車の電動化に最適な化学物質はどれですか?

電池の種類を知ろう

LCOケミストリーによるリチウム電池の組成と特性:

リチウムコバルト酸化物 (LiCoO 2 )

LCO ケミストリーを使用したリチウム電池は最も最近ではなく、主に次の用途に使用されます。 電子製品 モバイルアプリケーション、酸化コバルトカソード(正極)とグラファイトカーボンアノード(負極)で構成されています。

この化学の利点は、比エネルギーが高く、優れた性能を発揮できる中型から小型のバッテリーに最適であるため、非常に迅速に充電できることです。

実際、LCO バッテリは、スマートフォン、デジタル カメラ、ポータブル ラップトップに最も広く使用されています。

一方、それらの使用は主に、そのためにあまり大きくないアプリケーションに限定されます。 安全上の制限. さらに、放電電流がかなり低いため、高負荷時に急速に過熱する可能性があります。 

また、見つけるのが難しく、抽出における重大な倫理的問題に関連する高価な元素であるコバルトを高い割合で含んでいます。そのため、ますます多くの製造業者がコバルトを使用しないようにするか、使用を可能な限り制限しようとしています。 .

LMO ケミストリーによるリチウム電池の組成と特性:

マンガン酸リチウム (LiMn 2 O 4 )

リチウム電池 LMO ケミストリー を使用するものと非常によく似た性能を発揮します LCO技術. 電動工具などの小型機器に広く使用されています。

LMO 電池の主な特徴は、短時間で多くのエネルギーを供給できることです。 LMN 電池 マンガン酸化物カソードとグラファイトアノードで構成されています。

電動自転車、ガーデニング、医療機器、ドリルやドライバーなどの電動工具によく使用されます。

LMO バッテリー LCO ケミストリーを使用したバッテリーよりも熱安定性が高くなりますが、コバルトベースのシステムよりも低い容量によって制限されます。

LFP ケミストリーを使用したリチウム電池の組成と特性:

リチウム - 鉄 - リン酸塩 (LiFePO4)

LFP 化学は、過度の特定のエネルギーが必要とされないが、非常に高い安全性と長いライフ サイクルが必要な産業部門の特定のニーズに最もよく対応します。 つまり、自動化、ロボット工学、ロジスティクス、建設、農業、ボート、電気自動車から空港車両、空中プラットフォーム、特殊車両に至るまで、非常に広い世界について話しているのです。 実際、LFP ケミストリーを使用したバッテリーは、今日の市場で最も安全で安定しており、産業システムで必要とされる大容量フォーマットで入手できます。 たくさん接続しなくても 並列の小さなセル、安定性を低下させ、 車両の安全今日の LFP ケミストリーを使用したバッテリーのライフサイクルは、 3,500サイクル 優れた BMS システムが装備されていれば、簡単に超えることができます。 4,000、そして将来的にはそれ以上 6,000サイクル 期待されるかもしれません。ただし、「ライフサイクル」について話すときは、3,500 サイクル後にバッテリーが完全に使い果たされたと考えてはなりません。 実際には、 車両のバッテリーの寿命は常に 80% の容量が残っていると見なされますが、エネルギー貯蔵など、他の分野で使用する可能性はまだたくさんあることを覚えておくことが重要です。 LFP 化学のもう XNUMX つの利点は、固有の安全性と高いライフ サイクルに加えて、放電曲線が平坦であることです。 下の画像では、カーブが上昇傾向にあります。 これはいわゆる充電曲線で、下降曲線は放電中のバッテリー電圧を表します。 したがって、100 % から 0 % までの電圧範囲は非常に似ており、これは機械や産業用車両が放電の最初から最後まで同じ性能を保証できるようにするための基本的な事実です。

リチウム LFP 化学放電曲線

一方、この利点は欠点にもなり得ます。曲線が平坦であるため、電圧のみを読み取ると正しい値を判断することがより複雑になるからです。 SOC (充電状態)。 

この制限を回避するには、 BMS バッテリーを管理するシステムは、適切な充電状態を提供し、可能な限り最良の方法でバランス機能を実行するスマートな方法で設計する必要があります。

この化学の多くの利点の XNUMX つは、すでに述べたように毒性があり、環境に最も影響を与える物質の XNUMX つであるコバルトがまったく含まれていないことです。 

その他にもたくさんのグーグルの リチウム電池メーカー は現在、バッテリー内のコバルトの割合を減らそうとしているため、コバルトを含まない LFP 化学は大きな利点から始まります。

ほんの数年前とはいえ、 LFPバッテリー エネルギー密度が非常に低かったため、忘れ去られる運命にあったようです。 100 Wh / Kg、今日この技術 

エネルギー密度が非常に大幅に増加し、灰から文字通り再出現しました。 170 Wh / Kg 自動車業界からの強い関心を呼び起こしました。 

今後数年間で、重量密度が 220/230 Wh/Kg にさらに増加すると予想されています。これがまさに、多くの自動車メーカーが車両の電化のために LFP 化学を再導入することを決定した理由です。何よりもまず、現在それを使用しているテスラです。その「標準範囲」で 

よりもわずかに低いコストで、より高いレベルの安全性を保証するため、車両 NMC化学 高性能車に使用されます。 好き テスラ、したがって、 BYD, フォルクスワーゲン および他の多くの主要な自動車メーカーは現在、LFP 化学に大きな可能性を見出しています。

NMC ケミストリーを使用したリチウム電池の組成と特性:

ニッケル – マンガン – コバルト (LiNixMnyCozO2)

今日まで、NMC 化学を使用したバッテリーは、自動車部門で最も頻繁に使用されています。

この化学的性質により、最大で非常に高い比エネルギー 220〜240 Wh / kg 達成することができます。 これは明らかに、自動車にとって決定的な競争上の優位性です。軽量で体積が小さくても大量のエネルギーを蓄えることができるからです。 

他のリチウムベースの技術よりも多くのエネルギーを車両に搭載することができます。

NMC ケミストリーにはさまざまな種類があります。

NMC111 (ニッケル 33.3% – マンガン 33.3% – コバルト 33.3%)

NMC622 (ニッケル 60% – マンガン 20% – コバルト 20%)

NMC811 (ニッケル 80% – マンガン 10% – コバルト 10%)

NCA ケミストリーによるリチウム電池の組成と特性:

ニッケル – コバルト – アルミニウム (LiNiCoAIO2)

NCA 化学のバッテリーは、NMC バッテリーと並んで自動車部門でも使用されています。 それらの安全性評価は NMC よりわずかに低いですが、同時に非常に高いエネルギー密度を持ち、250 ~ 300 Wh/Kg に達します。 NCA セル構造は NMC 811 と非常に似ており、ニッケル含有量が高く、コバルトとアルミニウム含有量が低くなっています。 エネルギー貯蔵容量が大きいため、NCA リチウム電池は、エネルギー密度、安全性、および安定性の妥協点を達成するために、NMC 化学物質と混合して使用されることがよくあります。

LTOケミストリーによるリチウム電池の組成と特性

チタン酸リチウム (Li4Ti5O12)

まだほとんど言及されていない化学物質ですが、内部電圧が低く、機械的ストレスがないため劣化がほとんどなく、このサイクルの使用回数は 15,000 ~ 20,000 回に簡単に達するため、ライフサイクルに関しては非常に有望であるようです。 特に、自動車や非常に頻繁に使用される車両の電動化に使用できるという利点がありますが、現在のところ、その使用と普及を制限するいくつかの問題があります。

その弱点は 2:

低エネルギー密度 (177Wh/l) と重量密度 (60-70 Wh/Kg)、および 2.4 V または 2.8 V の低い公称電圧: これは、必要なバッテリー電圧を達成するために、より多くのセルを直列に接続する必要があることを意味します。 .

その現在の非常に高いコストは、少数の世界的な LTO セル メーカーに反映されています。

一方、その利点には、長寿命だけでなく、広い温度範囲、および高電力充放電に対する優れた感受性、つまり高い C-Rate (定格容量に対する電流の比率) が含まれます。

LTO テクノロジーの理想的な用途は、AGV (無人搬送車) などの大型アプリケーションです。24 時間年中無休で稼働する自動運転フォークリフトのフリートを想像してみてください。これらのトラックも、急速充電を利用してダウンタイムを短縮し、結果としてプラント効率を向上させます。


理論から実践へ: あらゆる用途に適したリチウム化学物質の使用

現在、さまざまな電化分野で最も広く使用されているリチウムベースの化学の 6 つの主なタイプを概説しました。 しかし、これらの化学が互いに競合していると考えてはなりません。 それらはすべて価値があり、高性能ですが、各リチウム化学物質はさまざまな使用分野で最適に機能します.

この図は、化学のさまざまな特性を次の観点から比較したものです。

● 比エネルギーまたは重量密度 [Wh/Kg]: 含まれるエネルギー量 (Wh = V x Ah) とバッテリーの重量の比率です。

● 安全性: 本質的な安全性はコンポーネントの熱安定性に大きく依存するため、熱安定性と密接に関連しています。

● C-レート: 充電/放電レート、つまり、充電または放電電流 (A) とセルの公称容量 (Ah) の比率。 これは、セルの発電能力に密接に関連するパラメーターです。

● ライフサイクル: セルが寿命に達するまでに放電および充電できる回数。通常、80% の残存容量に達した時点で考慮されます。

●費用


産業用LFPおよびLTOバッテリー

工業、農業、さらには特殊車両の電動化でも、特にバッテリーに負荷がかかる非常にサイクルの多いアプリケーションの場合は、耐用年数、信頼性、安全性が最も重視される LFP や LTO などの化学物質を使用することをお勧めします。最も重要な要件。

したがって、産業界では、過剰な性能やエネルギー密度が必須ではないのと同様に、スペースの問題はあまり制約になりません。 したがって、適切な化学物質の選択を評価する場合、安全性のより重要な要因が作用します。これは、ほとんどの人が妥協したくなく、妥協できる側面です.

少しかさばるバッテリーを使用することをお勧めしますが、最適な安全性を提供し、耐用年数が大幅に長くなります。 LGV や AGV など、集中的に使用され、3 時間絶え間なく稼働する必要がある車両があり、その結果、それらのバッテリーは 4 日に 4,000 ~ XNUMX 回の充電サイクルを実行することさえあります。 したがって、LFP ケミストリーは、XNUMX 回を超える再充電サイクルでそれらを簡単にサポートします。 定置用蓄電池が必要な場合、エネルギー密度はほとんど意味がなく、逆に電池のコストとライフサイクルが化学の選択の背後にある要素になります。 LFP 化学はその場所を見つけるでしょう。