-kathode veiliger is en wanneer beperkt tot 4,5 V een levensduur en capaciteit heeft die vergelijkbaar is met de NCM 811-kathode wanneer beperkt tot 4,3 V, is het een goed idee om de laatste voor elektrische auto's te gebruiken vanwege kostenbesparing door minder kobalt nodig te hebben. Onthoud dat er altijd compromissen zijn op het gebied van batterijtechnologie en nu ligt de focus op het verlagen van de kosten om de massificatie van elektrische auto's mogelijk te maken.
Wat betreft de NCM 90-kathode ziet het er goed uit, maar het is mogelijk dat deze nog niet klaar is om de NCM 811-kathode te vervangen.
De NCM 90-kathode behoudt bij cycli tussen 2,7 en 4,3 V bij 0,5 C 90 % van zijn oorspronkelijke batterijcapaciteit na 100 cycli. Daarom zou een nieuwe elektrische auto met een actieradius van 600 km na 57.000 km [(600 + 540) / 2 x 100)] in deze omstandigheden een actieradius van 540 km hebben. Het goede nieuws is dat er in deze extreme omstandigheden geen elektrische auto-accu wordt gefietst. Ze zijn veel beter beschermd.
Ik zou graag willen zien hoe de NCM 90-kathode zich gedraagt bij een cyclus tussen 2,8 en 4,1 V, het is redelijk om te verwachten dat de levensduur veel beter is dan slechts 90% capaciteitsbehoud na 100 cycli. Het moet goed genoeg zijn om een standaard batterijgarantie toe te staan, die voor de meeste EV's een minimumcapaciteit van 70 % garandeert gedurende acht jaar of 160.000 km (100.000 mijl).
Totdat we volledig kobaltvrije batterijen hebben, zijn NCM 90-kathodes een noodzakelijke stap voorwaarts om de massalering van elektrische auto's mogelijk te maken.
Hoe dan ook, SK Innovation was de eerste fabrikant van batterijcellen die de NCM 90-batterijcellen aankondigde, maar ik betwijfel of het de eerste zal zijn om ze te produceren. Ik denk dat het waarschijnlijk CATL of BYD wordt.
Dit artikel was alleen mogelijk dankzij Sci-Hub. "Sci-Hub is een project om kennis vrij te maken" dat iedereen toegang geeft tot onderzoeksartikelen die meestal achter betaalmuren zitten. Sci-Hub is de democratisering van de wetenschap.
Bedankt Emanuele voor de heads-up.
