סוללות הגופרית והנתרן החדשות, ולמה ליתיום הוא עדיין המלך למכוניות

אם נמאס לכם לראות כותרות קליקבייט על איזו כימיה חדשה של הסוללה, אני בעצם רוצה להגיד לכם שלא יהיה שינוי פתאומי ענק, למעט השדרוגים עליהם כתבתי לאחרונה. לפני כמה חודשים ביולי, כתבנו על איך כמעט כולם מוסיפים סיליקון לאנודות של סוללות ליתיום (כדי לראות את זה, לחץ כאן), מכיוון שהוא משפר באופן דרמטי את המהירות שבה ניתן לטעון את הסוללה, והוא גם מגדיל את צפיפות האנרגיה של אותן סוללות.

רגע לפני כן ביוני, כתבנו על כך שהחברה הסינית CATL הייתה כיום חברת הסוללות הגדולה בעולם, והממשלה הסינית הוציאה 23 מיליארד דולר כדי לפתח כל התקדמות סוללה חדשה שעלולה להיות אפשרית (כדי לראות את המאמר, לחץ כאן).

בזמן שחקרתי את המידע למאמרים האלה, המשכתי לראות מאמרים ויוטיובים על סוללות נתרן וגופרית, והיום אני כותב על מה שלמדתי על הכימיות החדשות הללו, וכיצד הן משתוות לסוללות המבוססות על ליתיום בהן השתמשנו ב-20 השנים האחרונות.

__________________________________________________

אספקת ליתיום

לפני עשר שנים דיברו לא מעט על כך שהעולם זקוק למאות מיליוני כלי רכב חשמליים, ואולי אספקת הליתיום הידועה אינה מספיקה. הצעד הראשון היה בניית רשת מיחזור, וכתבנו על כך עוד במרץ 2021 (כדי לראות את המאמר, לחץ כאן). וזה לא היה רק ​​מיחזור ליתיום, כי האספקה ​​העולמית של ניקל וקובלט היו צוואר בקבוק ברור לייצור, אז מיחזור שני אלה היה חשוב במיוחד.

עם זאת… ברגע שכולם התחילו לחפש עוד עתודות של ליתיום, הם מצאו אותם! אחד החששות בנוגע לחומרים הדרושים לייצור סוללות, היה שמלחמת סחר ואמברגו עלולים לשבש את האספקה. יש מקום שנקרא Thacker Pass בצפון נבאדה שהוא הממצא המשמעותי ביותר האחרון. אני מוסיף את המפה הזו למטה כדי להראות שאזור NAFTA בצפון אמריקה כבר לא נמצא בסכנה של אספקת ליתיום מוגבלת על ידי הפוליטיקה העולמית.

ה-"M" בכימיה של NCM הוא עבור מנגן, והיסוד הזה תמיד היה אחד היסודות הנפוצים ביותר על פני כדור הארץ, כך שזה מעולם לא היה חשש.

__________________________________________________

סוללות נתרן

סוללות נתרן קיימות כרגע, ו-BYD בסין מוכרת את דגם הבסיס של "שחף" עם סוללת נתרן (כדי לראות את המאמר, לחץ כאן). היתרון העיקרי של סוללת הנתרן היא שהיא פחות יקרה מליתיום, והמחיר הנמוך הוא התכונה העיקרית של שחף BYD.

לסוללות נתרן יש יתרונות נוספים. נתרן מצוי בשפע ונרחב, כך שהאספקה ​​אינה גורם מגביל. "נורת'וולט" היא חברה שוודית שפיתחה כימיה של נתרן שאינה משתמשת ללא קובלט או ניקל, והכימיה הספציפית שלהן מוסיפה גם קצת אלומיניום, ברזל ומנגן, שהם שוב זולים ושופעים.

שחקן מרכזי נוסף במועדון סוללות הנתרן הוא נאטרון אנרג'י בסנטה קלרה, קליפורניה. לאחרונה הם פרצו דרך במפעל חדש של סוללות נתרן של 1.4 מיליארד דולר בצפון קרוליינה. על פי נתרון, כימיית הנתרן שלהם אינה דליקה ולא תתלקח או תתפוצץ גם אם מנקב או מחומם.

עם זאת!…למרות שה-BYD Seagull הוא EV שלמעשה משתמש בתאי נתרן (יחד עם מלגזות וסוללות גיבוי למרכזי נתונים), אני מאמין שהשוק הגדול ביותר עבור תאי נתרן הוא אחסון סולארי לרשת בשל העלות הנמוכה שלהם לאנרגיה, וגם בגלל שהם יכולים לספק הרבה יותר שנים של מחזורים מאשר ליתיום-יון. זה שוק פורח, וגם, הכימיה האחרות עדיין מספקות יותר מיילים של טווח לכל נפח, אז כשזה מגיע לכלי רכב…ליתיום עדיין נראה טוב.

כהערה צדדית, קבלנים צבאיים גילו שסוללות הנתרן של Natrons מתפקדות היטב בטווח טמפרטורות רחב, בין 0-45 מעלות צלזיוס (32-113 מעלות פרנהייט).

__________________________________________________

סוללות גופרית

לפני ארבעים שנה, ליתיום, סיליקון, נתרן וגופרית זוהו כולם כיסודות בעלי הפוטנציאל הטוב ביותר ליצור סוללה נטענת נהדרת. המזל האקראי היחיד שלו שהליתיום-יון הייתה הכימיה הראשונה שזכתה לפריצת דרך ועבדה מספיק טוב כדי להצמיח את תנועת ה-EV שאנחנו נמצאים בה כרגע.

הגופרית היא זולה ושופעת, ואם במקרה תקנו חבית מלאה בגופרית השבוע (כפי שאפשר לעשות מדי פעם), יש סבירות גבוהה שהיא הופרדה מנפט גולמי לייצור דלק דיזל עם גופרית נמוכה במיוחד (ULSD), כשהגופרית המופקת היא תוצר פסולת. גופרית מפורסמת גם כריח של ביצים רקובות.

הרבה אנשים חכמים עבדו גם על סוללות מבוססות גופרית, וגוגל מהיר מראה שיש לפחות עשר חברות גדולות שמשקיעות בכך רבות מסיבות שאפרט להלן. חברה אחת שהייתי רוצה להדגיש היא Lyten בסן חוזה, קליפורניה. הסוללות שלהם בוגרות מספיק כדי שהם התקשרו לספק את הדור הבא של תאי EV ל- Stellantis, שהוא תאגיד עולמי שמחזיק ב-14 מותגי רכב, כולל קרייזלר, דודג', ג'יפ ופיאט.

אחרי כמה שנים ומיליוני דולרים רבים של ניסויים, סוף סוף נחשפו סודותיהן של סוללות הגופרית, ונראה שכל השחקנים הגדולים מסכימים ששילוב של קצת ליתיום לתוך הגופרית פתר הרבה מהבעיות שהתגלו בעת שימוש בגופרית בלבד. כמו בכימיה שהוזכרו קודם לכן, סוללות ליתיום גופרית (Li-S) אינן משתמשות בקובלט או ניקל, כך שאין הגבלה מהותית לכמה שניתן לייצר.

האזור היחיד שבו סוללות Li-S באמת זוהרות הוא במשקל שלהן לאנרגיה. מכוניות EV עסקו בעיקר באנרגיה לנפח, מכיוון שגודל החבילה היה הגורם המגביל בטווח טווח טוב. התוצאה הייתה שסוללות EV היו כבדות מאוד, אבל הן עדיין נמכרו היטב כי טווח של 300 מיילים נחשב לרצוי מאוד. סוללות Li-S ישנו את זה, ובקרוב, ערכת סוללות של 300 מייל כבר לא תצטרך להיות כל כך כבדה.

עם זאת, אני לא חושב שמכוניות הן המקום שבו ל-Li-S תהיה ההשפעה הגדולה ביותר. חזרה פנימה במרץ 2024, כתבנו על כמה מטוסים חשמליים אחרוניםומאפיין הנהיגה של מטוס הוא אנרגיה למשקל סוללה. סוללת ליתיום באותו נפח תהיה כבדה יותר מסוללת Li-S למרות הטווח הארוך של הליתיום, אבל…אם תכווץ את גודל חבילות הליתיום כדי להיות באותו משקל כמו ה-Li-S, אזי לסוללת ה-Li-S יהיה יותר טווח מאשר לליתיום-יון. עבור מטוסים, המטען והדלק נמדדים לפי משקלם.

אם כבר מדברים על מטוסים, אין סיבה שכל סוללה לא תוכל להשתמש באלקטרודות הפולימר/גרפן המוגנת בפטנט של "StoreDotכדי להחליף את אלקטרודות האלומיניום והנחושת שכולנו משתמשים בהן בעשרים השנים האחרונות, אבל לא יכולתי שלא לשים לב ש…הן לא רק זולות יותר, הן מַצִית מאשר אלקטרודות אלומיניום ונחושת. אני מאמין שהמאמצים המוקדמים ישלמו פרמיה כדי להשתמש בהם בסוללות מטוסים חשמליים, שם כל אונקיה תיחשב.

__________________________________________________

ליתיום-ברזל-פוספט / LiFePO4 / LFP

אני רוצה להקפיד לתת קול צעקה לאהוב ותיק. כפי שציינתי במאמר שלנו על חברת הסוללות הסינית CATL…לפני כעשר שנים, סין החליטה להשקיע השקעה עצומה בכלי רכב חלופיים. מכיוון שחבילות הסוללות ב-EV יכולות להיות גדולות פי שבעה מסוללה היברידית, הדחיפה הראשונה שלהן הייתה לייצר הרבה מכוניות היברידיות, ומכיוון שלמכוניות היברידיות אלה היה מנוע בנזין קטן כמרחיב טווח, מארזי הסוללות לא היו צריכים לקבל את הטווח המרבי המוחלט לנפח.

כתוצאה מכך, רובם השתמשו בכימיה של LiFePO4 בגלל שני המאפיינים המפורסמים שלה בהשוואה לחבילות ליתיום-יון כמו אלו שנמצאו בטסלה המוקדמות ובניסאן ליף. ראשית, LiFePO4 מטבעו עמיד יותר לאש מאשר ליתיום-יון, מכיוון שהוא חייב להתחמם עד 190°C (375°F) לפני שהוא מתחיל להפוך לגז, וגם אז, הגז הזה אינו דליק. לחבילות ליתיום-יון היה טווח גדול יותר לנפח מאשר ל-LiFePO4, אבל הם יכולים להתחיל להתנקות בגז בטמפ' נמוכה יותר של 130 מעלות צלזיוס, והרכב הגז הדליק הזה עלול להוביל לבריחה תרמית של החבילה כולה.

היתרון הנפוץ השני של LiFePO4 הוא שידוע שהוא מחזיק מעמד פי שניים מחזורים ושנים מאשר ליתיום-יון. וכמובן, מעולם לא היה בו קובלט או ניקל מההתחלה.

אחת מהחדשות הגדולות שמצאתי לאחרונה היא שבעשר השנים האחרונות, liFePO4 הוא אחד הדברים שסין המשיכה לשפר, ועכשיו הם הכפילו את הטווח שלו לנפח, וגם מצאו דרך להטעין אותו במהירות בקצב גבוה מאוד.

__________________________________________________

כלים אלחוטיים ומזל"טים

ראיתי כלים אלחוטיים שמשתמשים ב 2170 תאים בפורמט עם העיצוב "ללא שולחן".. הייתי קורא לזה עיצוב "הכל לשונית", כי כל הקצה של חומר התא המגולגל הוא "הלשונית", שמבטלת צוואר בקבוק משותף לזרם, ונקודה חמה משותפת. מבלי להתחשב בשינויים בכימיה כלל, השינוי המכני של עיצוב השולחן מאפשר לתאים לספק זרם גבוה במיוחד, עם פחות חום פנימי.

החום הפנימי של פעולות רגילות כל כך מופחת, שניתן להגדיל את גודל התא, וזו הסיבה שטסלה הצליחה לעבור מתא 2170 לתא 4680 הגדול יותר, שאני מעריץ גדול שלו.

ומבחינת מל"טים, כל מי שצפה בחדשות ראה כיצד מספר מדינות הגדילו באופן דרמטי את השימוש במזל"טים בקרב. הגדולים יותר עדיין משתמשים…