1. Home
  2. Life
  3. Anoda, katoda i nešto između (II deo)
Anoda, katoda i nešto između (II deo)

Anoda, katoda i nešto između (II deo)

1.16K
32

Prethodnog vikenda smo započeli s pričom o budućnosti automobilske industrije, odnosno s tekstom o baterijama. Predlažemo vam da obavezno pročitate uvodnik, a onda da zajedno vidimo i šta taj Tesla Motors tamo negde daleko radi i kako funkcionišu te njihove baterije. Pričali smo o elektrohemijskom potencijalu. Rekli smo da je to tendencija materijala i drugih materijala da se oslobodi elektrona. Struktura svakog atoma je takva da ima jezgro i omotač. Unutar jezgra je pozitivno naelektrisan proton i neutralno naelektrisan neutron. U omotaču je elektron.  Litijum u svom omotaču ima jedan slobodan elektron i on stalno teži da ga se oslobodi (usled pomenutog elektrohemijskog potencijala).

Napomenimo i da je litijum izuzetno reaktivan materijal i u čistom stanju reaguje čak i sa vodom. Usled te činjenice i takve reaktivnosti mi težimo da ga nekako stabilizujemo te ga  ubacujemo u razne metalne okside. Ukoliko na neki način iz tog metalnog oksida, to jest njegove atomske rešetke neki atom litijuma uspe da napusti svoje mesto unutar rešetke i otpusti svoj elektron iz omotača, tada sam atom postaje pozitivno naelektrisan. Od tada, to postaje litijumov jon. S obzirom na činjenicu da je sam atom daleko stabilniji kada se nalazi u sklopu nekog metalnog oksida i njegove rešetke, on će stalno težiti tom stanju.

Ukoliko na neki način uspemo da konstantno proizvodimo tu pojavu koja podrazumeva da atom litijuma napušta rešetku metalnog oksida, i da otpusti svoj elektron i postane pozitivno naelektrisan (konkretno, kada se svi atomi u jednoj rešetki ovako „rasture“ tada nam je puna baterija), pa da se nakon toga opet vrati na svoje mesto unutar rešetke zajedno sa svojim elektronom, na taj način smo zahvaljujući pomenutom kretanju elektrona pomoću nekog spoljnog strujnog kruga, dobili električnu struju (baterija se prazni) i imamo funkcionalnu i veoma efikasnu bateriju.

Znam da zbunjuje ali budite tu, pokušaćemo da objasnimo još bolje!

Kao u primeru iz uvodnog članka u serijal o baterijama i kao u prošlom primeru, ponovo imamo dve ploče i elektrolit između. U “Teslinom” slučaju rešetka, to jest metalni oksid se nalazi na aluminijumskoj ploči, između ploča ponovo imamo elektrolit sa separatorom a druga ploča je izrađena od bakra sa slojem grafita koji ima višeslojnu strukturu.

Bakarna ploča će biti minus (anoda) naše baterije a aluminijumska plus (katoda). Grafit ovde nikako nije u službi nekog provodnika, a ta njegova slojevita struktura je opet urađena tako da podseća na “saće”. Izvođenje je takvo da među tim slojevima ima dovoljno mesta da, kad joni litijuma prođu kroz elektrolit i separator, ostanu pravilno raspoređeni između saćastih rešetki koje će sadržati elektrone.

Elektrolit se izrađuje od organskih litijumovih soli. Separator se ponaša kao “filter” koji propušta samo litijumove jone na drugu stranu. Ako ikada usled nekog razloga dođe do nestanka elektrolita, došlo bi do direktnog kratkog spoja između anode i katode, a još jedna od uloga separatora je da spreči ovaj direktan kratki spoj.

Sami elektroni su izuzetno “agresivni” prema elektrolitu. Na svu sreću, prilikom prvog punjenja dolazi do reakcije između organskog rastvora u elektrolitu koji oblaže jone i kada oni dođu do grafita stvoriće se jedan sloj nazvan “Solid Electrolyte Interface” (SEI) koji će bukvalno poslužiti kao zaštitna barijera za elektrolit u bateriji. Ovaj sloj će ostati konstantno prisutan na elektrolitu i tu se potroši negde oko 5% jona litijuma.

Sloj SEI je veoma bitan za pravilan rad baterije. Problem nastaje kada ovaj sloj naraste van željenog, odnosno kada iz nekog razloga počne da „hvata“ dodatne jone. Ovaj nekontrolisani rast stvara pukotine u sloju i otvara nezaštićeni prostor gde elektroni mogu da naprave oštećenje na samom elektrolitu. Ovo je mnogo ozbiljnija priča nego što nama treba, čak se i NASA bavi ovim pitanjem, a da ne bismo i dalje zbunili neke od nas kojima je i ovo već previše, staćemo ovde.

Kako funkcioniše sistem?

Krećemo od situacije kada je baterija potpuno prazna i svi atomi litijuma su na svojim mestima unutar rešetke na katodi. Kada priključimo napon, to jest krene punjenje desiće se to da će usled delovanja tog napona svi atomi litijuma, na prethodno opisan način početi da otpuštaju svoje elektrone i kroz elektrolit prelaze na stranu sa grafitom (anoda).

Elektroni će biti privučeni na pozitivno naelektrisanu stranu električnog izvora i kroz sam izvor električne energije, njegove negativne strane doći do “saća” na grafitu. Kada su svi joni litijuma “prešli” a svi elektroni preko izvora eleketroni energije zauzeli svoja mesta na pomenutoj grafitnoj “saćastoj” strukturi naša baterija je puna.

Ako se sećate početka, litijum je mnogo “lud” element. A kad je samostalan, ta njegova ludost je najveća. Zato, da ne bi pravio probleme on teži da se vrati tamo gde je stabilan, na svoje mesto unutar rešetke metalnog oksida. Tako, kada priključimo neki potrošač, elektroni će sada preko njega pronaći svoj put ka ploči gde je metalni oksid (a sećamo se definicije od prošlog puta da je usmereno kretanje elektrona kroz provodnik električna struja) a joni litijuma će se vratiti kroz separator na svoje mesto. Kada se svi vrate, naša baterija je prazna.

Rezimiramo: punjene – joni idu sa katode na anodu. Pražnjenje – sa anode na katodu. I tako ponovo, i ponovo, i ponovo…

Uzmemo sve ove elemente, ubacimo ih u mali metalni omotač cilindričnog oblika i imamo jednu bateriju kao što je ona koju potpisuje “Tesla Motors”! Napon jedne baterije se kreće od nominalnih 3,6V do 4,2V. Uzmite nekoliko ovih baterija, pa nekoliko spojite na red da povećate napon, a onda nekoliko takvih vežete paralelno i dobili ste jedan “baterijski modul”.

Valja napomenuti da različiti modeli Tesle imaju različite baterijske module. Konkretno Model S i Model X na primer, imaju više tih “pakovanja”, i do šesnaest za dugometražne verzije (takozvane long range) koji čine celinu i nazivaju se baterijsko pakovanje (battery pack) i menjaju se isključivo tako – kao jedna velika celina. Cena za to je nestvarno visoka. Kako izgleda jedno baterijsko pakovanje možete videti na donjoj slici.

Noviji modeli koje čine Model 3 i Model Y poseduju gabaritno veće module i važnije je da dozvoljavaju zamenu samo “dotrajalog modula” što je daleko prihvatljivije i cena se kreće oko pet do sedam hiljada američkih dolara za jedan od četiri modula (donja ilustracija). Svaki od tih pomenutih modula ima svoj sistem za upravljanje radom (Battery Management System – BMS) koji kontroliše sve od punjenja, pražnjenja, temperature rashladne tečnosti… Da, dobro ste pročitali. Unutar svakog modula nalazi se rashladni sistem koji se hladi glikolom i na taj način održava temperaturu baterija blizu optimalne.

Ali, ne samo hlađenje: zahvaljujući minijaturnoj toplotnoj pumpi sistem se po potrebi i greje. Takođe, taj sistem da se svaka baterija puni svojim tempom i brine da je stepen napunjenosti svake baterije u modulu približno isti. A to isto radi i kod pražnjenja, krajnji cilj je da se sve baterije podjednako prazne.

Ukoliko je teret pražnjenja ravnomerno raspoređen na svaku bateriju njihov “stres” je manji a radni vek će biti duži. Ove stvari i čine razliku između Tesle i ostalih proizvođača. Dok su se oni opredelili za mnoštvo manjih baterija ostali proizvođači su u početku birali nekoliko većih baterija. Sem što su bile znatno komplikovanije za hlađenje, njihovi ciklusi pražnjenja su bili znatno veći i samim tim znatno su skratili životni vek tih baterija.

Baterije o kojima govorimo nose oznaku 1865. Ovo znači da baterija ima 18 milimetara u prečniku i visinu od 65 milimetara. Meni je lično ovo izuzetno drago saznanje, jer je neko u toj američkoj firmi bio dovoljno odlučan da odbaci one inče, njihove 3 osmine i 15 petina…

Teslin partner u razvoju ovih baterija je Panasonic. Iako su partneri, tu nema nikakve ljubavi. Štaviše, u fabrici baterija Tesle imate povučenu liniju dokle je Panasonic a odakle je Tesla. Tajne zanata su tajne zanata.

NiCoAl

Mada, s obzirom na činjenicu da je Tesla kupio Maxwell, očekujem kraj te „ljubavi“ a mnogo velikih stvari se kuva u Tesli kao posledica te akvizicije. Izuzetno bitna stvar kod ovoga je da je kod skoro svih baterija anoda ista, i ona je neka vrsta bakarne ploče. Ali, se mnogo više izmena viđa na katodi. Tako recimo, ukoliko govorimo o bateriji za Tesla Model S katoda je napravljena od legure LiNiCoAlO2. Na gornjoj fotografiji možete videti kako izgleda to jedinjenje u praškastom obliku bez litijuma.

Međutim, kada govorimo o baterijama za njihov kućni punjač, koji kad ne puni vaš automobil može da služi kao izvor energije za vaše kućne aparate, govorimo o leguri LiNiMnCOO2.

No, vratimo se na onu leguru za automobilske baterije. Nikl je mnogo skuplji od kobalta. Ali je zato nikl i mnogo bitniji za rad baterije i povećanje njegovog sadržaja, pa će dosta učiniti za kvalitet baterije. Zato uprkos višoj ceni, baterije će u budućnosti imati veći sadržaj nikla.

Tesla je već izvršio neku klasifikaciju svojih proizvoda i te „čistije i bolje“ baterije su planirane za njihove kamione i najbolje automobile. Nazovimo ih „vozilima srednje kategorije“, a ona će ostati na identičnim baterijama kao što su koristila i do sada.

Ogroman napredak se očekuje zamenom grafita sa silicijumom. Silicijum bi doneo značajan napredak jer bi ista anoda od silicijuma u odnosu na onu od grafita mogla da primi 10 puta više jona litijuma. Ipak, ovo se trenutno ne koristi u baterijama zbog činjenice da silicijum prilikom punjenja znatno uvećava svoju masu.

Tesla Motors je ovaj problem rešio tako što su posebnom metodom napravili zaštitni sloj oko anoda na bazi neobrađenog silicijuma i na taj način ih zaštitili od oštećenja koje nastaje uvećanjem prilikom širenja elementa. Očekuje se da ovo da povećanje u autonomiji EV bude na nivou od oko 20%.

Baterije 1865 su u upotrebi od 2008. godine i prvih Teslinih modela. Vremenom su zamenjene sa 2170, koje su te 2017. godine ubačene u upotrebu i na taj način dale povećanje energije u vozilima od 50%. Za devet godina se otišlo 50% napred. Ove godine su najavili „tabless“ bateriju koja će imati oznaku 4680 i trebalo bi da donese pravi proboj po pitanju punjenja i dometa.

Dodajte ne sve činjenicu da će im baterije uskoro biti i strukturni (noseći) element samog vozila i slobodno možemo reći da se daleko otišlo od jedne male baterije koja daje 3,6V zar ne?

Vreme je da zastanemo, ima mnogo toga ovde rečenog za šta je potrebno vreme da se obradi. A i pauza prija. Bar će meni. U svakom slučaju ako mislite da sam nešto propustio ili vas još nešto zanima, recite. Ako ne znam – saznaću nekako pa da pričamo još malo. Koristiće nam svima u nekoj bližoj ili daljoj budućnosti.

Dejan Stanković

(1155)

Komentari objavljeni na portalu "Auto Republika" ne odražavaju stav vlasnika i uredništva, kao ni korisnika portala. Stavovi objavljeni u tekstovima pojedinih autora takođe nisu nužno ni stavovi redakcije, tako da ne snosimo odgovornost za štetu nastalu drugom korisniku ili trećoj osobi zbog kršenja ovih Uslova i pravila komentarisanja. Strogo su zabranjeni: govor mržnje, uvrede na nacionalnoj, rasnoj ili polnoj osnovi i psovke, direktne pretnje drugim korisnicima, autorima novinarskog teksta i/ili članovima redakcije, postavljanje sadržaja i linkova pornografskog, politički ekstremnog, uvredljivog sadržaja, oglašavanje i postavljanje linkova čija svrha nije davanje dodatanih informacija vezanih za tekst. Redakcija "Auto Republike" zadržava pravo da ne odobri komentare koji ne poštuju gore navedene uslove.
guest
32 Komentara
Inline Feedbacks
View all comments
Joško

Moglo bi nešto i o ovome, ovako jednostavnim jezikom…..

https://ukcsc.co.uk/earth-power-hemp-batteries-better-than-lithium-and-graphene/

Stari Dejan

Videćemo, videćemo… 🙂

BojanNeki

Interesantno 🙂

moron

Šta je nejbitnije kod EV-a? Ako je to baterija i ako su Tesline baterije trenutno najbolje, zar Tesla ne pravi trenutno najbolje EV samohotke ?
Ali, ipak, neke stvari gore su mi zastrašujuće ( „važnije je da dozvoljavaju zamenu samo “dotrajalog modula” što je daleko prihvatljivije i cena se kreće oko pet do sedam hiljada američkih dolara za jedan od četiri modula“ ).

BojanNeki

Kao što je Dejan spomenuo u odličnom tekstu da će buduće Tesle imati baterije u podu kao strukturu automobila povećavajući im rigidnost iznad svih postojećih automobila na svetu, a to isto može da znači da postoji informacija između redova. Tumačio bih to da baterije u takvim vozilima jednostavno neće biti izmenjive što bi se najverovatnije prevodilo u to da za time neće biti ni potrebe odnosno da će baterije biti trajnije od samog automobila. Kako je najavljeno prvi njihov automobil sa ćelijom 48600 će biti model Y napravljen u Berlinu. Ta velika ćelija donosi više poznatih novosti ali njene glavne… Pročitaj više »

BojanNeki

Da dodam da se model 3/Y trenutno prave sa 4 modula i da je informacija o ceni zamene modula iz aprila 2019. Sadašnju cenu ne znamo.
„Replacing modules (not pack) will only cost $5k to $7k.“

comment image

Izmenjeno 10 meseci pre od strane BojanNeki
Stari Dejan

Po mom mišljenju, najvažnija stvar kod EV su baterije. Jer motor je tu najbolji i najkonstantniji „izvođač radova“. Rekoh u onom prvom delu, njihova efikasnost je 90%, a motori nove generacije bez problema idu i do 94%. Ali baterije su te u koje su svi pogledi upereni. Domet, brzina punjenja i performanse u ekstremnim vremenskim uslovima čine bitne stavke koje se moraju popraviti svakako. Ali kao korisniku, možda ti je najbitnija njihova dugotrajnost i cena. Vidi ovako, po proverenim informacijama iz 2015-e, paket od 85 kWh ima 7104 baterije i cenu od nenormalnih 44 000$. Čekaj samo da Don vidi… Pročitaj više »

BojanNeki

Model 3, zamenjena kompletana baterija (battery pack) ne pojedinačni moduli. Osiguranje platilo, 2019.
Tako da je apsolutno logično da je zamena svih modula između 5-7.000 US dolara.

comment image

Don

A gle, mislim da je Musa u pravu , toliko puta smo pričali o ovome da čovjeku dodje samo copy paste. Za seratore: u De par ulica u strogom centru pokojeg grada zabranjeno nekim dizelima, ukratko jebe nam se za par ulica. Idalje vozila sa euro 4 imaju zelenu plaketu, eno ti onaj test Citroena C5, znači bar 30 godina ništa neće biti, na koncu konca i onaj iz dzukela je rekao da će praviti dizel sve dok postoji potražnja za njima, a biće je, eno pogledaj na Sat emisiju gdje su „testirali “ onaj Audi e tron, jedva 260km… Pročitaj više »

moron

I mi ćemo živeti večno, zar ne Done ?
Ili, ipak nećemo ?
🙂
Srećom (ili nesrećom?), ti i ja samo suviše matori da bismo doživeli dan kada će drumovima da se vozi samo EV 🙂

BojanNeki

Da vas ne dotučem copy paste prognozama, ali evo jedna logična iz 2014.

comment image

BojanNeki

O Dildo naš, nije pitanje da li će te ovo dotući nego kada.
Mnogo se brinemo.
I ne bih znao ko ti je Musavi brat.

Izmenjeno 10 meseci pre od strane BojanNeki
Stari Dejan

Da te preduhitrim: cenu 5000-7000 sam postavio jer je to nešto čemu oni (Tesla) teže, a sa stvarima koje bi trebalo da se dese naredne godine sa ekstremnim pojednostavljenjem (čitaj pojeftinjenjem) izrade anoda i prebacivanjem fokusa na bateriju 4680, mislim da je skroz realno da cena seta sa zamenom bude 5000-7000

moron

Sve u svemu, maltene manje košta zameniti celo vozilo, nego „posle“ baterije 😊

BojanNeki

Laički tako može da se kaže ali je i daleko od istine.
Ako danas kupiš novu Teslu bateriju o svom trošku nećeš morati da menjaš u narednih 8 godina.
Ako pogledaš koliko je pala cena baterija u prošlih 8 godina pa u to ubaciš informacije o napretku baterija i konkurencije pa iz toga probaš da projektuješ cenu koja će biti za 8-10 ili više godina. Još ako u formulu ubaciš da su najavljene baterije koje će trajati 1.6 ili 2 miliona kilometara…

BojanNeki

I kao što napisah malo iznad pretpostavka je da baterije neće ni moći da se menjaju ako budu zavarene u pod automobila kako je najavljeno za budući model Y iz Berlina.

moron

Možda je najbolje sačekati neku novu/sledeću generaciju Tesle 3. Suviše je sve to sa EV rano sada. Za 5-6 godina ćemo videti gde je tehnološki u tom trenutku Tesla, a gde su svi ostali. I gde je infrastruktura.

Stari Dejan

Apsolutno si u pravu. Glavna odlika „Tesle“ je njihova fleksibilnost. Recimo, oprema i tehnologija koju onu koriste za izradu vozila se vodi kao „četvrta generacija“. Ako računamo da su krenuli (2008. sa onim roadsterom) 2012 sa Modelom S, ispada da se na svake dve godine vrši smena generacija kad je proizvodni pogon i proces u pitanju. Tako da je realno očekivati dosta drugačiji proizvod za nekih 5-6 godina

Stari Dejan

Kao što reče Bojan, garancija na baterije je 100-150 000 milja (160-240 000 km) ili 8 godina, šta dođe prvo. E sad, koliko je to u odnosu na klasične automobile u smislu života jednog motora, procena je koju svako od nas mora lično da uradi. Dosadašnje iskustvo govori da ove baterije potraju do nekih 400 ili 500 000 km

moron

Nije mene strah da će meni da crkne baterija za 8 godina, već da za 8 godina to niko neće od mene hteli da kupi za iole razumne pare, pošto će to za 8 godina potpuno da zastari.

Stari Dejan

O da, apsolutno si u pravu.

BojanNeki

Nije te strah da za 8 godina nećeš moći da prodaš fosilnu Hondu? 😉

moron

Ne, to me nije strah, nezavisno od brenda.
Ali jesam uznemiren idejom da „jednog dana“ neću moći da kupim SUS. Ali, sve se tešim da ću i za 10-ak godina ipak imati mogućnost izbora i da ću imati prilike da izeberem ono što u tom trenutku procenim da mi više odgovara. Iz ove perspektive ne vidim mogućnit da ću reći da je to EV, ali, sačekajmo tih 10-ak godina, da vidimo kakve će tada biti okolnosti, možda tada EV (za mene) bude bolji izbor.

Branko

Mitsubishi također ima modularnu građu baterije, ali sa 10 modula. Pojedini modul košta oko 1.100 EUR + PDV, a kompletan baterijski sustav (kontroleri, računala, hlađenje, kućište oko 7.500 EUR + PDV).

BojanNeki

A kapacitet baterije je? 12 kWh?
Ako je tako nije li mnogo za jedan modul od 1.2 kWh 1.100€ + pdv?
Teslina cena po kWh ispada oko 4x manje, pod pretpostavkom da je cena modula $7000.

BojanNeki

Tesla je u velikoj prednosti i kada je tkzv. „temperature management“ u pitanju a radi se naprednom sistemu regulisanja i korišćenja temperature današnjih baterija, motora i kabine. Time se baterije dovode do maksimalnog stepena iskorišćenja i produženog veka trajanja.
Kao primer kada treba da svratite do (brzog) punjača poželjno je na mapi postaviti punjač kao destinaciju, tada Tesla priprema idealnu temperaturu baterije kako bi punjenje potom bilo najbrže. U današnjim modelima je to još efikasnije jer je sistemu pridodata toplotna pumpa.

s mile

Laik sam za baterije i svu ovu hemiju. ALI iz sopstvenog iskustva rada u industiji, sa nekoliko elektro viljuškara mogu reći sledeće. Trakcione baterije na viljuškaru, koji radi po dve smene, u sezoni, i saberu bar 4 h rada u smeni, traju sa manjim problemima, do 8 godina. Ti problemi se i ne javljaju prvih par godina, a kasnije zna da ode neka ćelija, ili neki kontakt. Više je to stvar održavanja, jer svako ih vozi, a nekako su zadnja rupa na svirali, kada je u pitnju održavanje istih. Generalno, puni, i vozi. E sad, kada je u pitanju npr… Pročitaj više »

moron

Možda nisam pažljivo čitao (mada, mislim da jesam), ili sam jednostavno glup i/ili zaboravan, ali „FRIKCIONA“ baterija (neki pominju i u komentarima), to „frikciono“, šta je u nazivu i u naravi?

Stari Dejan

Ja pominjao trakcione a ne frikcione. Trakcione, stacionarne I startne. Bilo u prvom delu 🙂

moron

Hvala. Moja života priča, ne čitam pravilno, a odavno i ne pamtim duže od ribice …

РаШоМоН

Зар се напредак не очекује превенствено од Solid state battery (брже се пуне, јефтиније за израду, већи капацитет)?
Скоро је била вест да Тојота планира следеће године да представи комерцијалну Solid state battery, при чему обећавају да се за 10 минута напуни довољно за 500km вожње:
https://www.slashgear.com/toyota-plans-to-debut-an-ev-using-solid-state-batteries-in-2021-20651909/

Stari Dejan

Ako pročitaš prvi deo rečeno je da se najveći napredak očekuje kod baterija i tu smo, kao one koje tek dolaze naveli i „solid state“ baterije. Ali pošto su one i dalje samo najava i nešto što treba da se pojavi u narednim godinama fokus je na onome što se trenutno nudi potrošačima- litijum jonske baterije.