NCM, NCA, LFP, solid-state: Ποια είναι η “καλύτερη” μπαταρία EV;

Του Λουκά Μπαφατάκη, Μηχανολόγου-Μηχανικού – ΕΜΠ (MSc)

Ο κύριος λόγος για τον οποίο τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα δεν έχουν ακόμα κυριαρχήσει στις Μεταφορές, είναι το τεχνολογικό επίπεδο των υψηλής τάσης μπαταριών τους. Παρ’ότι την τελευταία δεκαετία έχουν γίνει άλματα πρόοδου, η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών EVs δεν έχει πλησιάσει καν αυτή των υγρών καυσίμων. Το “ιερό δισκοπότηρο” της ηλεκτροκίνησης είναι μια μπαταρία με σημαντικά μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα απ’ότι σήμερα. Έτσι, αποφασίσαμε να παρουσιάσουμε τις νυν και τις επερχόμενες τεχνολογίες μπαταριών (NCM, LFP, solid-state, lithium-air), ώστε να είστε κι εσείς ενημερωμένοι, χάρη και σε αυτό το άρθρο του ArenaEV.

Υπάρχουσες τεχνολογίες

Ιόντων Λιθίου – Lithium ion – κάθοδος NCM και NCA

Οι μπαταρίες Ιόντων Λιθίου μετρούν ήδη σχεδόν 30 χρόνια ζωής, από τότε που η Sony τις ενσωμάτωσε σε ένα εμπορικό προϊόν, τη βιντεοκάμερα CCD-TR1. Πως λειτουργεί μια μπαταρία Ιόντων Λιθίου; Συνοπτικά, τα ιόντα του Λιθίου “ταξιδεύουν” από την άνοδο της μπαταρίας προς την κάθοδο (τα ηλεκτρόδια, δηλαδή) και τούμπαλιν. Η διαδρομή τους γίνεται μέσα σε έναν υγρό ηλεκτρολύτη, ενώ τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν μέσω του εξωτερικού κυκλώματος της μπαταρίας (αγωγού). Κατά την εκφόρτιση τα ιόντα πηγαίνουν από την άνοδο προς την κάθοδο. Κατά τη φόρτιση, συμβαίνει το αντίστροφο.

Στις μέρες μας, οι μπαταρίες Li-ion NCX (NCM και NCA) σχεδόν αποκλειστικά χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά οχήματα. Το Ν υποδηλώνει το Νικέλιο, το C το Κοβάλτιο, το Μ το Μαγγάνιο και το Α το Αλουμίνιο. Ανάλογα με το ποσοστό του εκάστοτε στοιχείου στην κάθοδο της μπαταρίας, επιτυγχάνονται διαφορετικές ιδιότητες και χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα, μια μπαταρία NCM 712 αποτελείται κατά 70% από Νικέλιο, κατά 10% από Κοβάλτιο και κατά 20% από Μαγγάνιο. Σε γενικές γραμμές, όσο μεγαλύτερο το ποσοστό Νικελίου, τόσο μεγαλύτερη η ενεργειακή πυκνότητα. Άρα, έχουμε μια σχετικά ελαφριά και μικρή μπαταρία με υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο.

Καθώς το Κοβάλτιο είναι ένα αρκετά σπάνιο στοιχείο και οι μέθοδοι εξόρυξής του είναι τουλάχιστον αμφιλεγούμενες (παιδική εργασία κ.λπ.), οι κατασκευαστές μπαταριών προσπαθούν να μειώσουν και εν καιρώ να εκμηδενίσουν τη χρήση του. Ο συνδυασμός καθόδου με υψηλό ποσοστό Νικελίου, του κατάλληλου σχεδιασμού του battery pack και το Πυρίτιο στην άνοδο μπορούν να αγγίξουν μια ενεργειακή πυκνότητα της τάξεως των 325 Wh/Kg. Θα μπορούσαμε να πούμε οτι αυτός ο τύπος μπαταρίας έχει φτάσει τα όρια της εξέλιξής του.

Ιόντων Λιθίου – Κάθοδος LFP

Μια εναλλακτική για την κάθοδο των Li-ion μπαταριών είναι η χρήση LFP (Lithium Iron Phosphate – Φωσφορικού άλατος σιδήρου). Παρ’ότι οι “επιδόσεις” των LFP μπαταριών είναι μικρότερες των NCM, προτιμώνται από ορισμένους κατασκευαστές χάρη στη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής τους και το μικρότερο κόστος κατασκευής τους. Η ειδική ενεργειακή πυκνότητά τους είναι μικρότερη για δύο λόγους, κυρίως.

Πρώτον, η μέγιστη τάση τους είναι μικρότερη. Αυτό σημαίνει μικρότερο ενεργειακό περιεχόμενο (kWh) με την ίδια χωρητικότητα (Ah) μιας NCM μπαταρίας (kWh= Ah x V). Δεύτερον, καθώς τα ιόντα Λιθίου μετακινούνται σε μια διάσταση (αντί για δύο στις NCM μπαταρίες), η μέγιστη ισχύς που μπορεί να αποδώσει η μπαταρία κατά την εκφόρτιση είναι μικρότερη. Έτσι, οι LFP μπαταρίες λιθίου δεν χρησιμοποιούνται σε EV υψηλής απόδοσης, συνήθως.

Αυτός είναι και ο λόγος που η Tesla (προς το παρόν) χρησιμοποιεί LFP μπαταρίες μόνο στη βασική έκδοση του Model 3. Ωστόσο, αυτός ο τύπος μπαταρίας έχει τα πλεονεκτήματα της μεγάλης διάρκειας ζωής και επίσης δεν επηρεάζεται αρνητικά όταν επαναφορτίζεται στο 100%, σε αντίθεση με τις NCM μπαταρίες. Μάλιστα, συστήνεται να φορτίζετε πλήρως μια LFP μπαταρία!

Πιθανές, μελλοντικές τεχνολογίες μπαταριών

Λιθίου – Αέρος (Lithium – Air)

Οι μπαταρίες Λιθίου – Αέρος είναι περισσότερο ένα ερευνητικό project αυτή τη στιγμή, αλλά δείχνει πολλά υποσχόμενο. Η ειδική ενεργειακή πυκνότητά τους μπορεί να αγγίξει τις 11,4 kWh/Kg, προσεγγίζοντας αυτήν των υγρών καυσίμων. Το Λίθιο εδώ βρίσκεται στην άνοδο ενώ αέρας βρίσκεται στην κάθοδο και διαχωρίζονται από τον ηλεκτρολύτη. Κατά την εκφόρτιση, τα ιόντα Λιθίου ταξιδεύουν από την άνοδο προς την κάθοδο όπου βρίσκεται αέρας και αντιδρούν με το Οξυγόνο του.

Δυστυχώς, οι υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται κατά την φόρτιση αυτών των μπαταριών, καθιστούν απαγορευτική την ταχεία φόρτιση. Κατά την φόρτιση σχηματίζονται δενδρίτες στην κάθοδο, μειώντας σημαντικά τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Αν τα παραπάνω προβλήματα ξεπεραστούν και το κόστος βρεθεί σε λογικά επίπεδα, τότε θα μιλάμε πραγματικά για το τέλος των θερμικών οχημάτων.

Solid State μπαταρίες

Οι Solid State μπαταρίες θεωρούνται αυτή τη στιγμή η μεγαλύτερη ελπίδα της αυτοκινητοβιομηχανίας, στο “ορατό” μέλλον. Τεράστια ποσά επενδύονται από πολλούς κατασκευαστές για την ανάπτυξή τους. Η κύρια διαφορά τους είναι η χρήση στέρεου ηλεκτρολύτη μεταξύ ανόδου και καθόδου, αντί του υγρού στις υπάρχουσες μπαταρίες.

Αρκετά υλικά εξετάζονται ως προς την καταλληλότητά τους, ως ηλεκτρολύτες, από μεταλλικά έως και κεραμικά. Δεν υπάρχει κάποιο ηλεκτρικό αυτοκίνητο με solid-state μπαταρία, αλλά αναμένονται τα πρώτα μοντέλα μέσα στα επόμενα 2-3 χρόνια. Η ειδική ενεργειακή πυκνότητα των solid-state μπαταριών αναμένεται να είναι διπλάσια των τωρινών και η διάρκεια ζωής τους θα αγγίζει τους 1.000 κύκλους. Ωστόσο, αυτές οι προβλέψεις μπορεί να αναθεωρηθούν μελλοντικά, προς το καλύτερο.

Το πρωτότυπο άρθρο δημοσιεύθηκε στο ArenaEV.com και με την άδεια του αναδημοσιεύθηκε στο Μέσο μας.

Σας αρέσουν τα άρθρα μας; Ακολουθήστε μας στο Google News, στο YouTube, στο Facebook και στο Instagram!

Δείτε επίσης:

Γιατί η μέγιστη ισχύς στην DC φόρτιση είναι παραπλανητική;