מבוא לסיווג ויתרונות וחסרונות של סוללות רכב

סוללות כוח רכב הן רכיבי הליבה של כלי רכב חשמליים. סוללות של מסלולים טכניים שונים משתנות באופן משמעותי בתרחישים של ביצועים, עלות ותרחישים רלוונטיים. להלן ניתוח של הסיווגים העיקריים והיתרונות והחסרונות שלהם.

1. סוללות ליתיום-יון (טכנולוגיית הזרם המרכזי)

סוללות כוח ליתיום-יון, המכונות סוללות ליתיום, הן סוללות המשתמשות בסגסוגת ליתיום או ליתיום כחומרי אלקטרודה שליליים ופתרונות אלקטרוליטים לא מימיים.

1. סוללות ליתיום טרנריות (NCM/NCA)
חומרי קתודה: תחמוצות של ניקל (NI), קובלט (CO), מנגן (MN) או אלומיניום (AL).

יתרונות:

צפיפות אנרגיה גבוהה (200-300 wh/kg) וטווח נסיעה ארוך;

ביצועים טובים בטמפרטורה נמוכה (עדיין יכולים לשמור על קיבולת גבוהה בתואר {1}});

יכולת טעינה מהירה חזקה.

חסרונות:

עלות גבוהה (תלוי במתכות נדירות כמו קובלט וניקל);

יציבות תרמית לקויה (בורח קל לטרוף, הדורש הגנה על BMS מורכבת);

חיי מחזור קצרים (בערך 1000-2000 פעמים).

יישום: מכוניות נוסעים מתקדמות (כמו טסלה וניו).

2. סוללת פוספט ברזל ליתיום (LFP)
חומר קתודה: ליתיום ברזל פוספט.

יתרונות:

בטיחות גבוהה (יציבות טובה בטמפרטורה גבוהה, לא קל להתפוצץ);

חיי מחזור ארוכים (3000-5000 פעמים);

עלות נמוכה (אין תלות במשאבי קובלט וניקל).

חסרונות:

צפיפות אנרגיה נמוכה (150-200 wh/kg);

ביצועי טמפרטורה נמוכה ירודה (-10 קיבולת התואר יורדת באופן משמעותי);

פלטפורמת מתח נמוך, יש לחבר יותר תאים בסדרה.

יישום: כלי רכב חשמליים נמוכים, כלי רכב מסחריים (כגון סוללות BYD Blade).

3. סוללות ליתיום-יון אחרות
תחמוצת ליתיום קובלט (LCO): צפיפות אנרגיה גבוהה, אך עלות גבוהה ובטיחות ירודה, המשמשת בעיקר באלקטרוניקה צרכנית.

תחמוצת ליתיום מנגן (LMO): עלות נמוכה, בטיחות טובה, אך חיים קצרים, המשמשים במודלים היברידיים.

2. סוללת ניקל-מתכת הידריד (טכנולוגיית מעבר)

סוללת ניקל-מתכת הידריד היא סוללה משנית שניתן לטעון ולהשתחרר שוב ושוב. זהו סוג חדש של סוללה ירוקה שפותחה בשנות התשעים כדי להחליף סוללות ניקל-קדמיום מסורתיות.

יתרונות:

בטיחות גבוהה (עמידות יתר/פריקה);

ביצועים טובים בטמפרטורה נמוכה (זמינים בתואר -30);

הגנה על הסביבה (ללא זיהום מתכות כבדות).

חסרונות:

צפיפות אנרגיה נמוכה (60-120 wh/kg);

שיעור פריקה עצמית גבוהה (כ- 30% בחודש);

עלות גבוהה (המכילה מתכות נדירות).

יישומים: כלי רכב היברידיים (כגון טויוטה פריוס), מעבר מסילה, סוללות גיבוי, בתים חכמים.

3. סוללת עופרת חומצה (מבוטלת בהדרגה)

סיווג: סוללת חומצת עופרת רגילה, AGM (משופרת).

יתרונות:

עלות נמוכה במיוחד (טכנולוגיה בוגרת);

ביצועים טובים של פריקה גבוהה (מתאימים לאספקת חשמל התחלה).

חסרונות:

צפיפות אנרגיה נמוכה במיוחד (30-50 wh/kg);

חיי מחזור קצרים (300-500 פעמים);

זיהום קשה (מכיל עופרת וחומצה גופרתית).

יישום: רכבים חשמליים במהירות נמוכה, סוללות התחלת רכב דלק.

4. סוללות במצב מוצק (טכנולוגיה עתידית)
ניתן להבין סוללות במצב מוצק כסוללות המשתמשות באלקטרוליטים מוצקים. סוללות במצב מוצק אינן ניתנות לדליקה, אינן מייצרות אלקטרוליטים נוזליים ואינם מאכלים. לכן הם דרך יעילה לפתור בעיות בטיחות סוללות.

תכונות טכניות: החלף אלקטרוליטים נוזליים באלקטרוליטים מוצקים.

יתרונות:

צפיפות אנרגיה תיאורטית גבוהה (400+ wh/kg);

שיפור מאוד בטיחות (ללא דליפה, לא דליקה);

חיי מחזור ארוכים (עד 10, 000 פעמים).

חסרונות:

עלות גבוהה במיוחד (תהליך ייצור מורכב);

בעיות עכבות ממשק שיש לפתור;

עדיין לא מסחור בהיקף גדול.

התקדמות: טויוטה, CATL וחברות אחרות צפויות לתוצרת המונית עד שנת 2030.

5. סוללת נתרן-יון (טכנולוגיה מתעוררת)

יתרונות:
חומרי גלם עשירים (משאבי נתרן רחבים);

ביצועים מצוינים בטמפרטורה נמוכה (קיבולת 80% בתואר -40);

עלות נמוכה (30% נמוכה מ פוספט ברזל ליתיום).

חסרונות:

צפיפות אנרגיה נמוכה (100-160 wh/kg);

יש לשפר את חיי המחזור (כרגע בערך 2, 000 פעמים).

יישומים: אחסון אנרגיה, רכבים חשמליים במהירות נמוכה (CATL שיחררה מוצרים).

6. תא דלק (אנרגיית מימן)
תאי דלק הוא מכשיר לייצור חשמל המומר ישירות מימן וחמצן בעל טוהר גבוה לאנרגיה חשמלית באמצעות תגובות כימיות.

עקרון: לייצר חשמל באמצעות תגובת מימן-חמצן, והמוצר הוא מים.

יתרונות:

צפיפות אנרגיה גבוהה במיוחד (אחסון מימן הוא פי 10 מזה של סוללות ליתיום);

מימן מהיר (3-5 דקות);

אפס פליטות.

חסרונות:

עלות גבוהה (זרז פלטינה, טכנולוגיית אחסון מימן);

היעדר תשתיות (מעט תחנות מימן);

ייצור מימן מסתמך על אנרגיה מאובנים.

יישום: כלי רכב מסחריים, משאיות כבדות (כמו טויוטה מיראי).

טבלת השוואה סיכום

מגמות ואתגרים
טווח קצר: ליתיום ברזל פוספט (הפחתת עלות) וליתיום טרנרי (חיי סוללה ארוכים) מתקיימים יחד;

טווח בינוני: סוללות נתרן יון משלימות את השוק הנמוך, וסוללות במצב מוצק ממוסחרות בהדרגה;

לטווח הארוך: תאי דלק מימן עשויים להפוך לכוח העיקרי של משאיות/תעופה כבדות, אך הם מסתמכים על בגרותה של שרשרת התעשייה המימן הירוקה.