લિથિયમ-આયન શું છે?

સાદું ખરું ને? આ બૅટરી વિશે કશું જ સરળ નથી સિવાય કે એકવાર તમે વિગતોમાં ખોદવાનું શરૂ કરો, જે હું કરવા જઈ રહ્યો છું કારણ કે હું મારી જાતને મદદ કરી શકતો નથી.

શા માટે લિથિયમ છતાં? (અહીં હું હેરાન કરું છું)

 

તત્વ નંબર 3. હાઇડ્રોજન, હિલીયમ, લિથિયમ. તે ઓર્ડર છે. સુપર નાના અણુ કારણ કે તેમાં માત્ર 3 પ્રોટોન છે.

અને અહીં લિથિયમની વાત છે - તે ખરેખર તેના બાહ્ય ઇલેક્ટ્રોનથી છૂટકારો મેળવવા માંગે છે. જેમ અત્યંત કરવા માંગે છે. તે તે રીતે અસ્થિર છે. તમે પાણીમાં સોડિયમ ફેંકતા લોકોના તે વિડિયો જાણો છો અને તે સળગે છે અને આગ પકડે છે? લિથિયમ તે કરે છે પરંતુ વધુ. મેં 2011 (અથવા 2012?) માં સલામતી પ્રદર્શનમાં એકવાર કોઈને લિથિયમ ધાતુના ટુકડાને પાણીની ડોલમાં નાખતા જોયા હતા અને તે કેટલી ઝડપથી પ્રતિક્રિયા આપે છે તે પ્રમાણિકપણે ડરામણી હતી. ડોલ ઓગળી ગઈ.

રાહ જુઓ ના, ડોલ ઓગળી ન હતી. પાણી ઉકળ્યું અને લિથિયમની સપાટી પર આગ લાગી. ડોલ બરાબર હતી. મારી સ્મૃતિ છી છે.

કોઈપણ રીતે મુદ્દો છે: શુદ્ધ લિથિયમ મેટલ જોખમી છે. તેથી જ આધુનિક લિથિયમ-આયન બેટરીઓ શુદ્ધ લિથિયમ મેટલનો ઉપયોગ કરતી નથી - તેઓ લિથિયમ IONSનો ઉપયોગ કરે છે. પહેલેથી જ ઓક્સિડાઇઝ્ડ લિથિયમ. લી+ ફોર્મ. રીતે વધુ સ્થિર.

તમે જે વોલ્ટેજ મેળવો છો તે સેલ દીઠ આશરે 3.6-3.7V છે જે યોગ્ય છે. આલ્કલાઇન (1.5V) અથવા NiMH (1.2V) કરતાં વધુ સારી. મતલબ કે તમારા લક્ષ્ય વોલ્ટેજને હિટ કરવા માટે તમારે ઓછા કોષોની જરૂર છે. એટલા માટે તમારા લેપટોપની બેટરીમાં 15 ની જગ્યાએ 6 સેલ હોય છે.

તેમજ - અને મારે આ પ્રથમ - લિથિયમ પ્રકાશ છે તેનો ઉલ્લેખ કરવો જોઈએ. ત્રીજું સૌથી હલકું તત્વ. તેથી તમે પાગલ વજન વિના ઉચ્ચ ઊર્જા ઘનતા મેળવો છો. તેથી જ EVs લિથિયમ-આયનનો ઉપયોગ કરે છે અને લીડ-એસિડનો ઉપયોગ કરે છે. સમાન ઉર્જા ધરાવતી લીડ-એસીડ બેટરીનું વજન શાબ્દિક રીતે 5-6 ગણું વધારે હશે. તમારા ટેસ્લાને બેટરી બદલવા માટે ફોર્કલિફ્ટની જરૂર પડશે.

 

 

વાસ્તવિક ઘટકો (બકલ અપ આ તકનીકી બને છે)

 

એનોડ (નકારાત્મક બાજુ):

સામાન્ય રીતે ગ્રેફાઇટ. હા, પેન્સિલોમાં હોય છે તે જ સામગ્રી, સિવાય કે શુદ્ધ અને અલગ રીતે પ્રક્રિયા કરવામાં આવે.

ગ્રેફાઇટમાં આ સ્તરીય સ્ફટિક માળખું છે - અણુ સ્તરે કાર્ડ્સના ડેકની કલ્પના કરો. સ્તરો નબળા વાન ડેર વાલ્સ દળો દ્વારા એકસાથે રાખવામાં આવે છે (હાઇ સ્કૂલ કેમિસ્ટ્રી તમને ત્રાસ આપવા માટે પાછા આવી રહી છે). લિથિયમ આયન આ સ્તરો વચ્ચે સરકી શકે છે અને બસ... ત્યાં અટકી જાઓ. ટેક્નિકલ શબ્દ "ઇન્ટરકેલેશન" છે પરંતુ હું તેને બહુ-સ્ટોરી ગેરેજમાં પાર્કિંગ કારની જેમ માનું છું.

સૈદ્ધાંતિક મહત્તમ ક્ષમતા 372 મિલિઅમ્પ-કલાક પ્રતિ ગ્રામ છે. વાસ્તવિક-વિશ્વમાં તમે 340-360 mAh/g મેળવો છો જો મેન્યુફેક્ચરિંગ ખરાબ ન થાય. મેં કેટલાક ચાઇનીઝ ઉત્પાદકોના કોષો જોયા છે જે ભાગ્યે જ 310 mAh/g હિટ કરી શકે છે. નામો આપવાનો નથી પણ જો તમે "BYD" માં અક્ષરોને ફરીથી ગોઠવશો તો તમને મળશે... ઠીક છે હું નામો આપી રહ્યો છું. તેમના પ્રારંભિક કોષો રફ હતા. જોકે તેઓ 2018 ની જેમ વધુ સારા બન્યા છે.

હવે દરેક વ્યક્તિ સિલિકોન એનોડ વિશે વાત કરે છે કારણ કે સિલિકોન સૈદ્ધાંતિક રીતે ગ્રેફાઇટ કરતાં 10x વધુ લિથિયમ પકડી શકે છે. અદ્ભુત લાગે છે ને? 3700+ mAh/g સૈદ્ધાંતિક ક્ષમતા.

સમસ્યા - અને આ તે સમસ્યા છે જે "લગભગ હલ થઈ ગઈ છે" ત્યારથી મેં આ ઉદ્યોગમાં શરૂઆત કરી છે - એ છે કે જ્યારે તમે તેને લિથિયેટ કરો છો ત્યારે સિલિકોન લગભગ 300% વિસ્તરે છે. કણો શાબ્દિક રીતે તૂટી જાય છે. કોંક્રિટ બ્લોકની અંદર બલૂનને ફુલાવવાની કલ્પના કરો. કોંક્રિટ ફ્લેક્સ નથી, તે માત્ર તૂટી જાય છે.

ટેસ્લા હવે ગ્રેફાઇટ સાથે મિશ્રિત કેટલાક સિલિકોનનો ઉપયોગ કરે છે. કદાચ 5-10% સિલિકોન? મેં સાંભળ્યું કે તે 8% હતું પણ હું ખોટો હોઈ શકું. મુદ્દો એ છે કે તે નાની રકમ છે. દરેક સ્ટાર્ટઅપની શ્રેણી A પિચ ડેકના દાવાઓ છતાં શુદ્ધ સિલિકોન એનોડ હજુ પણ તૈયાર નથી.

કેથોડ (સકારાત્મક બાજુ):

ઓહ છોકરો. આ તે છે જ્યાં તે અવ્યવસ્થિત થઈ જાય છે કારણ કે ત્યાં 6 અલગ અલગ કેથોડ રસાયણશાસ્ત્ર છે અને દરેકના અભિપ્રાય છે કે કયું શ્રેષ્ઠ છે અને તે બધા ખોટા છે કારણ કે તે તમારી અરજી પર આધારિત છે.

1991માં સોનીનું મૂળ લિથિયમ કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ - LiCoO₂ હતું. અમે તેને ટૂંકમાં "LCO" કહીએ છીએ. ઉર્જા ઘનતા ખૂબ સારી છે - 150-200 mAh/g તે કોણે બનાવ્યું તેના આધારે. પરંતુ થર્મલ સ્થિરતા ભયંકર છે. જો તમે તેને વધારે ચાર્જ કરો છો અથવા તેને ખૂબ ગરમ કરો છો, તો ક્રિસ્ટલ સ્ટ્રક્ચર ઓક્સિજન છોડે છે. ઓક્સિજન + ઓર્ગેનિક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ + ગરમી=ખરાબ દિવસ. તમારો ફોન કદાચ LCO નો ઉપયોગ કરે છે કારણ કે ફોનને 10 વર્ષ ચાલવાની જરૂર નથી અને તમે તેને 10C પર ઝડપી{13}}ચાર્જ કરી રહ્યાં નથી.

પછી NMC - નિકલ મેંગેનીઝ કોબાલ્ટ ઓક્સાઇડ છે. આ તે છે જેનો ઉપયોગ મોટાભાગના EVs હવે કરે છે. નિકલ અને મેંગેનીઝ અને કોબાલ્ટનો ગુણોત્તર બદલાતો રહે છે. 1:1:1 (સમાન ભાગો) તરીકે શરૂ થયું. પછી ઉત્પાદકો 5:3:2 પર ગયા. પછી 6:2:2. હવે આપણે કેટલાક ઉચ્ચ-કોષોમાં 8:1:1 અથવા તો 9:0.5:0.5 જેવા છીએ.

શા માટે પાળી? કોબાલ્ટ ખર્ચાળ છે. ખરેખર ખર્ચાળ જેવું. ઉપરાંત મોટાભાગના કોબાલ્ટ ડીઆરસી (ડેમોક્રેટિક રિપબ્લિક ઓફ કોંગો)માંથી આવે છે અને ત્યાં ખાણકામની સ્થિતિ જટિલ છે. બાળ મજૂરી, અસુરક્ષિત પરિસ્થિતિઓ, સમગ્ર ગડબડ. તેથી દરેક જણ ઓછા કોબાલ્ટનો ઉપયોગ કરવાનો પ્રયાસ કરે છે.

વધુ નિકલ=વધુ ક્ષમતા પરંતુ ઓછી થર્મલ સ્થિરતા. વધુ મેંગેનીઝ=સસ્તું અને વધુ સ્થિર પરંતુ ઓછી ક્ષમતા. વધુ કોબાલ્ટ=વધુ સ્થિર અને બહેતર ચક્ર જીવન પરંતુ $$$ અને નૈતિક સમસ્યાઓ.

તે હંમેશા ટ્રેડ-ઓફ છે. હંમેશા. આ વિશે પ્રોડક્ટ મેનેજરો સાથે મારી ઘણી દલીલો થઈ છે. તેઓ ઉચ્ચ ઉર્જા ઘનતા અને લાંબી ચક્ર જીવન અને ઓછી કિંમત અને સારી સલામતી ઇચ્છે છે. તમે કદાચ બે પસંદ કરી શકો છો. કદાચ.

NCA - નિકલ કોબાલ્ટ એલ્યુમિનિયમ પણ છે. ટેસ્લાએ તેમના લાંબા-પેકમાં વર્ષો સુધી આનો ઉપયોગ કર્યો. પેનાસોનિકે તેમને નેવાડા ગીગાફેક્ટરીમાં બનાવ્યા. મેં એક વાર એક અલગ બેટરી ફેક્ટરીની મુલાકાત લીધી - તે એક નહીં, પરંતુ સ્પર્ધકની સુવિધા - અને એકલો ડ્રાય રૂમ ગાંડો હતો. એર હેન્ડલિંગ સિસ્ટમનો ખર્ચ કદાચ $50+ મિલિયન છે. બધું -40 ડિગ્રી ઝાકળ બિંદુથી નીચે હોવું જોઈએ અથવા ઇલેક્ટ્રોલાઇટ મીઠું ભેજને શોષી લે છે અને હાઇડ્રોફ્લોરિક એસિડ બનાવે છે. HF કંઈપણ દ્વારા ખાશે. કાચ, ધાતુ, અસ્થિ. બીભત્સ સામગ્રી.

ઓહ અને LFP - લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ. આ એક પુનરાગમન કરી રહ્યું છે. તે વધુ સુરક્ષિત, સસ્તું પ્રતિ kWh છે અને લાંબા સમય સુધી ચાલે છે. મેં સાંભળ્યું છે કે LFP કોષો 80% ક્ષમતા સુધી 5000+ ચક્રો કરે છે. કદાચ 6000 પણ. નુકસાન એ ઓછી ઉર્જા ઘનતા - છે જેમ કે NMC માટે 120-140 mAh/g વિ 180-200.

ટેસ્લાએ 2021 ની આસપાસ તેમના સ્ટાન્ડર્ડ રેન્જ મૉડલ 3sમાં LFP મૂકવાનું શરૂ કર્યું. ચીનના બજારને તે પ્રથમ મળ્યું. અર્થપૂર્ણ છે - CATL એ સૌથી મોટી LFP ઉત્પાદક છે અને તેઓ ચીનમાં છે.

કેટલાક લોકો ઠંડા હવામાનમાં LFP શ્રેણીના નુકશાન વિશે ફરિયાદ કરે છે. તે NMC કરતા પણ ખરાબ છે. પરંતુ કોષો સસ્તા છે અને લાંબા સમય સુધી ચાલે છે તેથી ઘણી બધી એપ્લિકેશનો માટે તે વેપાર-બંધ કરવા યોગ્ય છે. હું શહેરની કાર માટે LFP પેક લઈશ. લાંબા-રેન્જ હાઇવે ક્રુઝર માટે કદાચ નહીં.

ઇલેક્ટ્રોલાઇટ:

આ મધ્યમાં પ્રવાહી છે. તે આયનોનું સંચાલન કરે છે પરંતુ ઇલેક્ટ્રોન નથી, જે મહત્વપૂર્ણ છે કારણ કે જો તે ઇલેક્ટ્રોનનું સંચાલન કરે છે તો તમારી પાસે શોર્ટ સર્કિટ હશે.

સામાન્ય રીતે તે લિથિયમ હેક્સાફ્લોરોફોસ્ફેટ - LiPF₆ - કાર્બનિક દ્રાવકોમાં ઓગળવામાં આવે છે. સોલવન્ટ સામાન્ય રીતે ઇથિલિન કાર્બોનેટ (EC) અને ડાયમિથાઈલ કાર્બોનેટ (DMC) અથવા ડાયથાઈલ કાર્બોનેટ (DEC) નું મિશ્રણ હોય છે.

અહીં એક વિચિત્ર વિગત છે: EC ઓરડાના તાપમાને ઘન હોય છે. ગલનબિંદુ લગભગ 36 ડિગ્રી છે. તેથી શુદ્ધ EC શિયાળામાં સ્થિર થઈ જશે. એટલા માટે તમે તેને DMC અથવા DEC સાથે ભેળવો છો જે પ્રવાહી -70 ડિગ્રી અથવા ગમે તે હોય છે. વાજબી સ્થિતિમાં મિશ્રણ પ્રવાહી રહે છે.

કાર્બનિક કાર્બોનેટ પણ જ્વલનશીલ છે. ગેસોલિન-સ્તર જ્વલનશીલ નથી પરંતુ ચોક્કસપણે જ્વલનશીલ છે. મેં એકવાર નેઇલ પેનિટ્રેશન ટેસ્ટ જોયો હતો જ્યાં અમે ઇરાદાપૂર્વક સંપૂર્ણ ચાર્જ થયેલા સેલ દ્વારા ખીલી ચલાવી હતી. તેણે પહેલા ગેસ વેન્ટ કર્યો - પોપિંગ સાઉન્ડ - પછી વેન્ટ હોલમાંથી જ્વાળાઓ બહાર નીકળી. 2 મીટરની જેમ પહોંચ્યો. થર્મલ કેમેરા ફૂટેજના આધારે આખો સેલ કદાચ 800 ડિગ્રી સુધી પહોંચી ગયો.

તે આગ દમન અને બધું સાથે નિયંત્રિત પરીક્ષણ હતું. તેમ છતાં હજુ પણ ડરામણી.

LiPF₆ મીઠું નરક જેવું હાઇગ્રોસ્કોપિક છે. પાણીને પ્રેમ કરે છે. જો તે ભીનું થઈ જાય તો તે HF માં હાઈડ્રોલાઈઝ થાય છે. તેથી જ બેટરીનું ઉત્પાદન અત્યંત શુષ્ક રૂમમાં થાય છે. હું -40 ડિગ્રી અથવા તેનાથી નીચેના ઝાકળ બિંદુની વાત કરું છું. ડિહ્યુમિડિફિકેશન સિસ્ટમ સામાન્ય રીતે સેલ ફેક્ટરીમાં સૌથી મોટા ઉર્જા ઉપભોક્તાઓમાંની એક છે.

મેં એક વાર એક સુવિધાની મુલાકાત લીધી જ્યાં ડ્રાય રૂમ એટલો સૂકો હતો કે શ્વાસ લેવામાં તકલીફ થતી હતી. તમારું નાક મિનિટોમાં સુકાઈ જશે. ત્યાં કામ કરતા દરેક વ્યક્તિએ સતત સલાઈન સ્પ્રેનો ઉપયોગ કરવો પડતો હતો. કામનું વાતાવરણ સુખદ નથી.

વિભાજક:

ભૂલી ગયેલો ઘટક. તે માત્ર એક પાતળી પોલિમર મેમ્બ્રેન છે પરંતુ તે મહત્વપૂર્ણ છે.

સામાન્ય રીતે પોલીપ્રોપીલીન (PP) અથવા પોલીઈથીલીન (PE). ક્યારેક PP-PE-PP સાથે ટ્રાયલેયર. જાડાઈ સામાન્ય રીતે 20-25 માઇક્રોન હોય છે. તે પાતળું છે. માનવ વાળ કરતાં પાતળા (70-100 માઇક્રોન).

તેમાં માઇક્રોસ્કોપિક છિદ્રો - છે જેમ કે 100 નેનોમીટર વ્યાસ - જે આયનોને પસાર થવા દે છે પરંતુ ઇલેક્ટ્રોનને અવરોધે છે. તે એનોડ અને કેથોડને ભૌતિક રીતે અલગ રાખે છે. જો તેઓ=શોર્ટ સર્કિટ =ને સ્પર્શે તો ખરાબ વસ્તુઓ ઝડપથી થાય છે.

સેમસંગ ગેલેક્સી નોટ 7 ની આગ યાદ છે? 2016. તે અંશતઃ વિભાજક નુકસાનને કારણે હતું. સેમસંગે બેટરીને ખૂબ જ આક્રમક રીતે ડિઝાઇન કરી છે. ખૂબ પાતળું, ખૂબ ચુસ્ત ભરેલું, વિસ્તરણ માટે કોઈ સહનશીલતા નથી. કેટલાક કોષોએ વિભાજકને એક ખૂણામાં ખૂબ સખત દબાવ્યું હતું. નબળું સ્થાન વિકસિત થયું. આખરે એક પિનહોલ મળ્યો. આંતરિક ટૂંકા. થર્મલ ભાગેડુ. આગ.

તેઓએ 2.5 મિલિયન ફોન પાછા બોલાવ્યા. એરોપ્લેન પર પ્રતિબંધ. સેમસંગ અબજો ખર્ચ. આ બધું કાગળ કરતાં પાતળા પ્લાસ્ટિકના ટુકડાને કારણે.

મારી પાસે આક્રમક બેટરી ડિઝાઇન વિશે અભિપ્રાયો છે. ઉત્પાદકો સ્પર્ધાને હરાવવા માટે પાતળા અને હળવા દબાણ કરતા રહે છે. પણ એક મર્યાદા છે. ભૌતિકશાસ્ત્ર તમારા ઉત્પાદન લોન્ચ શેડ્યૂલ વિશે કાળજી લેતું નથી.

 

તે વાસ્તવમાં કેવી રીતે કાર્ય કરે છે (જે ભાગ દરેક છોડે છે)

 

ચાર્જિંગ:

તમે તમારા ફોનને પ્લગ ઇન કરો. ચાર્જર ઇલેક્ટ્રોનને એનોડમાં દબાણ કરે છે અને તેમને કેથોડમાંથી ખેંચે છે. આ કેથોડ લિથિયમ આયનોને મુક્ત કરે છે. આયનો ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્વારા એનોડ સુધી જાય છે. તેઓ ગ્રેફાઇટ માળખામાં એકબીજા સાથે જોડાયેલા છે.

વસંતને સંકુચિત કરવા જેવું વિચારો. લિથિયમ આયન કુદરતી રીતે એનોડમાં રહેવા માંગતા નથી - તેઓ કેથોડમાં વધુ સ્થિર છે. પરંતુ તમે વોલ્ટેજ લાગુ કરીને તેમને ત્યાં દબાણ કરી રહ્યાં છો. સંગ્રહિત ઊર્જા.

ડિસ્ચાર્જિંગ:

તમે અનપ્લગ કરો અને તમારા ફોનનો ઉપયોગ કરો. વસંત રિલીઝ થાય છે. લિથિયમ આયનો ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્વારા કેથોડમાં પાછા ફરે છે. ઇલેક્ટ્રોન તમારા ફોનના સર્કિટમાંથી એનોડથી કેથોડ તરફ વહે છે. તે ઇલેક્ટ્રોન પ્રવાહ તમારા ઉપકરણને શક્તિ આપે છે.

વોલ્ટેજ રસાયણશાસ્ત્ર અને ચાર્જની સ્થિતિ પર આધારિત છે. NMC અથવા NCA માટે:

સંપૂર્ણ ચાર્જ: ~4.2V

નામાંકિત: ~3.7V

સંપૂર્ણપણે વિસર્જિત: ~3.0V

3.0V ની નીચે ન જાવ અથવા તમે લિથિયમ મેટલને પ્લેટિંગ કરવાનું શરૂ કરો જે ખતરનાક છે. 4.2V થી ઉપર ન જશો નહીં તો તમને થર્મલ ભાગેડુ થવાનું જોખમ છે. તેથી જ બેટરી મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ્સ (BMS) અસ્તિત્વમાં છે. તેઓ વોલ્ટેજ અને તાપમાન અને વર્તમાનનું નિરીક્ષણ કરે છે અને જો કંઈપણ ખોટું લાગે તો તેને બંધ કરે છે.

સારી BMS ડિઝાઇન મુશ્કેલ છે. ખરેખર મુશ્કેલ. તમારે ઝડપી પ્રતિભાવ સમય, સચોટ સેન્સર, બિનજરૂરી સલામતી તપાસની જરૂર છે. સસ્તી BMS એ યોગ્ય બેટરીને આગના જોખમમાં ફેરવવાની સૌથી ઝડપી રીતોમાંની એક છે.

 

 

સમસ્યાઓ (ઓહ માણસ ત્યાં ઘણી બધી સમસ્યાઓ છે)

 

સમસ્યા 1: અધોગતિ અનિવાર્ય છે

દરેક ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ ચક્ર બેટરીને નુકસાન પહોંચાડે છે. અનિવાર્ય. થર્મોડાયનેમિક્સ.

SEI સ્તર - ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ઇન્ટરફેસ - નામની આ વસ્તુ છે જે એનોડ સપાટી પર રચાય છે. બેટરીના કાર્ય માટે તે ખરેખર જરૂરી છે. પરંતુ તે સમય જતાં વધતું રહે છે અને સક્રિય લિથિયમ લે છે. 500 ચક્ર પછી તમારી પાસે 90% ક્ષમતા બાકી રહી શકે છે. 1000 પછી કદાચ 80%. 2000 પછી... આધાર રાખે છે.

મારી પાસે 2015 થી એક MacBook છે જે હજુ પણ 78% બેટરી આરોગ્ય દર્શાવે છે. હું તેને બેબી કરું છું જોકે - ભાગ્યે જ તેને 40% થી નીચે જવા દે છે, જ્યારે શક્ય હોય ત્યારે તેને પ્લગ ઇન રાખો, તેને ગરમ કારમાં ક્યારેય ચાર્જ કરશો નહીં. મારી પત્ની પાસે 2018 નું મેકબુક છે જે 62% સ્વાસ્થ્ય પર છે કારણ કે તેણી તેને સખત ચલાવે છે. દરરોજ સંપૂર્ણ સાયકલ ચલાવે છે, તેને રાતોરાત ચાર્જ થવા દે છે, જ્યારે તે ગરમ હોય ત્યારે તેના ખોળામાં તેનો ઉપયોગ કરે છે. તમે બેટરી સાથે કેવી રીતે વર્તે છે તે ઘણું મહત્વનું છે.

કેથોડ પણ બગડે છે. ઉચ્ચ-નિકલ NMC ખાસ કરીને ખરાબ છે. 4.3V ઉપર કેથોડ સપાટી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સાથે પ્રતિક્રિયા આપવાનું શરૂ કરે છે. ટ્રાન્ઝિશન મેટલ આયનો (નિકલ, મેંગેનીઝ, કોબાલ્ટ) ઓગળી શકે છે અને એનોડમાં સ્થળાંતર કરી શકે છે જ્યાં તેઓ SEI ને ગડબડ કરે છે. કેથોડ ડેન્સિફિકેશન નામની આ વસ્તુ પણ છે જ્યાં ક્રિસ્ટલ સ્ટ્રક્ચર ધીમે ધીમે કોમ્પેક્ટ થાય છે અને છિદ્રાળુતા ગુમાવે છે.

ખરેખર આને રોકી શકાતું નથી. તે માત્ર રસાયણશાસ્ત્ર છે. એન્ટ્રોપી હંમેશા જીતે છે.

સમસ્યા 2: તાપમાન દરેક વસ્તુનો નાશ કરે છે

0 ડિગ્રીથી નીચે ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ઠંડા મધની જેમ ચીકણું બને છે. આયન પરિવહન ધીમો પડી જાય છે. તમે -10 ડિગ્રી પર કદાચ 20-30% ક્ષમતા ગુમાવો છો. તેનાથી પણ ખરાબ, જો તમે કોલ્ડ બેટરીને ઝડપથી ચાર્જ કરવાનો પ્રયાસ કરો છો તો તમે તેને ઇન્ટરકેલેટ કરવાને બદલે એનોડ પર મેટાલિક લિથિયમ પ્લેટ કરશો. તે ડેંડ્રાઇટ્સ બનાવે છે - લિથિયમ ધાતુની સોય જેવી રચનાઓ કે જે વધી શકે છે અને આખરે વિભાજકને વીંધી શકે છે. આંતરિક ટૂંકા. આગ.

40-45 ડિગ્રીથી ઉપર, તમામ અધોગતિ પ્રતિક્રિયાઓ વેગ આપે છે. અંગૂઠાનો નિયમ: દર 10 ડિગ્રીનો વધારો પ્રતિક્રિયા દરને બમણી કરે છે. તેથી 45 ડિગ્રી પરની બેટરી 25 ડિગ્રી કરતાં લગભગ 4 ગણી ઝડપથી ડિગ્રેડ થાય છે.

હું ટેક્સાસમાં રહું છું. ઉનાળાનું તાપમાન 100 ડિગ્રી F+ (38 ડિગ્રી +) પર પહોંચ્યું. મેં EV બેટરીઓ જોઈ છે જેણે માત્ર ગરમીના સંપર્કમાં આવવાથી 3 વર્ષમાં 15% ક્ષમતા ગુમાવી દીધી છે. દરમિયાન મિનેસોટામાં EVs ઉનાળામાં ભાગ્યે જ બગડે છે - પરંતુ શિયાળામાં ઠંડીને કારણે રેન્જ ગુમાવે છે. જીતી શકતા નથી.

આદર્શ ઓપરેટિંગ તાપમાન 20-25 ડિગ્રી જેવું છે. તેને વાસ્તવિક દુનિયામાં જાળવી રાખવા માટે શુભેચ્છા.

સમસ્યા 3: ઝડપી ચાર્જિંગ સ્વાભાવિક રીતે સમસ્યારૂપ છે

દરેક વ્યક્તિને ગેસ સ્ટેશનની જેમ 10-મિનિટનું EV ચાર્જિંગ જોઈએ છે. પરંતુ બેટરી દ્વારા જંગી શક્તિને દબાણ કરવાથી ગરમી ઉત્પન્ન થાય છે. I²R નુકસાન - વર્તમાન સ્ક્વેર્ડ વખત પ્રતિકાર. પ્રતિકાર નાનો છે પણ શૂન્ય નથી. 250kW ચાર્જિંગ પર તમે નોંધપાત્ર ગરમી ઉત્પન્ન કરી રહ્યાં છો.

ઝડપી ચાર્જિંગ પણ યાંત્રિક રીતે ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી પર ભાર મૂકે છે. આયનોને બંધારણમાં ઝડપથી આગળ વધવા દબાણ કરે છે. સમય જતાં ક્રેકીંગ અને પાર્ટિકલ ફ્રેક્ચર થઈ શકે છે.

ટેસ્લા સુપરચાર્જર્સ (V3) 250kW પીક કરી શકે છે. પરંતુ તેઓ ઝડપથી ઘટે છે. કદાચ 5 મિનિટ માટે 250kW, પછી 150kW, પછી 100kW, પછી 50kW. તે BMS કોષોનું રક્ષણ કરે છે.

પોર્શ અને હ્યુન્ડાઈની નવી 800V સિસ્ટમ 350kW કરી શકે છે. પરંતુ માત્ર ટૂંકમાં. ભૌતિકશાસ્ત્ર એ ભૌતિકશાસ્ત્ર છે.

ઝડપી-ચાર્જ-ઑપ્ટિમાઇઝ ઇલેક્ટ્રોડ ડિઝાઇનમાં સંશોધન છે. પાતળા ઇલેક્ટ્રોડ, નાના કણો, વધુ સારી કોટિંગ્સ. તે મદદ કરે છે. પરંતુ તમે થર્મોડાયનેમિક્સ સાથે છેતરપિંડી કરી શકતા નથી.

સમસ્યા 4: આગ

લિથિયમ-આયન બેટરી વારંવાર આગ પકડી શકતી નથી. ગેસોલિન કાર કરતાં ઘણી ઓછી છે. પરંતુ જ્યારે તેઓ કરે છે ત્યારે તે નાટકીય છે.

થર્મલ ભાગેડુ. એકવાર કોષ નિર્ણાયક તાપમાનને હિટ કરે છે - રસાયણશાસ્ત્ર દ્વારા બદલાય છે, કદાચ 150-200 ડિગ્રી - એક્ઝોથર્મિક પ્રતિક્રિયાઓ શરૂ થાય છે. SEI વિઘટન કરે છે. વિભાજક પીગળે છે. ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ઉકળે છે. કેથોડ ઓક્સિજન છોડે છે. દરેક પ્રતિક્રિયા ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે જે વધુ પ્રતિક્રિયાઓને ઉત્તેજિત કરે છે. હકારાત્મક પ્રતિસાદ લૂપ.

તમે તેને સામાન્ય આગની જેમ પાણીથી ઓલવી શકતા નથી. મારો મતલબ છે કે તમે તેને ઠંડુ કરવા માટે તેના પર પાણી ફેંકી શકો છો પરંતુ કોષ આંતરિક રીતે ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે. ફાયર વિભાગો EV આગને ધિક્કારે છે. બહાર મૂકવા માટે કલાકો લો. પાછળથી ફરી સળગી શકે છે.

જોકે આધુનિક કોષોમાં સલામતી સુવિધાઓ છે. શટડાઉન વિભાજક જે ગરમ થાય ત્યારે બંધ થાય છે. પ્રેશર વેન્ટ્સ. વર્તમાન વિક્ષેપો. થર્મલ ફ્યુઝ. ઉપરાંત BMS બધું જુએ છે.

તેમ છતાં પણ ક્યારેક થાય છે. આંકડાકીય રીતે EVs ગેસ કાર કરતાં વધુ સુરક્ષિત હોવા છતાં દર વખતે સમાચાર બનાવે છે. PR સમસ્યા.

સમસ્યા 5: કોબાલ્ટ એથિક્સ

70% કોબાલ્ટ ડીઆરસીમાંથી આવે છે. ખરાબ કામ કરવાની પરિસ્થિતિઓ સાથે કારીગરી ખાણોમાંથી તેમાંથી ઘણું બધું. બાળ મજૂરી અહેવાલો. પર્યાવરણીય નુકસાન. તે એક વાસણ છે.

દરેક જણ ઓછા કોબાલ્ટનો ઉપયોગ કરવાનો પ્રયાસ કરે છે. ઉચ્ચ-નિકલ NMC બહુ ઓછો ઉપયોગ કરે છે. LFP શૂન્ય વાપરે છે. પરંતુ કોબાલ્ટ કેથોડ સ્ટ્રક્ચરને સ્થિર કરે છે. તેના વિના તમારે વધુ સારા થર્મલ મેનેજમેન્ટ અને સખત વોલ્ટેજ મર્યાદાની જરૂર છે.

કોબાલ્ટના ભાવ પણ પાગલ છે. 2016માં $30k/ટનની નીચે. 2018માં $90k+ પર પહોંચી ગયું. 2020માં $25k પર તૂટી ગયું. હવે લગભગ $35k/ટન. જ્યારે તમારી કાચા માલની કિંમતમાં 3x વધઘટ થાય ત્યારે તમે ઉત્પાદનની યોજના કેવી રીતે કરશો?

સમસ્યા 6: સપ્લાય ચેઇન અરાજકતા

2021-2022માં લિથિયમની કિંમતો એકદમ ઘટી ગઈ. 2020માં $6k/ટન. 2022ના અંતમાં $80k/ટનની જેમ ટોચ પર. 2024માં $12k/ટન પર તૂટી. હવે 2025માં લગભગ $15k/ટન.

મોટા ભાગનું લિથિયમ ઓસ્ટ્રેલિયા (હાર્ડ રોક માઇનિંગ) અથવા દક્ષિણ અમેરિકા (ચિલી/આર્જેન્ટિના/બોલિવિયા - "લિથિયમ ત્રિકોણ"માં મીઠાના ફ્લેટમાંથી બ્રિન નિષ્કર્ષણ)માંથી આવે છે. પરંતુ સૌથી વધુ પ્રક્રિયા ચીનમાં થાય છે. વૈશ્વિક લિથિયમ રિફાઇનિંગ ક્ષમતાના 75%ની જેમ.

ચીન વૈશ્વિક સેલ ઉત્પાદનના - 75% બેટરી ઉત્પાદનને પણ નિયંત્રિત કરે છે. અને 90% એનોડ સામગ્રી (ગ્રેફાઇટ પ્રોસેસિંગ).

આ કારણે યુએસ અને યુરોપ સ્થાનિક સપ્લાય ચેન બનાવવા માટે ઝઝૂમી રહ્યા છે. પરંતુ તે ધીમું છે. ગીગાફેક્ટરી બનાવવામાં વર્ષો લાગે છે. અપસ્ટ્રીમ સપ્લાય ચેઇન બનાવવામાં વધુ સમય લાગે છે.

બેટરી-ગ્રેડ લિથિયમ અતિ શુદ્ધ હોવું જરૂરી છે. 0.01% કરતાં ઓછી અશુદ્ધિઓ. રિફાઇનિંગનું તે સ્તર સસ્તું કે ઝડપી નથી.

 

શા માટે આપણે લિથિયમ-આયન સાથે અટવાયેલા છીએ (હમણાં માટે)

 

મેં હમણાં જ ફરિયાદ કરી હોવા છતાં, લિથિયમ-આયન હજુ પણ વ્યવસાયિક ધોરણે શ્રેષ્ઠ વિકલ્પ છે.

ઉર્જા ઘનતા: સેલ સ્તરે 250-300 Wh/kg. કદાચ 160-180 Wh/kg પેક સ્તરે કૂલિંગ અને સ્ટ્રક્ચર અને BMS ઉમેર્યા પછી. હાસ્યાસ્પદ વજન વિના 300+ માઇલ ઇવી માટે તે પૂરતું છે.

સરખામણી કરો:

લીડ-એસિડ: 30-50 Wh/kg (વાહિયાત તરીકે ભારે)

NiMH: 60-120 Wh/kg (પ્રિયસ શું વપરાય છે)

NiCd: 40-60 Wh/kg (પણ ઝેરી, મોટે ભાગે તબક્કાવાર)

ઉત્પાદન પરિપક્વ છે. સપ્લાયર્સ ડઝનેક. બહુવિધ ગીગા ફેક્ટરીઓ. સપ્લાય ચેઇન્સ સ્થાપિત કરી. સ્કેલનું અર્થશાસ્ત્ર.

ટેસ્લાની નેવાડા ગીગાફેક્ટરી 35 GWh/વર્ષનું લક્ષ્ય રાખે છે. તે 500k+ EVs માટે પૂરતું છે. ચીનમાં CATL એથી પણ વધુ - મને લાગે છે કે 200+ GWh/વર્ષ? કદાચ 300? મારે તપાસ કરવી પડશે.

તમામ ઇન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચર લિથિયમ-આયનને પણ ધારે છે. ચાર્જિંગ ધોરણો (CCS, NACS, CHAdeMO). BMS અલ્ગોરિધમ્સ. સલામતીના નિયમો. રિસાયક્લિંગ પ્રક્રિયાઓ. દરેક વસ્તુને ફરીથી ડિઝાઇન કર્યા વિના માત્ર એક અલગ રસાયણશાસ્ત્રમાં અદલાબદલી કરી શકાતી નથી.

 

 

આખરે તેને શું બદલી શકે છે

 

સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી:પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટને નક્કર સિરામિક અથવા કાચ અથવા સલ્ફાઇડ સામગ્રી સાથે બદલો. ફાયદા: કોઈ લીકેજ નહીં, આગનું ઓછું જોખમ, કદાચ વધુ ઉર્જા ઘનતા માટે લિથિયમ મેટલ એનોડનો ઉપયોગ કરો.

QuantumScape, Solid Power, Toyota, Samsung - દરેક તેના પર કામ કરે છે. QuantumScape 800+ ચક્ર સાથે લેબ કોષોમાં 800 Wh/kg દાવો કરે છે. જો સાચું હોય તો પ્રભાવશાળી.

સમસ્યાઓ: ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અને ઇલેક્ટ્રોડ્સ વચ્ચે ઇન્ટરફેસ પ્રતિકાર. હજારો ચક્રોમાં સારો સંપર્ક જાળવવો મુશ્કેલ છે કારણ કે સામગ્રી વિસ્તૃત/કોન્ટ્રેક્ટ થાય છે. મોટા ભાગના નક્કર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ બરડ હોય છે - ડેંડ્રાઇટ્સ તેમના દ્વારા ક્રેક કરી શકે છે. સ્કેલ પર ઉત્પાદન સંપૂર્ણપણે અપ્રમાણિત છે.

મને શંકા છે કે અમે 2030 પહેલાં મુખ્ય પ્રવાહની કારમાં આ જોઈશું. કદાચ 2028 જો કોઈને સફળતા મળે. પરંતુ કદાચ પછીથી. મેં છેલ્લા 10 વર્ષથી "સોલિડ-સ્ટેટ 5 વર્ષ દૂર છે" સાંભળ્યું છે.

લિથિયમ-સલ્ફર:2600 Wh/kg ની સૈદ્ધાંતિક ઊર્જા ઘનતા. સલ્ફર સસ્તું અને વિપુલ પ્રમાણમાં છે.

સમસ્યા: પોલિસલ્ફાઇડ શટલ અસર. મધ્યવર્તી ઉત્પાદનો ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં ઓગળી જાય છે જે ઝડપથી ક્ષમતા ઝાંખાનું કારણ બને છે. 50 ચક્ર પછી બેટરી ટોસ્ટ છે.

આ 20+ વર્ષોથી "લગભગ હલ" થઈ ગયું છે. હજુ પણ ત્યાં નથી.

સોડિયમ-આયન:ખરેખર હવે થઈ રહ્યું છે. CATL એ 2023 માં ઉત્પાદન શરૂ કર્યું. BYD તેના પર કામ કરી રહ્યું છે.

સોડિયમ સર્વત્ર છે (દરિયાઈ પાણી). લિથિયમ કરતાં સસ્તી. સમાન ઉત્પાદન સાધનોનો ઉપયોગ કરી શકે છે.

પરંતુ ઊર્જા ઘનતા ઓછી છે: લિથિયમ-આયન માટે 150-160 Wh/kg વિ 250-300.

સ્થિર સ્ટોરેજ અને બજેટ EV માટે અર્થપૂર્ણ છે. પ્રીમિયમ ઉત્પાદનોમાં લિથિયમ-આયનને કોઈપણ સમયે ટૂંક સમયમાં બદલવું નહીં.

લિથિયમ મેટલ એનોડ:ગ્રેફાઇટને બદલે લિથિયમ મેટલનો ઉપયોગ કરો. પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ રાખો. સેલ સ્તરે 400-500 Wh/kg હિટ કરી શકે છે.

ડેંડ્રાઈટની સમસ્યા યથાવત રહે છે. દરેક પાસે પોતપોતાનું સોલ્યુશન - કોટિંગ્સ, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ એડિટિવ્સ વગેરે છે. અમે જોઈશું કે કોણ પ્રથમ સફળ થાય છે.

 

ઓહ અનેલિથિયમ પોલિમર બેટરી- એ કદાચ તેનો ઉલ્લેખ કરવો જોઈએ. તેઓ પ્રવાહીને બદલે જેલ અથવા ઘન પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટનો ઉપયોગ કરે છે. પાતળા, હળવા, વધુ લવચીક આકારો. તમારા વાયરલેસ ઇયરબડ્સમાં કદાચ એક છે. પ્રવાહી કરતાં સહેજ સુરક્ષિત પરંતુ ઊર્જા ઘનતા લગભગ સમાન છે. તે હજુ પણ લિથિયમ-આયન ટેક છે, માત્ર અલગ રીતે પેકેજ થયેલ છે. માર્કેટિંગ વિભાગો તેમને "LiPo" કહેવાનું પસંદ કરે છે જેમ કે તે કોઈ ક્રાંતિકારી બાબત છે. તે નથી.