Μέσα σε σχεδόν κάθε ηλεκτρικό όχημα (EV) υπάρχει μια μπαταρία ιόντων λιθίου που περιέχει πολλά βασικά ορυκτά. Ορισμένα ορυκτά συνθέτουν περίπλοκα μέρη μέσα στην κυψέλη για να εξασφαλίσουν τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος και να βοηθήσουν την λειτουργία της μπαταρίας. Άλλα στοιχεία αξιοποιούνται για την προστασία του κελιού.
Οι κυψέλες μιας μέσης μπαταρίας με δυναμικότητα 60 κιλοβατώρες (kWh) - το ίδιο μέγεθος που χρησιμοποιείται σε ένα Chevy Bolt - περιέχουν περίπου 185 κιλά ορυκτών. Αυτός ο αριθμός δεν συμπεριλαμβάνει τα υλικά του ηλεκτρολύτη, το συνδετικό υλικό, το διαχωριστικό και το περίβλημα της μπαταρίας.
Η κάθοδος περιέχει τη μεγαλύτερη ποικιλία ορυκτών και είναι αναμφισβήτητα το πιο σημαντικό και ακριβό τμήμα της μπαταρίας. Η σύνθεση της καθόδου είναι ένας καθοριστικός παράγοντας στην απόδοση της μπαταρίας, με κάθε ορυκτό να προσφέρει ένα μοναδικό όφελος.
Για παράδειγμα, οι μπαταρίες NMC (Nickel-Manganese-Cobalt), οι οποίες αντιπροσώπευαν το 72% των μπαταριών που χρησιμοποιήθηκαν στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα το 2020 (εξαιρουμένης της Κίνας), έχουν μια κάθοδο που αποτελείται από νικέλιο, μαγγάνιο και κοβάλτιο μαζί με λίθιο. Η υψηλότερη περιεκτικότητα σε νικέλιο σε αυτές τις μπαταρίες τείνει να αυξάνει την ενεργειακή τους πυκνότητα ή την ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται ανά μονάδα όγκου, αυξάνοντας την εμβέλεια οδήγησης του EV.
Το κοβάλτιο και το μαγγάνιο συχνά λειτουργούν ως σταθεροποιητές στις μπαταρίες NMC, βελτιώνοντας την ασφάλειά τους. Συνολικά, τα υλικά στην κάθοδο αντιπροσωπεύουν το 31,3% του βάρους των ορυκτών σε μια μέση μπαταρία που παράγεται το 2020. Αυτός ο αριθμός δεν περιλαμβάνει το αλουμίνιο, το οποίο χρησιμοποιείται στις καθόδους μπαταριών νικελίου-κοβαλτίου-αλουμινίου (Nickel-Cobalt-Aluminum, NCA), αλλά χρησιμοποιείται και αλλού στην μπαταρία όπως το περίβλημα και τους συλλέκτες ρεύματος.
Εν τω μεταξύ, ο γραφίτης είναι το υλικό που χρησιμοποιείται για τις ανόδους λόγω του σχετικά χαμηλού κόστους, της αφθονίας και της μεγάλης διάρκειας ζωής του. Δεδομένου ότι ολόκληρη η άνοδος αποτελείται από γραφίτη, ο γραφίτης αποτελεί το μεγαλύτερο σε ποσότητα ορυκτό συστατικό της μπαταρίας. Άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται στις μπαταρίες περιλαμβάνουν: χάλυβα στο περίβλημα που προστατεύει το στοιχείο από εξωτερικές βλάβες, μαζί με χαλκό, που χρησιμοποιείται ως συλλέκτης ρεύματος για την άνοδο.
Υπάρχουν διάφοροι τύποι μπαταριών ιόντων λιθίου με διαφορετικές συνθέσεις καθόδου. Τα ονόματά τους συνήθως παραπέμπουν στην σύστασή τους. Για παράδειγμα:
- Σύνθεση καθόδου μπαταριών NMC811: 80% νικέλιο, 10% μαγγάνιο, 10% κοβάλτιο
- Σύνθεση καθόδου μπαταριών NMC523: 50% νικέλιο, 20% μαγγάνιο, 30% κοβάλτιο
Στο παρακάτω γράφημα παρουσιάζονται οι διαφορετικές συστάσεις μπαταριών με χωρητικότητα 60 kWh.
Καθώς οι καταναλωτές αναζητούν ηλεκτρικά οχήματα μεγαλύτερης εμβέλειας που δεν απαιτούν συχνή επαναφόρτιση, οι πλούσιες σε νικέλιο κάθοδοι έχουν γίνει συνηθισμένες. Στην πραγματικότητα, οι χημικές συστάσεις μπαταριών με βάση το νικέλιο αντιπροσώπευαν το 80% των μπαταριών σε νέα plug-in ηλεκτρικά οχήματα το 2021.
Οι μπαταρίες Lithium iron phosphate (LFP) δε χρησιμοποιούν νικέλιο και συνήθως προσφέρουν χαμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα σε καλύτερη τιμή. Σε αντίθεση με τις μπαταρίες με βάση το νικέλιο που χρησιμοποιούν ενώσεις υδροξειδίου του λιθίου στην κάθοδο, οι μπαταρίες LFP χρησιμοποιούν ανθρακικό λίθιο, το οποίο είναι μια φθηνότερη εναλλακτική λύση. Η Tesla άρχισε πρόσφατα να χρησιμοποιεί LFP καθόδους για αυτοκίνητα κανονικής εμβέλειας, όπως κάνουν και πολλές κινεζικές αυτοκινητοβιομηχανίες, οδηγώντας την τιμή του ανθρακικού λιθίου σε υψηλά ρεκόρ.
Η αγορά μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων βρίσκεται ακόμα στα αρχικά της βήματα και προβλέπεται μεγάλη ανάπτυξη τα επόμενα χρόνια. Η χημεία των μπαταριών εξελίσσεται συνεχώς, και καθώς οι αυτοκινητοβιομηχανίες δημιουργούν νέα μοντέλα οχημάτων με διαφορετικά χαρακτηριστικά, θα είναι ενδιαφέρον να δούμε ποιες νέες κάθοδοι θα αναπτυχθούν για να καλύψουν τις ανάγκες.
Πηγή: Visualizing the Key Minerals in an EV Battery (visualcapitalist.com)
