Welke chemie is het beste om uw voertuig te elektrificeren?
Laten we de verschillende soorten batterijen ontdekken
Samenstelling en kenmerken van lithiumbatterijen met LCO-chemie:
Lithium-kobaltoxide (LiCoO 2 )
Lithiumbatterijen met LCO-chemie zijn de minst recente, voornamelijk gebruikt voor elektronische apparaten en mobiele applicatiesen bestaan uit een kobaltoxidekathode (positieve elektrode) en een grafiet-koolstofanode (negatieve elektrode).
Het voordeel van deze chemie is dat het een hoge specifieke energie heeft en perfect is voor middelgrote tot kleine batterijen, die goed kunnen presteren, waardoor ze zeer snel opgeladen kunnen worden.
LCO-batterijen worden namelijk het meest gebruikt voor smartphones, digitale camera's en draagbare laptops.
Aan de andere kant is het gebruik ervan voornamelijk beperkt tot toepassingen die vanwege hun niet al te grote omvang hebben veiligheidsbeperkingen. Bovendien hebben ze een vrij lage ontlaadstroom, waardoor ze bij hoge belasting snel oververhit kunnen raken.
Ze bevatten ook een hoog gehalte aan kobalt, een duur element dat moeilijk te vinden is en gepaard gaat met grote ethische problemen bij de extractie, en daarom proberen steeds meer fabrikanten het nu zonder te doen of het gebruik ervan zoveel mogelijk te beperken .
Samenstelling en kenmerken van lithiumbatterijen met LMO-chemie:
Lithium-mangaan-oxide (LiMn 2 O 4 )
Lithiumbatterijen met LMO-chemie presteren op dezelfde manier als degenen die het gebruiken LCO-technologie. Ze worden veel gebruikt in kleine apparaten zoals elektrisch gereedschap.
Het belangrijkste kenmerk van LMO-batterijen is hun vermogen om in korte tijd veel energie te leveren. LMN-batterijen bestaan uit een mangaanoxidekathode en een grafietanode.
Ze worden vaak gebruikt voor elektrische fietsen, tuinieren, medische apparatuur en elektrisch gereedschap zoals boormachines en schroevendraaiers.
LMO-batterijen hebben een hogere thermische stabiliteit dan batterijen met LCO-chemie, maar worden beperkt door hun capaciteit, die lager is dan op kobalt gebaseerde systemen.
Samenstelling en kenmerken van lithiumbatterijen met LFP-chemie:
Lithium – IJzer – Fosfaat (LiFePO4)
LFP-chemie beantwoordt het beste aan de specifieke behoeften van de industriële sector, waar geen overmatige specifieke energie vereist is, maar wel behoefte is aan een zeer hoge veiligheid en lange levenscycli. We hebben het dus over een hele wijde wereld, variërend van automatisering, robotica, logistiek, bouw, landbouw, varen, elektrische voertuigen tot luchthavenvoertuigen, hoogwerkers en speciale voertuigen In feite zijn batterijen met LFP-chemie de veiligste en meest stabiele die momenteel op de markt verkrijgbaar zijn en zijn verkrijgbaar in formaten met een grote capaciteit, zoals vereist door industriële systemen, zonder dat je er veel hoeft aan te sluiten kleine cellen parallel, wat hun stabiliteit zou verminderen en de veiligheid van het voertuig. De levenscycli in een batterij met LFP-chemie overtreffen tegenwoordig 3,500 cycli en kan, mits uitgerust met een goed BMS-systeem, gemakkelijk overtreffen 4,000, en in de toekomst zelfs meer dan 6,000 cycli mag worden verwacht.Maar we moeten voorzichtig zijn, als we het hebben over "levenscycli", moeten we niet denken dat een batterij na 3,500 cycli volledig leeg is. In werkelijkheid, het is belangrijk om te onthouden dat het einde van de levensduur van een batterij in een voertuig altijd wordt beschouwd als een resterende capaciteit van 80%, maar er zullen nog steeds tal van mogelijkheden zijn voor gebruik op andere gebieden, zoals energieopslag. Een ander voordeel van LFP-chemie, naast de inherente veiligheid en hoge levenscycli, is dat het een vlakke ontladingscurve heeft. In de onderstaande afbeelding heeft de curve de neiging om te stijgen. Dit is de zogenaamde laadcurve, terwijl de dalende curves betrekking hebben op de accuspanning tijdens het ontladen. Het spanningsbereik van 100% tot 0% is daarom zeer vergelijkbaar, en dit is een fundamenteel feit, omdat machines en industriële voertuigen hierdoor dezelfde prestaties kunnen garanderen van het begin tot het einde van de ontlading.
Lithium LFP-chemie-ontladingscurve
Aan de andere kant kan dit voordeel ook in een nadeel omslaan, omdat door de vlakke curve het uitlezen van alleen de spanningen het moeilijker zal maken om een juiste waarde te bepalen. SOC (staat van het opladen).
Om deze beperking te vermijden, de BMS het systeem dat de batterij beheert, moet op een slimme manier worden ontworpen om de juiste laadtoestand te bieden en de balanceerfuncties op de best mogelijke manier uit te voeren.
Een van de vele voordelen van deze chemie is de totale afwezigheid van kobalt, een materiaal dat, zoals we al zeiden, giftig is, een van de meest belastende voor het milieu.
Veel fabrikanten van lithiumbatterijen: proberen momenteel het percentage kobalt in hun batterijen te verminderen, dus de LFP-chemie, die kobaltvrij is, begint met een groot voordeel.
Hoewel nog maar een paar jaar geleden, LFP-batterijen leek voorbestemd te zijn om te worden vergeten, aangezien hun energiedichtheid erg laag was, ongeveer 100 Wh/kg, vandaag deze technologie
is letterlijk uit de as herrezen met een zeer significante toename in energiedichtheid, bereikend 170 Wh/kg in korte tijd, wat leidde tot sterke interesse vanuit de autowereld.
Verdere verhogingen van de gravimetrische dichtheid tot 220/230 Wh/Kg worden de komende jaren al verwacht. Dit is precies de reden waarom veel autofabrikanten hebben besloten om LFP-chemie opnieuw in te voeren voor de elektrificatie van hun voertuigen, in de eerste plaats Tesla, die het momenteel gebruikt in zijn "standaard assortiment"
voertuigen omdat het een hoger veiligheidsniveau garandeert, tegen iets lagere kosten dan de NMC-chemie gebruikt voor high-performance voertuigen. Leuk vinden Tesla, So BYD, Volkswagen en veel andere grote autofabrikanten zien nu een groot potentieel in LFP-chemie.
Samenstelling en kenmerken van lithiumbatterijen met NMC-chemie:
Nikkel – Mangaan – Kobalt (LiNixMnyCozO2)
Tot op heden blijven batterijen met NMC-chemie de meest gebruikte in de automobielsector.
Met deze chemie ontstaat een zeer hoge specifieke energie van wel 220 – 240 Wh/kg kan worden behaald. Dit is duidelijk een doorslaggevend concurrentievoordeel voor een auto, aangezien hiermee een grote hoeveelheid energie kan worden opgeslagen met een laag gewicht en volume,
waardoor meer energie in het voertuig kan worden geïnstalleerd dan andere op lithium gebaseerde technologieën.
Er zijn verschillende soorten NMC-chemie:
NMC 111 (Nikkel 33.3% – Mangaan 33.3% – Kobalt 33.3%)
NMC 622 (Nikkel 60% – Mangaan 20% – Kobalt 20%)
NMC 811 (Nikkel 80% – Mangaan 10% – Kobalt 10%)
Samenstelling en kenmerken van lithiumbatterijen met NCA-chemie:
Nikkel – Kobalt – Aluminium (LiNiCoAIO2)
Batterijen met NCA-chemie worden naast NMC-batterijen ook in de automobielsector gebruikt. Hun veiligheidsclassificatie is iets lager dan die van NMC's, maar tegelijkertijd hebben ze een zeer hoge energiedichtheid, tot 250-300 Wh/Kg. De NCA De celstructuur lijkt sterk op die van de NMC 811, met een hoog nikkelgehalte en een laag kobalt- en aluminiumgehalte. Vanwege hun hoge energieopslagcapaciteit worden NCA-lithiumbatterijen vaak gebruikt in mengsels met NMC-chemieën om een compromis te bereiken tussen energiedichtheid, veiligheid en stabiliteit.
Samenstelling en kenmerken van lithiumbatterijen met LTO-chemie
Lithiumtitanaat (Li4Ti5O12)
Het is een chemie die nog weinig wordt genoemd, maar het lijkt veelbelovend in termen van levenscycli, aangezien de lage interne spanningen en het ontbreken van mechanische stress ervoor zorgen dat het zeer weinig degradeert en gemakkelijk 15,000 tot 20,000 gebruik van deze cycli bereikt. Bijzonder voordeel, het zou kunnen worden gebruikt voor de elektrificatie van auto's en voertuigen die zeer intensief worden gebruikt, maar op dit moment heeft het nog steeds een aantal problemen die het gebruik en de verspreiding ervan beperken.
De zwakke punten zijn 2:
De lage energiedichtheid (177Wh/l) en gravimetrische dichtheid (60-70 Wh/Kg) en een lagere nominale spanning van 2.4 V of 2.8 V: dit betekent dat er meer cellen in serie nodig zullen zijn om de gewenste batterijspanning te bereiken .
De momenteel zeer hoge kosten die worden weerspiegeld in een laag aantal wereldwijde LTO-celfabrikanten, dit waarschijnlijk vanwege de huidige lage volumes die door de markt worden gevraagd
De voordelen daarentegen zijn niet alleen de lange levensduur, maar ook het brede temperatuurbereik en de uitstekende gevoeligheid voor opladen en ontladen met hoog vermogen, dwz hoge C-Rate (verhouding tussen stroom en nominale capaciteit).
Het ideale gebruik van LTO-technologie zijn heavy-duty toepassingen zoals AGV's (automatisch geleide voertuigen): stel je een vloot van zelfrijdende vorkheftrucks voor die 24/7 aan het werk zijn, die ook profiteren van snelladen om uitvaltijd te verminderen en bijgevolg de efficiëntie van de fabriek te verhogen.
Van theorie naar praktijk: de juiste lithiumchemie gebruiken voor elke toepassing
We hebben de 6 belangrijkste soorten op lithium gebaseerde chemie geschetst die momenteel het meest worden gebruikt in de verschillende elektrificatiegebieden. Maar we moeten niet denken dat deze chemieën met elkaar concurreren, integendeel! Ze zijn allemaal waardevol en goed presterend, maar elke lithiumchemicalie werkt het beste in verschillende toepassingsgebieden.
Dit diagram toont een vergelijking van de verschillende kenmerken van de chemie in termen van:
● Specifieke energie of gravimetrische dichtheid [Wh/Kg]: is de verhouding tussen de hoeveelheid energie (Wh = V x Ah) en het gewicht van de batterij.
● Veiligheid: dit hangt nauw samen met thermische stabiliteit omdat intrinsieke veiligheid sterk afhangt van hoe thermisch stabiel de componenten zijn
● C-Rate: laad-/ontlaadsnelheid, dwz de verhouding tussen de laad- of ontlaadstroom (A) en de nominale capaciteit van de cel (Ah). Dit is een parameter die nauw verband houdt met het vermogen van de cel om energie op te wekken.
● Levenscyclus: aantal keren dat de cel kan worden ontladen en opgeladen totdat het einde van de levensduur is bereikt, normaliter wanneer 80% restcapaciteit is bereikt.
● Kosten
LFP en LTO batterijen voor de industriële sector
In de industrie, de landbouw of zelfs voor de elektrificatie van speciale voertuigen, vooral als het gaat om zeer cyclische toepassingen die de batterij belasten, is het beter om chemieën zoals LFP en LTO te gebruiken, waar levensduur, betrouwbaarheid en veiligheid de belangrijkste eisen.
In de industriële wereld is het probleem van de ruimte daarom minder een beperking, net zoals het niet essentieel is om overmatige prestaties of energiedichtheid te hebben. Bij het evalueren van de keuze van de juiste chemie komt daarom de belangrijkere factor veiligheid in het spel, een aspect waar weinig mensen een compromis over willen en kunnen sluiten.
Beter is een accu die iets omvangrijker is, maar wel optimale veiligheid biedt en een beduidend langere levensduur heeft. Er zijn voertuigen, zoals LGV's en AGV's die intensief gebruikt moeten worden en onophoudelijk de klok rond moeten werken, waardoor hun batterijen zelfs 3 of 4 oplaadcycli op één dag kunnen doen. De LFP-chemie zal ze daarom gemakkelijk ondersteunen met zijn meer dan 4,000 oplaadcycli. Als batterijen voor stationaire opslag nodig zijn, zou energiedichtheid bijna niets betekenen, en integendeel, batterijkosten en levenscycli zouden de elementen zijn achter de keuze van de chemie. LFP-chemie zou dan zijn plaats vinden.