طراز Tesla Shanghai 3 قد يصبح خاليًا من الكوبالت باستخدام خلايا CATL's LFP - الغوص بشكل أعمق

تجري شركة Tesla محادثات مع شركة CATL * المنتجة للبطاريات لتزويد خلايا الليثيوم والحديد والفوسفات (LFP) لطراز تسلا موديل 3 المصنوع في شنغهاي ، وفقًا لتقرير صادر عن رويترز. تعد خلايا LFP أقل كثافة في الطاقة من خلايا NCA النموذجية في Tesla ، ولكنها أرخص وأبسط في التعبئة ولا تتطلب معادن نادرة (الكوبالت والنيكل). إنها مثالية لزيادة خفض تكلفة طراز Tesla Model 3 Standard Range Plus مع الاستمرار في توفير النطاق المناسب.

إيجابيات وسلبيات بطارية ليثيوم الحديد والفوسفات

تكتسب جميع كيمياء خلايا الليثيوم أيون تحسينات ثابتة في كثافة الطاقة وتستفيد من التخفيضات في التكلفة. حتى الآن ، بالنسبة لتطبيقات المركبات الكهربائية الحساسة للوزن ، تم تفضيل خلايا أيون الليثيوم مع كاثودات النيكل والكوبالت والمنغنيز (NCM) أو كاثودات النيكل والكوبالت والألومنيوم (NCA) لكثافة طاقتها العالية.

كانت كاثودات الحديد والفوسفات الأقل كثافة قليلًا في الطاقة مناسبة تمامًا للحافلات الكهربائية والمركبات الثقيلة الأخرى (شاحنات الصرف الصحي ، وما إلى ذلك) ، والتي لها متطلبات نطاق متواضعة ولكنها تتطلب دورات عمل تتطلب أكثر من 90 ٪ من هذا السوق. يمكن عادةً شحن وتفريغ LFP عند مستويات طاقة أعلى من NCM و NCA أبناء عمومتهم (دعنا نسمي هذه NCx) ، ويمكنهم تحمل المزيد من دورات الاستخدام قبل التدهور ، مما يعطي عمرًا أطول في التطبيقات عالية الخدمة مثل الحافلات.

مع التقدم المستمر في الكيمياء ، بدأت خلايا LFP الآن في الوصول إلى كثافة الطاقة (سواء من حيث الوزن والحجم) التي يمكن أن تكون منطقية للسيارات الكهربائية ذات النطاق اللائق ، خاصة تلك التي تستخدم الطاقة بكفاءة ، مثل Tesla Model 3 SR + ، والتي لديها تصنيف نطاق وكالة حماية البيئة (EPA) بطول 250 ميلًا.

على الرغم من أن حزمة ~ 55 كيلو واط في الساعة من SR + مع خلايا LFP قد تزن 40-60 كجم (حوالي 10-15 ٪) أكثر من إصدار NCA من العبوة ، إلا أن هذا يمثل حوالي 3 ٪ فقط من وزن السيارة الإجمالية ، و لا يزال تحت وطأة متغيرات الطراز 3 طويلة المدى. يتم تعويض الوزن المضاف الطفيف بسهولة عن طريق إضافة 1 أو 2 كيلو وات ساعة أخرى من الطاقة للحفاظ على النطاق الكلي كما هو ، وربما تعديل قوة ذروة المحرك للحفاظ على ذروة التسارع كما هي.

لا تزال كثافة الطاقة العالية للبطاريات التي تستخدم كيميائية NCx تمنحها ميزة للمركبات الكهربائية التي تحتاج إلى تقديم المزيد من الطاقة لنطاق أقرب إلى 300 ميل (أو أكثر). ستستمر متغيرات Tesla طويلة المدى في استخدام هذه الكيماويات الناشئة عالية الكثافة في المستقبل المنظور.

في المركبات الكهربائية التي لا تحتاج إلى كثافة طاقة قصوى ، تتمتع LFP بمزايا العمر الطويل ، ومعدلات الشحن المرتفعة ، وربما الأهم من ذلك ، القدرة التنافسية من حيث التكلفة دون التعرض لخطر أي قيود على إمدادات المعادن ، سواء الآن أو في المستقبل.

لا قيود معدنية

تشتهر سلسلة توريد الكوبالت المطلوبة لبطاريات NCx بأنها معقدة. إن رواسب الكوبالت القابلة للتطبيق تجاريًا غير شائعة على مستوى العالم ، وتوجد بعض أكثرها قابلية للحياة في جمهورية الكونغو الديمقراطية (DRC) ، التي توفر حوالي ثلثي سوق الكوبالت العالمي. على الرغم من أن معظم إمدادات جمهورية الكونغو الديمقراطية تأتي من تقنيات التعدين الحديثة ، اعتبارًا من عام 2016 ، كان ما يصل إلى 20٪ من الإمداد من "التعدين الحرفي" الذي غالبًا ما يشمل الأطفال وظروف العمل غير الآمنة. من الواضح أن الارتباط بهذا الشكل من التعدين ينطوي على مخاطر تشويه سمعة شركات صناعة السيارات (من بين الصناعات الأخرى التي تستخدم البطاريات) ، حتى تلك (مثل تسلا) التي التزمت بعدم الحصول على الكوبالت من هذه المنطقة أو المناطق الأخرى التي تعاني من مثل هذه المشاكل. أيضًا ، نظرًا لأنه ليس من الممكن دائمًا الحصول على تتبع دقيق لسلسلة التوريد بنسبة 100٪ ، فقد تعرضت تسلا وشركات صناعة السيارات الأخرى لضغوط لتقليل محتوى الكوبالت في الخلايا.

نستخدم أقل من 3٪ كوبالت في بطارياتنا ولن نستخدم أيًا منها في الجيل التالي

- Elon Musk (elonmusk) ١٣ يونيو ٢٠١٨

لقد حققت تسلا بالفعل تقدمًا كبيرًا في جهودها لتقليل الكوبالت. في حين أن أحدث جيل من كاثودات NCM 811 تحتوي على 10٪ فقط من الكوبالت ، فإن كاثودات NCA من Tesla لا تزال أقل. في يونيو 2018 ، ادعى ماسك أقل من 3٪ ويتجه نحو لا شيء ، ومن المحتمل أن يكون أقل من 3٪ الآن. من الواضح أن تحويل أحد منتجات Tesla الأعلى حجمًا (النطاق القياسي من طراز Shanghai 3) إلى خلايا LFP خالية تمامًا من الكوبالت - الآن بعد أن وصلت كيمياء LFP إلى عتبة كثافة الطاقة - سيكون بمثابة فوز في هذا الصدد.

أشارت فولكس فاجن أيضًا إلى أنها تعتزم استخدام أحدث خلايا LFP الكيميائية لمركباتها الكهربائية ذات الحجم الكبير في السوق الصيني. يمكن أن تقوم فولكس فاجن أيضًا بذلك من أجل ID.3 ذي النطاق القياسي والمركبات الكهربائية القادمة الأخرى للأسواق الأوروبية والأمريكية. على الرغم من ذلك ، فإن متغيرات فولكس فاجن الأطول مدى (والتي لن تكون البائعين الأكبر حجمًا في أوروبا أو الصين) ستظل على الأرجح بحاجة إلى كيماويات NCx للأسباب التي تمت مناقشتها أعلاه.

عدم الحاجة إلى النيكل ميزة أخرى لخلايا LFP. على الرغم من أن استخدام النيكل في بطاريات السيارات الكهربائية يتناسب مع حجم العرض في 2019-2020 (يتطلب حوالي 6٪ من المعروض العالمي من النيكل عالي الجودة) ، حيث تنتقل مبيعات المركبات الكهربائية من 2.5٪ من السوق إلى 25٪ ، فمن الواضح أن ذلك سيتطلب إضافات كبيرة إلى إمدادات النيكل إذا كانت الكيماويات NCx لا تزال مفضلة.

تتكون كاثودات LFP من الحديد والفوسفات والأكسجين وأحيانًا المنغنيز. مواد الخلايا الرئيسية الأخرى هي أملاح الليثيوم ، وفواصل البوليمر ، وأنودات الجرافيت ، ومجمعات التيار النحاسية والألمنيوم ، وغلاف الألمنيوم. كل هذه العناصر متوفرة بالفعل من حيث المبدأ ، ومعظمها يتم تعدينها على نطاق واسع (أو تصنيعها) بكميات كبيرة نسبيًا مقارنة بالاحتياجات الحالية والمستقبلية للمركبات الكهربائية. سيحتاج تعدين الليثيوم إلى مطابقة الحجم مع الطلب المتزايد على المركبات الكهربائية. على الرغم من أنها في الواقع نسبة صغيرة من الخلية بالوزن. وكدعم ، عند الحد الأقصى ، يوجد الليثيوم في مياه البحر ويمكن استخراجه بتكلفة لا تزال تسمح بالمركبات الكهربائية الميسورة التكلفة ، إذا ثبت أن المصادر التقليدية بطيئة في الارتفاع أو مقيدة اقتصاديًا أو سياسيًا.

باختصار ، هناك مجموعة متنوعة من الكيماويات المعدنية المحتملة التي يمكنها تخزين الطاقة الكهربائية ، على الرغم من أن بعضها له تاريخ أطول وهو حاليًا أكثر قابلية للتطبيق من الناحية التجارية من غيرها. لا تزال كيمياء NCx تتمتع بأفضل توازن بين التكلفة وكثافة الطاقة للمركبات الكهربائية طويلة المدى وعالية الأداء. تصل كيمياء LFP الآن إلى كثافة الطاقة التي تتوافق مع احتياجات المركبات الكهربائية متوسطة المدى ، مع جلب نقاط القوة الأخرى (الشحن ، وطول العمر ، والسلامة) والتكلفة المنخفضة. كما أنها خالية بشكل فعال من أي قيود معدنية يتم تسويتها في بعض الأحيان في كيمياء NCx.

إن تعدد نُهج سلسلة التوريد المعدنية لبطاريات المركبات الكهربائية يعني أن السوق متنوع بشكل أساسي - وعلى المدى الطويل - مرن في مواجهة أي قيود معدنية معينة قد تنشأ. هذه الحقيقة في حد ذاتها تقلل من احتمال أن يصبح معدن واحد "حرجًا" ، حيث سيتم استبداله قبل ظهور هذا الضغط. إذا كان التعاون المبلغ عنه بين Tesla و CATL على خلايا LFP يؤتي ثماره ، بالإضافة إلى تعاونهما في خلايا NCx ، فستستفيد كلتا الشركتين من التنويع وزيادة وفرة سلسلة التوريد المعدنية وتقليل المخاطر.

تطورات صناعة LFP

لقد رأينا مرة أخرى في ديسمبر أن العديد من مصنعي البطاريات الصينيين يطورون تقنية LFP الخاصة بهم. من بين أكبر مشغلات LFP CATL و Guoxuan و Lishen و EVE و BYD و BAIC. كانت Guoxuan تنتج بالفعل 190 خلية / كجم من خلايا LFP في عام 2019 وتدفع الآن نحو 200 واط / كجم:

قالت الشركة إن #Guoxuan ستطور 200 Wh / kg #LFP #cell بحلول عام 2021.

وأضافت الشركة أن Guoxuan قامت بالفعل بتركيب 190 خلية / كجم من خلايا LFP على مركبات ذات مدى يزيد عن 400 كيلومتر. pic.twitter.com/vJtYEPQjKS

- Moneyball (DKurac) ١٥ ديسمبر ٢٠١٩

تهدف CATL و BAIC وغيرهما أيضًا إلى إنتاج 200 واط / كجم:

منذ يونيو ، قال أربعة من مصنعي البطاريات #China # NEV / # EV # إنهم طوروا تقنية خلية إلى حزمة (# C2P). # BYD's CTP ليتم استخدامها في بطاريتها الفائقة #LFP ، والمتوقع إطلاقها في مايو أو يونيو 2020.

تقول إنها تزيد كثافة الطاقة الحجمية بنسبة 50٪ وتخفض تكاليف التصنيع بنسبة 30٪. pic.twitter.com/WhNx2G1Ycw

- Moneyball (DKurac) ٢٣ نوفمبر ٢٠١٩

تشير تقنية Cell-to-pack إلى الأساليب المبتكرة لتصميم حزمة البطاريات ، لتحسين نقاط القوة في خلايا LFP. عادةً ما تكون الخلايا أكثر تحملاً للحرارة من خلايا NCx ، وأقل عرضة للهروب الحراري ، لذلك من المحتمل أن تحتاج إلى وزن وحجم أقل نسبيًا من مواد التبريد والتعبئة. هذا يعني أنه على الرغم من أن خلايا LFP نفسها قد تكون حوالي 66 ٪ فقط من كثافة الطاقة لخلايا NCx الرائدة ، إلا أنها يمكن أن تغلق هذه الفجوة على واجهة العبوة. وبالتالي يمكن لحزمة LFP الحصول على حوالي 70-80٪ من كثافة الطاقة لحزم NCx.

من المحتمل أن يكون هذا أكثر من كثافة طاقة مناسبة للعديد من المركبات الكهربائية متوسطة المدى ، مع تعزيز مزايا تكلفة LFP $ / kWh على مستوى العبوة ، وهو ما يهم في نهاية اليوم. تفيد التقارير أن حزم LFP من CATL تقدم بالفعل أكثر من 20٪ ميزة تكلفة لكل كيلو وات في الساعة ، مقارنة بحزم NCM 811 ، وفقًا لـ Autohome:

قد تكلف حزمة Tesla Shanghai Model 3 #NMC #battery المقدمة من #CATL ￥ 63.5 K-76.2 K ، تقارير SPIR

أبلغ Autohome سابقًا عن تكلفة حزمة بطارية CATL 2019 NMC عند ￥ 1-1.2 / Wh ، #LFP عند ￥ 0.8 / Wh. pic.twitter.com/7HjKTFbHdn

- Moneyball (DKurac) ٨ فبراير ٢٠٢٠

نحن نعلم أن Tesla لديها نهجها الخاص في تغليف البطاريات لخلاياها الأسطوانية التقليدية NCA ، لذلك سيكون من المثير للاهتمام معرفة كيفية عملها مع خلايا CATL LFP. سيعتمد الكثير على ما إذا كانت خلايا LFP هذه أسطوانية أيضًا أو في شكل كيس. إذا كان هذا الأخير ، فمن المحتمل أن تعتمد Tesla على CATL في بعض جوانب تقنية التغليف ، أو تتعاون مع شركة البطاريات الصينية.

هل سنرى في الواقع بطاريات LFP المستخدمة في بعض سيارات Tesla's Standard Range؟ هل ستقتصر هذه على السوق الصينية أم ستأتي أيضًا إلى الأسواق الأخرى التي تحظى فيها SR + بشعبية؟ هل سيأخذ الطراز Y SR + ، وطراز Tesla المستقبلي الأكثر تكلفة ، هذا المسار أيضًا؟

من وجهة نظري ، من المنطقي أن تتبع تسلا هذا النهج المرن. طالما تم استيفاء الحد الأدنى من المعلمات من حيث كثافة الطاقة (النطاق) ، وسرعة الشحن ، وطول العمر ، والاستقرار ، فإن المعيار الرئيسي هو التكلفة لكل كيلو وات ساعة من الطاقة. ضمن هذه المتطلبات ، لا تعتبر Tesla متشددة بشأن مسارها التكنولوجي ، وتستخدم بالفعل موردين متعددين (وعوامل شكل) لخلاياها. قد تتمتع LFP بميزة طويلة الأجل من حيث التكلفة مقارنةً بـ NCx ، وذلك ببساطة لأن مكوناتها المعدنية متوفرة على نطاق واسع وهي محصنة بشكل أساسي من الاختناقات وارتفاع الأسعار. قد يصبح هذا أكثر وضوحًا مع زيادة الطلب على المركبات الكهربائية بسرعة من 2.5٪ من السوق اليوم إلى غالبية السوق ، وبالتأكيد في أوروبا والصين ، في غضون عقد من الزمن.

سوف نتعلم المزيد عن خطط Tesla للبطاريات في يوم مستثمر البطارية و Powertrain المخطط لها في وقت ما في الأشهر القليلة القادمة. يرجى القفز أدناه مع تعليقاتك إذا كان لديك المزيد من الأفكار حول هذا الموضوع.

* الإفصاح: كانت CATL الراعي لأحدث تقرير لدينا ، سائقي السيارات الكهربائية: المطالب ، الرغبات والأحلام.

جميع الصور من باب المجاملة تسلا