Што такое літый-іённыя батарэі

1 Што такое літый-іённыя батарэі？

Акумулятар - гэта крыніца электрычнай энергіі, якая складаецца з аднаго або некалькіх электрахімічных элементаў з вонкавым злучэннем для харчавання электрычных прылад Літый-іённы або літый-іённы акумулятар - гэта тып акумулятара, які выкарыстоўвае зварачальнае аднаўленне іёнаў літыя для захоўвання энергіі і славіцца сваёй высокай шчыльнасцю энергіі.

2 Структура літый-іённых акумулятараў

Як правіла, у большасці камерцыйных літый-іённых батарэй у якасці актыўных матэрыялаў выкарыстоўваюцца інтэркаляцыйныя злучэнні. Звычайна яны складаюцца з некалькіх слаёў матэрыялаў, якія размешчаны ў пэўным парадку для палягчэння электрахімічнага працэсу, які дазваляе акумулятару назапашваць і вылучаць энергію - анод, катод, электраліт, сепаратар і токапрыёмнік.

Што такое анод?

З'яўляючыся кампанентам батарэі, анод гуляе важную ролю ў ёмістасці, прадукцыйнасці і даўгавечнасці батарэі. Пры зарадцы графітавы анод адказвае за прыняцце і захоўванне іёнаў літыя. Калі акумулятар разраджаны, іёны літыя перамяшчаюцца ад анода да катода, у выніку чаго ствараецца электрычны ток. Як правіла, найбольш распаўсюджаным камерцыйна выкарыстоўваным анодам з'яўляецца графіт, які ў сваім цалкам літаваным стане LiC6 карэлюе з максімальнай ёмістасцю 1339 Кл/г (372 мАг/г). Але з развіццём тэхналогій былі даследаваны новыя матэрыялы, такія як крэмній, каб палепшыць шчыльнасць энергіі для літый-іённых батарэй.

Што такое катод?

Катод прымае і вызваляе станоўча зараджаныя іёны літыя падчас цыклаў току. Звычайна ён складаецца са слаістай структуры слаістага аксіду (напрыклад, аксіду літыя-кобальту), поліаніёна (напрыклад, фасфату літыя-жалеза) або шпінелі (напрыклад, аксіду марганца літыя), пакрытага зборнікам зарада (звычайна зробленым з алюмінія) 

Што такое электраліт?

Як соль літыя ў арганічным растваральніку, электраліт служыць асяроддзем для перамяшчэння іёнаў літыя паміж анодам і катодам падчас зарадкі і разрадкі.

Што такое сепаратар?

Як тонкая мембрана або пласт неправоднага матэрыялу, сепаратар прадухіляе замыканне анода (адмоўнага электрода) і катода (станоўчага электрода), паколькі гэты пласт пранікальны для іёнаў літыя, але не для электронаў. Ён таксама можа забяспечыць стабільны паток іёнаў паміж электродамі падчас зарадкі і разрадкі. Такім чынам, батарэя можа падтрымліваць стабільнае напружанне і зніжаць рызыку перагрэву, узгарання або выбуху.

Што такое токапрыёмнік?

Токапрыёмнік прызначаны для збору току, які выпрацоўваецца электродамі акумулятара, і перадачы яго ў знешні ланцуг, што важна для забеспячэння аптымальнай прадукцыйнасці і даўгавечнасці акумулятара. І звычайна ён звычайна вырабляецца з тонкага ліста алюмінія або медзі.

3 Гісторыя развіцця літый-іённых батарэй

Даследаванні літый-іённых акумулятараў адносяцца да 1960-х гадоў, адным з самых ранніх прыкладаў з'яўляецца батарэя CuF2/Li, распрацаваная НАСА ў 1965 А нафтавы крызіс абрынуўся на свет у 1970-х гадах, даследчыкі звярнулі ўвагу на альтэрнатыўныя крыніцы энергіі, таму прарыў, які прывёў да стварэння самай ранняй формы сучаснай літый-іённай батарэі, быў зроблены з-за малой вагі і высокай шчыльнасці энергіі літый-іённых батарэй. У той жа час Стэнлі Уітынгем з Exxon выявіў, што іёны літыя могуць быць устаўлены ў такія матэрыялы, як TiS2, для стварэння акумулятара. 

Такім чынам, ён паспрабаваў камерцыялізаваць гэты акумулятар, але пацярпеў няўдачу з-за высокага кошту і наяўнасці ў элементах металічнага літыя. У 1980 годзе было выяўлена, што новы матэрыял забяспечвае больш высокае напружанне і быў значна больш устойлівым на паветры, што пазней будзе выкарыстоўвацца ў першай камерцыйнай літый-іённай батарэі, хаця сам па сабе ён не вырашыў пастаянную праблему гаручасці. у тым жа годзе Рашыд Язамі вынайшаў літый-графітавы электрод (анод). А потым у 1991 годзе першыя ў свеце акумулятарныя літый-іённыя батарэі пачалі выходзіць на рынак. У 2000-х гадах попыт на літый-іённыя акумулятары павялічыўся, калі партатыўныя электронныя прылады сталі папулярнымі, што робіць літый-іённыя акумулятары больш бяспечнымі і даўгавечнымі. Электрамабілі былі прадстаўлены ў 2010-х гадах, што стварыла новы рынак для літый-іённых акумулятараў 

Распрацоўка новых вытворчых працэсаў і матэрыялаў, такіх як крамянёвыя аноды і цвёрдацельныя электраліты, працягвала паляпшаць характарыстыкі і бяспеку літый-іённых батарэй. У наш час літый-іённыя акумулятары сталі вельмі важнымі ў нашым паўсядзённым жыцці, таму працягваюцца даследаванні і распрацоўка новых матэрыялаў і тэхналогій для павышэння прадукцыйнасці, эфектыўнасці і бяспекі гэтых акумулятараў.

4. Тыпы літый-іённых акумулятараў

Літый-іённыя батарэі бываюць розных формаў і памераў, і не ўсе яны аднолькавыя. Звычайна існуе пяць відаў літый-іённых батарэй.

l Аксід літыя-кобальту

Літый-кобальта-аксідныя акумулятары вырабляюцца з карбанату літыя і кобальту і таксама вядомыя як кобальтат-літый або літый-іённыя кобальт-акумулятары Яны маюць катод з аксіду кобальту і графітавы вугляродны анод, і іёны літыя мігруюць ад анода да катода падчас разраду, пры гэтым паток змяняецца на зваротны, калі акумулятар зараджаецца. Што тычыцца прымянення, яны выкарыстоўваюцца ў партатыўных электронных прыладах, электрамабілях і сістэмах захоўвання аднаўляльнай энергіі з-за іх высокай удзельнай энергіі, нізкай хуткасці самаразраду, высокага працоўнага напружання і шырокага дыяпазону тэмператур. Але звярніце ўвагу на праблемы бяспекі, звязаныя да патэнцыялу цеплавога ўцёкаў і нестабільнасці пры высокіх тэмпературах.

l Аксід марганца літыя

Аксід марганца літыя (LiMn2O4) з'яўляецца катодным матэрыялам, які звычайна выкарыстоўваецца ў літый-іённых батарэях. Тэхналогія для гэтага віду батарэй была першапачаткова адкрыта ў 1980-х гадах з першай публікацыяй у бюлетэні даследаванняў матэрыялаў у 1983 годзе. Адна з пераваг LiMn2O4 у тым, што ён мае добрую тэрмічную стабільнасць, што азначае меншую верагоднасць цеплавога разгону, які таксама больш бяспечны, чым іншыя тыпы літый-іённых батарэй. Акрамя таго, марганец багаты і шырока даступны, што робіць яго больш устойлівым варыянтам у параўнанні з катоднымі матэрыяламі, якія ўтрымліваюць абмежаваныя рэсурсы, такімі як кобальт. У выніку яны часта сустракаюцца ў медыцынскім абсталяванні і прыладах, электраінструментах, электрычных матацыклах і іншых прыладах. Нягледзячы на ​​свае перавагі, LiMn2O4 горш устойлівы да цыклаў у параўнанні з LiCoO2, што азначае, што яго можа патрабаваць больш частая замена, таму ён можа не падыходзіць для доўгатэрміновых сістэм захоўвання энергіі.

l Фасфат літый-жалеза (LFP)

Фасфат выкарыстоўваецца ў якасці катода ў літый-жалеза-фасфатных батарэях, часта вядомых як літый-фасфатныя батарэі. Іх нізкая ўстойлівасць паляпшае тэрмічную стабільнасць і бяспеку Яны таксама славяцца даўгавечнасцю і доўгім жыццёвым цыклам, што робіць іх найбольш эканамічна эфектыўным варыянтам для іншых тыпаў літый-іённых батарэй. Такім чынам, гэтыя батарэі часта выкарыстоўваюцца ў электрычных роварах і іншых прыладах, якія патрабуюць працяглага жыццёвага цыклу і высокага ўзроўню бяспекі Але яго недахопы абцяжарваюць яго хуткае развіццё. Па-першае, у параўнанні з іншымі тыпамі літый-іённых акумулятараў яны каштуюць даражэй, таму што выкарыстоўваюць рэдкае і дарагое сыравіну. Акрамя таго, літый-жалеза-фасфатныя акумулятары маюць больш нізкае працоўнае напружанне, што азначае, што яны могуць не падыходзіць для некаторых прыкладанняў, дзе патрабуецца больш высокае напружанне. Яго большы час зарадкі робіць яго недахопам у праграмах, якія патрабуюць хуткай падзарадкі.

l літый-нікель марганец аксід кобальту (NMC)

Літый-нікель-марганцева-аксід-кобальт-аксідныя акумулятары, часта вядомыя як акумулятары NMC, вырабляюцца з розных матэрыялаў, універсальных для літый-іённых акумулятараў. Уключаны катод, выраблены з сумесі нікеля, марганца і кобальту Яго высокая шчыльнасць энергіі, добрыя цыклічныя характарыстыкі і працяглы тэрмін службы зрабілі яго першым выбарам у электрамабілях, сеткавых сістэмах захоўвання дадзеных і іншых высокапрадукцыйных прылажэннях, што яшчэ больш спрыяла росту папулярнасці электрамабіляў і сістэм аднаўляльных крыніц энергіі. Для павелічэння ёмістасці выкарыстоўваюцца новыя электраліты і дадаткі, якія дазваляюць зараджацца да 4,4 В/элемент і вышэй. Існуе тэндэнцыя да выкарыстання літый-іённых батарэй з утрыманнем NMC, паколькі сістэма эканамічная і забяспечвае добрую прадукцыйнасць. Нікель, марганец і кобальт - гэта тры актыўныя матэрыялы, якія можна лёгка камбінаваць, каб задаволіць шырокі спектр аўтамабільных сістэм і сістэм захоўвання энергіі (EES), якія патрабуюць частых пераключэнняў.

 З чаго мы бачым, што сямейства NMC становіцца ўсё больш разнастайным

Аднак яго пабочныя эфекты ў выглядзе цеплавога ўцёку, небяспекі пажару і экалагічных праблем могуць перашкодзіць яго далейшаму развіццю.

l Тытанат літыя

Тытанат літыя, часта вядомы як тытанат літыя, - гэта тып батарэі, які мае ўсё больш ужыванняў. Дзякуючы сваёй найвышэйшай нанатэхналогіі, ён здольны хутка зараджацца і разраджацца, падтрымліваючы стабільнае напружанне, што робіць яго добра прыдатным для прымянення высокай магутнасці, такіх як электрамабілі, камерцыйныя і прамысловыя сістэмы захоўвання энергіі і назапашвальнікі на ўзроўні сеткі. Разам з бяспекай і надзейнасцю гэтыя батарэі могуць быць выкарыстаны ў ваенных і аэракасмічных мэтах, а таксама для захоўвання энергіі ветру і сонца і пабудовы разумных сетак. Акрамя таго, згодна з Battery Space, гэтыя батарэі могуць выкарыстоўвацца ў крытычна важных для сістэмы рэзервовага капіявання Тым не менш, батарэі з тытанату літыя, як правіла, даражэйшыя за традыцыйныя літый-іённыя батарэі з-за складанага працэсу вытворчасці, неабходнага для іх вытворчасці.

5. Тэндэнцыі развіцця літый-іённых батарэй

Глабальны рост установак аднаўляльнай энергіі павялічыў перыядычную вытворчасць энергіі, стварыўшы незбалансаваную сетку. Гэта прывяло да попыту на акумулятары. У той час як акцэнт на нулявых выкідах вуглякіслага газу і неабходнасць адмовіцца ад выкапнёвага паліва, а менавіта вугалю, для вытворчасці электраэнергіі падштурхоўваюць больш урадаў стымуляваць сонечныя і ветраэнергетычныя ўстаноўкі. Гэтыя ўстаноўкі паддаюцца сістэмам захоўвання батарэй, якія захоўваюць залішнюю выпрацаваную энергію. Такім чынам, дзяржаўныя стымулы для стымулявання ўстаноўкі літый-іённых акумулятараў таксама стымулююць развіццё літый-іённых акумулятараў Напрыклад, прагназуецца, што сусветны рынак літый-іённых акумулятараў NMC вырасце з мільёнаў долараў ЗША ў 2022 годзе да мільёнаў долараў ЗША ў 2029 годзе; Чакаецца, што з 2023 г. па CAGR ён вырасце ў % 2029  Прагназуецца, што растучыя патрэбы прыкладанняў, якія патрабуюць вялікіх нагрузак, зробяць літый-іённыя акумулятары 3000-10000 самым хуткарослым сегментам на працягу прагнознага перыяду (2022-2030).

6 Інвестыцыйны аналіз літый-іённых батарэй

Прагназуецца, што галіна рынку літый-іённых акумулятараў вырасце з 51,16 мільярда долараў ЗША ў 2022 годзе да 118,15 мільярда долараў ЗША да 2030 года, дэманструючы агульны гадавы тэмп росту ў 4,72 % на працягу прагназуемага перыяду (2022-2030 гады), што залежыць ад некалькіх фактараў.

l Аналіз канчатковага карыстальніка

Устаноўкі камунальнага сектара з'яўляюцца ключавым фактарам для сістэм акумулятарнай энергіі (BESS). Чакаецца, што гэты сегмент вырасце з 2,25 мільярда долараў у 2021 годзе да 5,99 мільярда долараў у 2030 годзе пры CAGR 11,5%.  Літый-іённыя батарэі дэманструюць больш высокі CAGR на 34,4% з-за нізкай базы росту. Сегменты жылых і камерцыйных назапашвальнікаў энергіі - гэта іншыя вобласці з вялікім рынкавым патэнцыялам у 5,51 мільярда долараў у 2030 годзе супраць 1,68 мільярда долараў у 2021 годзе. Прамысловы сектар працягвае свой марш да нулявых выкідаў вугляроду, і кампаніі бяруць на сябе абяцанні аб нулявым чыстым выкідзе ў бліжэйшыя два дзесяцігоддзі. Тэлекамунікацыйныя кампаніі і кампаніі цэнтраў апрацоўкі дадзеных знаходзяцца ў авангардзе скарачэння выкідаў вуглякіслага газу з большай увагай да аднаўляльных крыніц энергіі Усё гэта будзе спрыяць хуткаму развіццю  літый-іённыя батарэі, паколькі кампаніі знаходзяць спосабы забеспячэння надзейнага рэзервовага капіравання і балансавання сеткі.

l Аналіз тыпу прадукту

З-за высокай цаны кобальту бескобальтовая батарэя з'яўляецца адной з тэндэнцый развіцця літый-іённых батарэй. Высокавольтны LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) з высокай тэарэтычнай шчыльнасцю энергіі з'яўляецца адным з найбольш перспектыўных матэрыялаў катода, які не змяшчае Co. Акрамя таго, вынікі эксперыменту даказалі, што цыклічнасць і хуткасць C-хуткасці батарэі LNMO паляпшаюцца пры выкарыстанні паўцвёрдага электраліта. Можна меркаваць, што аніёны COF здольны моцна паглынаць Mn3+/Mn2+ і Ni2+ праз кулонаўскае ўзаемадзеянне, стрымліваючы іх разбуральную міграцыю да анода. Такім чынам, гэтая праца будзе карыснай для камерцыялізацыі катоднага матэрыялу LNMO.

l Рэгіянальны аналіз

Азіяцка-Ціхаакіянскі рэгіён стане найбуйнейшым рынкам стацыянарных літый-іённых акумулятараў да 2030 года, які будзе абумоўлены камунальнымі службамі і прамысловасцю. Ён абгоніць Паўночную Амерыку і Еўропу з рынкам у 7,07 мільярда долараў у 2030 годзе, павялічыўшыся з 1,24 мільярда долараў у 2021 годзе пры CAGR 21,3%. Паўночная Амерыка і Еўропа стануць наступнымі па велічыні рынкамі з-за іх мэтаў дэкарбанізацыі эканомік і сетак на працягу наступных двух дзесяцігоддзяў. LATAM атрымае самы высокі тэмп росту пры CAGR 21,4% з-за меншага памеру і нізкай базы.

7 Што трэба ўлічваць для высакаякасных літый-іённых батарэй

Купляючы аптычны сонечны інвертар, трэба ўлічваць не толькі кошт і якасць, але і іншыя фактары.

l Шчыльнасць энергіі

Шчыльнасць энергіі - гэта колькасць энергіі, назапашанай на адзінку аб'ёму. Паміж цыкламі зарадкі больш высокая шчыльнасць энергіі пры меншай вазе і памеры.

Л  Бяспека

Бяспека з'яўляецца яшчэ адным найважнейшым аспектам літый-іённых акумулятараў, паколькі падчас зарадкі або разрадкі могуць адбыцца выбухі і пажары, таму неабходна выбіраць акумулятары з палепшанымі механізмамі бяспекі, такімі як датчыкі тэмпературы і інгібіруючыя рэчывы.

l Тып

Адной з апошніх тэндэнцый у індустрыі літый-іённых батарэй з'яўляецца распрацоўка цвёрдацельных батарэй, якія прапануюць шэраг пераваг, такіх як больш высокая шчыльнасць энергіі і больш працяглы жыццёвы цыкл. Напрыклад, выкарыстанне цвёрдацельных акумулятараў у электрамабілях значна павялічыць іх запас ходу і бяспеку.

l Хуткасць зарадкі

Хуткасць зарадкі залежыць ад таго, наколькі хутка акумулятар зараджаецца бяспечна. Часам патрабуецца шмат часу для зарадкі акумулятара, перш чым іх можна будзе выкарыстоўваць.

l Працягласць жыцця

 Ні адзін акумулятар не працуе ўвесь тэрмін службы, але мае тэрмін прыдатнасці. Перад пакупкай праверце тэрмін прыдатнасці. Літый-іённыя акумулятары маюць больш працяглы тэрмін службы з-за свайго хімічнага складу, але кожны акумулятар адрозніваецца адзін ад аднаго ў залежнасці ад тыпу, тэхнічных характарыстык і спосабу вырабу. Высакаякасныя акумулятары праслужаць даўжэй, бо ўнутры яны зроблены з тонкіх матэрыялаў.