Какво представляват литиево-йонните батерии

1 Какво представляват литиево-йонните батерии？

Батерията е източник на електрическа енергия, състоящ се от една или повече електрохимични клетки с външни връзки за захранване на електрически устройства Литиево-йонна или литиево-йонна батерия е вид акумулаторна батерия, която използва обратимо намаляване на литиеви йони за съхраняване на енергия и е известна с високата си енергийна плътност.

2 Структурата на литиево-йонните батерии

Обикновено повечето търговски литиево-йонни батерии използват интеркалационни съединения като активни материали. Те обикновено се състоят от няколко слоя материали, които са подредени в определен ред, за да улеснят електрохимичния процес, който позволява на батерията да съхранява и освобождава енергия - анод, катод, електролит, сепаратор и токоприемник.

Какво е анод?

Като компонент на батерията, анодът играе важна роля за капацитета, производителността и издръжливостта на батерията. При зареждане графитният анод отговаря за приемането и съхраняването на литиеви йони. Когато батерията се разреди, литиевите йони се преместват от анода към катода, така че се създава електрически ток. Като цяло най-разпространеният комерсиално използван анод е графитът, който в своето напълно литиево състояние на LiC6 корелира с максимален капацитет от 1339 C/g (372 mAh/g) Но с развитието на технологиите бяха изследвани нови материали като силиций за подобряване на енергийните плътности за литиево-йонните батерии.

Какво е катод?

Катодът работи за приемане и освобождаване на положително заредени литиеви йони по време на текущите цикли. Обикновено се състои от слоеста структура от слоест оксид (като литиево-кобалтов оксид), полианион (като литиево-железен фосфат) или шпинел (като литиево-манганов оксид), покрит върху колектор на заряд (обикновено направен от алуминий) 

Какво е електролит?

Като литиева сол в органичен разтворител, електролитът служи като среда за движение на литиевите йони между анода и катода по време на зареждане и разреждане.

Какво е сепаратор?

Като тънка мембрана или слой от непроводим материал, сепараторът работи за предотвратяване на късо съединение на анода (отрицателния електрод) и катода (положителния електрод), тъй като този слой е пропусклив за литиеви йони, но не и за електрони. Той може също така да осигури постоянен поток от йони между електродите по време на зареждане и разреждане. Следователно батерията може да поддържа стабилно напрежение и да намали риска от прегряване, изгаряне или експлозия.

Какво е токоприемник?

Токоприемникът е предназначен да събира тока, произведен от електродите на батерията, и да го транспортира към външната верига, което е важно за осигуряване на оптимална производителност и дълъг живот на батерията. И обикновено обикновено се прави от тънък лист алуминий или мед.

3 История на развитието на литиево-йонните батерии

Изследванията на акумулаторни литиево-йонни батерии датират от 60-те години на миналия век, един от най-ранните примери е CuF2/Li батерия, разработена от НАСА през 1965 И петролната криза удари света през 70-те години на миналия век, изследователите насочиха вниманието си към алтернативни източници на енергия, така че пробивът, който създаде най-ранната форма на съвременната литиево-йонна батерия, беше направен поради ниското тегло и високата енергийна плътност на литиево-йонните батерии. В същото време Стенли Уитингам от Exxon откри, че литиеви йони могат да бъдат вмъкнати в материали като TiS2, за да се създаде акумулаторна батерия 

Затова той се опита да комерсиализира тази батерия, но не успя поради високата цена и наличието на метален литий в клетките. През 1980 г. беше установено, че нов материал предлага по-високо напрежение и е много по-стабилен на въздух, който по-късно ще бъде използван в първата комерсиална литиево-йонна батерия, въпреки че сам по себе си не е разрешил постоянния проблем със запалимостта. същата година Rachid Yazami изобретява литиево-графитен електрод (анод). И тогава през 1991 г. първите в света акумулаторни литиево-йонни батерии започнаха да навлизат на пазара. През 2000-те години търсенето на литиево-йонни батерии се увеличи, тъй като преносимите електронни устройства станаха популярни, което кара литиево-йонните батерии да бъдат по-безопасни и по-издръжливи. Електрическите превозни средства бяха въведени през 2010 г., което създаде нов пазар за литиево-йонни батерии 

Разработването на нови производствени процеси и материали, като силициеви аноди и електролити в твърдо състояние, продължи да подобрява производителността и безопасността на литиево-йонните батерии. В днешно време литиево-йонните батерии са станали основни в нашето ежедневие, така че изследванията и разработването на нови материали и технологии продължават, за да се подобри производителността, ефективността и безопасността на тези батерии.

4. Видовете литиево-йонни батерии

Литиево-йонните батерии се предлагат в различни форми и размери и не всички са еднакви. Обикновено има пет вида литиево-йонни батерии.

l литиев кобалтов оксид

Батериите с литиево-кобалтов оксид се произвеждат от литиев карбонат и кобалт и са известни също като литиево-кобалтови или литиево-йонни кобалтови батерии Те имат катод от кобалтов оксид и графитен въглероден анод, а литиевите йони мигрират от анода към катода по време на разреждане, като потокът се обръща, когато батерията се зарежда. Що се отнася до приложението им, те се използват в преносими електронни устройства, електрически превозни средства и системи за съхранение на възобновяема енергия поради тяхната висока специфична енергия, ниска скорост на саморазреждане, високо работно напрежение и широк температурен диапазон. Но обърнете внимание на опасенията за безопасност, свързани към потенциала за термично изтичане и нестабилност при високи температури.

l литиев манганов оксид

Литиевият манганов оксид (LiMn2O4) е катоден материал, който обикновено се използва в литиево-йонни батерии. Технологията за този вид батерии първоначално е открита през 80-те години на миналия век с първата публикация в бюлетина за изследване на материалите през 1983 г. Едно от предимствата на LiMn2O4 е, че има добра термична стабилност, което означава, че е по-малко вероятно да претърпи термично бягане, което също е по-безопасно от другите видове литиево-йонни батерии. Освен това манганът е в изобилие и е широко достъпен, което го прави по-устойчив вариант в сравнение с катодните материали, които съдържат ограничени ресурси като кобалт. В резултат на това те често се срещат в медицинско оборудване и устройства, електрически инструменти, електрически мотоциклети и други приложения. Въпреки своите предимства, LiMn2O4 има по-лоша циклична стабилност в сравнение с LiCoO2, което означава, че може да изисква по-честа смяна, така че може да не е толкова подходящ за системи за дългосрочно съхранение на енергия.

l литиево-железен фосфат (LFP)

Фосфатът се използва като катод в литиево-железни фосфатни батерии, често известни като литиево-фосфатни батерии. Тяхната ниска устойчивост подобрява тяхната термична стабилност и безопасност Те също така са известни с издръжливост и дълъг жизнен цикъл, което ги прави най-рентабилната опция за други видове литиево-йонни батерии. Следователно, тези батерии често се използват в електрически велосипеди и други приложения, изискващи дълъг жизнен цикъл и високи нива на безопасност Но недостатъците му затрудняват бързото развитие. Първо, в сравнение с други видове литиево-йонни батерии, те струват повече, защото използват редки и скъпи суровини. В допълнение, литиево-железно-фосфатните батерии имат по-ниско работно напрежение, което означава, че може да не са подходящи за някои приложения, които изискват по-високо напрежение. По-дългото му време за зареждане го прави недостатък в приложения, които изискват бързо презареждане.

l литиев никел манган кобалтов оксид (NMC)

Литиево-никел-мангановите батерии с кобалтов оксид, често известни като NMC батерии, са изработени от различни материали, които са универсални в литиево-йонните батерии. Включен е катод, изграден от смес от никел, манган и кобалт Неговата висока енергийна плътност, добро циклично представяне и дълъг живот го направиха първият избор в електрическите превозни средства, системите за съхранение на мрежата и други приложения с висока производителност, което допълнително допринесе за нарастващата популярност на електрическите превозни средства и системите за възобновяема енергия. За увеличаване на капацитета се използват нови електролити и добавки, за да може да се зарежда до 4,4 V/клетка и по-високо. Съществува тенденция към литиево-йонни смеси с NMC, тъй като системата е рентабилна и осигурява добра производителност. Никелът, манганът и кобалтът са три активни материала, които могат лесно да се комбинират, за да отговарят на широк спектър от приложения в автомобилите и системите за съхранение на енергия (EES), които изискват чести цикли.

 От което можем да видим, че семейството на NMC става все по-разнообразно

Страничните му ефекти на термично бягане, опасност от пожар и опасения за околната среда обаче могат да възпрепятстват по-нататъшното му развитие.

l литиев титанат

Литиевият титанат, често известен като лититанат, е вид батерия, която има все по-голям брой приложения. Благодарение на своята превъзходна нанотехнология, той е в състояние бързо да зарежда и разрежда, като същевременно поддържа стабилно напрежение, което го прави много подходящ за приложения с висока мощност като електрически превозни средства, търговски и индустриални системи за съхранение на енергия и съхранение на ниво мрежа Заедно със своята безопасност и надеждност, тези батерии могат да се използват за военни и космически приложения, както и за съхранение на вятърна и слънчева енергия и изграждане на интелигентни мрежи. Освен това, според Battery Space, тези батерии могат да се използват в критични за енергийната система резервни копия Въпреки това литиево-титанатните батерии обикновено са по-скъпи от традиционните литиево-йонни батерии поради сложния производствен процес, необходим за производството им.

5. Тенденциите на развитие на литиево-йонните батерии

Глобалният растеж на инсталациите за възобновяема енергия увеличи периодичното производство на енергия, създавайки небалансирана мрежа. Това доведе до търсене на батерии. Докато фокусът върху нулевите въглеродни емисии и необходимостта да се отдалечим от изкопаемите горива, а именно въглищата, за производство на електроенергия карат повече правителства да стимулират инсталациите за слънчева и вятърна енергия. Тези инсталации се поддават на системи за съхранение на батерии, които съхраняват излишната генерирана мощност. Следователно правителствените стимули за стимулиране на инсталациите за литиево-йонни батерии също стимулират развитието на литиево-йонни батерии Например, глобалният размер на пазара на литиево-йонни батерии NMC се предвижда да нарасне от милиони щатски долара през 2022 г. до милиони щатски долара през 2029 г.; очаква се да нарасне с CAGR от % от 2023 до 2029  А увеличаващите се нужди на приложения, изискващи големи натоварвания, се предвижда да превърнат литиево-йонните батерии от 3000-10000 в най-бързо развиващия се сегмент през прогнозния период (2022-2030 г.).

6 Инвестиционният анализ на литиево-йонни батерии

Предвижда се индустрията на пазара на литиево-йонни батерии да нарасне от 51,16 милиарда щатски долара през 2022 г. до 118,15 милиарда щатски долара до 2030 г., демонстрирайки общ годишен темп на растеж от 4,72% през прогнозния период (2022-2030 г.), което зависи от няколко фактора.

l Анализ на крайния потребител

Инсталациите в комуналния сектор са ключови двигатели за системите за съхранение на енергия от батерии (BESS). Очаква се този сегмент да нарасне от $2,25 милиарда през 2021 г. до $5,99 милиарда през 2030 г. при CAGR от 11,5%.  Литиево-йонните батерии показват по-висок CAGR от 34,4% поради ниската им база на растеж. Жилищните и търговски сегменти за съхранение на енергия са други области с голям пазарен потенциал от $5,51 милиарда през 2030 г., от $1,68 милиарда през 2021 г. Индустриалният сектор продължава похода си към нулеви въглеродни емисии, като компаниите поемат обещания за нулеви нетни емисии през следващите две десетилетия. Телекомуникационните компании и компаниите за центрове за данни са в челните редици на намаляването на въглеродните емисии с повишен фокус върху възобновяемите енергийни източници Всичко това ще насърчи бързото развитие на  литиево-йонни батерии, тъй като компаниите намират начини да осигурят надеждно архивиране и балансиране на мрежата.

l Анализ на типа продукт

Поради високата цена на кобалта, батерията без кобалт е една от тенденциите за развитие на литиево-йонните батерии. Високоволтовият LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) с висока теоретична енергийна плътност е един от най-обещаващите катодни материали без Co в бъдеще. Освен това, експерименталните резултати доказаха, че цикълът и производителността на C-rate на батерията LNMO са подобрени чрез използване на полутвърд електролит. Това може да се предположи, че анионният COF е способен да абсорбира силно Mn3+/Mn2+ и Ni2+ чрез взаимодействие на Кулон, ограничавайки тяхната разрушителна миграция към анода. Следователно тази работа ще бъде от полза за комерсиализацията на LNMO катоден материал.

l Регионален анализ

Азиатско-тихоокеанският регион ще бъде най-големият стационарен пазар на литиево-йонни батерии до 2030 г., движен от комуналните услуги и индустриите. Той ще изпревари Северна Америка и Европа с пазар от $7,07 милиарда през 2030 г., нараствайки от $1,24 милиарда през 2021 г. при CAGR от 21,3%. Северна Америка и Европа ще бъдат следващите по големина пазари поради техните цели да декарбонизират своите икономики и мрежа през следващите две десетилетия. LATAM ще види най-висок темп на растеж при CAGR от 21,4% поради по-малкия си размер и ниска база.

7 Неща, които трябва да имате предвид за висококачествени литиево-йонни батерии

Когато купувате оптичен соларен инвертор, трябва да имате предвид не само цената и качеството, но и други фактори.

l Енергийна плътност

Енергийната плътност е количеството енергия, съхранявано на единица обем. По-високата енергийна плътност с по-малко тегло и размер е по-обширна между циклите на зареждане.

л  Безопасност

Безопасността е друг критичен аспект на литиево-йонните батерии, тъй като експлозиите и пожарите могат да възникнат по време на зареждане или разреждане, така че е необходимо да изберете батерии с подобрени механизми за безопасност, като температурни сензори и инхибиращи вещества.

l Тип

Една от най-новите тенденции в индустрията за литиево-йонни батерии е разработването на твърдотелни батерии, които предлагат набор от предимства като по-висока енергийна плътност и по-дълъг жизнен цикъл. Например, използването на твърдотелни батерии в електрическите автомобили ще увеличи значително техния пробег и безопасност.

l Скорост на зареждане

Скоростта на зареждане зависи от това колко бързо батерията се зарежда безопасно. Понякога батерията отнема много време за зареждане, преди да могат да се използват.

l Продължителност на живота

 Нито една батерия не работи през целия живот, но има срок на годност. Проверете срока на годност, преди да направите покупка. Литиево-йонните батерии имат присъщ по-дълъг живот поради своята химия, но всяка батерия се различава една от друга в зависимост от типа, спецификациите и начина, по който са направени. Висококачествените батерии ще издържат по-дълго, тъй като са направени от фини материали отвътре.