Какво представляват литиево-йонните батерии?

1. Какво представляват литиево-йонните батерии?

Батерията е източник на електрическа енергия, състоящ се от един или повече електрохимични клетки с външни връзки за захранване на електрически устройства. Литиево-йонната или литиево-йонната батерия е вид акумулаторна батерия, която използва обратимо намаляване на литиевите йони за съхраняване на енергия и е известно с високото им ниво 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 в капацитета, производителност и издръжливост на батерията. При зареждане графитният анод е отговорен за приемането и съхраняването на литиеви йони. Когато батерията е разредени, литиевите йони се движат от анода към катода, така че ан създава се електрически ток. Обикновено най-често използваният в търговската мрежа анод е графит, който в своето напълно литиево състояние на LiC6 корелира с максимално капацитет от 1339 C/g (372 mAh/g). Но с развитието на технологиите, нови материали като силиций са изследвани за подобряване на енергийните плътности за литиево-йонни батерии.

Какво е катод?

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

Какво е сепаратор?

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

Какво е токоприемник?

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

3. История на развитието на литиево-йонните батерии

Изследванията върху акумулаторните литиево-йонни батерии датират от 60-те години на миналия век, едно от най-ранните примери са CuF2/Li батерия, разработена от НАСА през 1965 г. И петролна криза удари света през 70-те години на миналия век, изследователите насочиха вниманието си към алтернативата източници на енергия, така че пробивът, довел до най-ранната форма на модерната литиево-йонна батерия е направена поради лекото тегло и високата енергия плътност на литиево-йонните батерии. По същото време Стенли Уитингам от Exxon откри, че литиевите йони могат да бъдат вмъкнати в материали като TiS2 до създайте акумулаторна батерия 

Затова той се опита да комерсиализира тази батерия, но не успяха 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 повече стабилен на въздух, който по-късно ще бъде използван в първата търговска литиево-йонна батерия, въпреки че сам по себе си не разреши постоянния проблем с запалимост. Същата година Рачид Язами изобретява литиевия графит електрод (анод). И след това през 1991 г., първата в света презареждаема литиево-йонна батерия батериите започнаха да навлизат на пазара 

През 2000 г. търсенето на литиево-йонни батериите се увеличиха, тъй като преносимите електронни устройства станаха популярни, което задвижва литиево-йонните батерии да бъдат по-безопасни и по-издръжливи. Електрическите превозни средства бяха въведена през 2010 г., която създаде нов пазар за литиево-йонни батерии. The разработване на нови производствени процеси и материали, като силициеви аноди и електролити в твърдо състояние, продължи да подобрява работата и безопасността на литиево-йонни батерии. В наши дни литиево-йонните батерии са станали съществени в нашето ежедневие, така че изследванията и разработването на нови материали и технологиите продължават да подобряват 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 те са направени равни. 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-кобалтатни или литиево-йонни кобалтови батерии. Те имат катод от кобалтов оксид и графитен въглероден анод и литиеви йони мигрират от анода към катода по време на разреждане, като потокът се обръща когато батерията е заредена. Що се отнася до приложението му, 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, висока работоспособност напрежение и широк температурен диапазон. Но обърнете внимание на съображенията за безопасност свързани с 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 беше открити през 1980 г., с първата публикация в Materials Research Бюлетин през 1983 г. Едно от предимствата на LiMn2O4 е, че има добра термична ефективност стабилност, което означава, че е по-малко вероятно да изпита топлинно бягане, което също са по-безопасни от другите видове литиево-йонни батерии. Освен това манганът е изобилен и широко достъпен, което го прави по-устойчив вариант в сравнение към катодни 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 предимствата си, LiMn2O4 е по-беден циклична стабилност в сравнение с LiCoO2, което означава, че може да изисква повече честа подмяна, така че може да не е толкова подходящ за дългосрочно съхранение на енергия системи.

l литиево-железен фосфат (LFP)

Фосфатът често се използва като катод в литиево-железни фосфатни батерии известни като литиево-фосфатни батерии. Тяхното ниско съпротивление подобрява тяхната топлина стабилност и безопасност. Те също така са известни с издръжливост и дълъг жизнен цикъл, което ги прави най-рентабилната опция спрямо другите видове литиево-йонни батерии. Следователно тези батерии се използват често 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 a по-ниско работно напрежение, което означава, че може да не са подходящи за някои приложения, които изискват по-високо напрежение. Неговото по-дълго време за зареждане го прави a недостатък в приложения, които изискват бързо презареждане.

l литиев никел манган кобалтов оксид (NMC)

Литиево-никел-манганови батерии с кобалтов оксид, често известни като NMC батерии, са изработени от различни материали, които са универсални литиево-йонни батерии. Катод, изграден от смес от никел, манган и е включен кобалт. Неговата висока енергийна плътност, добро циклично представяне и a дългият живот го прави първият избор в електрическите превозни средства, мрежово съхранение системи и други високопроизводителни приложения, което допълнително допринесе до нарастващата популярност на електрическите превозни средства и системите за възобновяема енергия. до увеличаване на капацитета, нови електролити и добавки се използват, за да го позволят зареждане до 4,4 V/клетка и по-високо 

Оттогава има тенденция към литиево-йонни смеси с NMC системата е рентабилна и осигурява добра производителност. никел, манган, и кобалт са три активни материала, които могат лесно да се комбинират, за да отговарят на широка гама набор от приложения за автомобили и системи за съхранение на енергия (EES), които изискват често колоездене. От което можем да видим, че семейството на NMC става все повече разнообразни обаче, неговите странични ефекти от термично бягане, опасност от пожар и околната среда опасенията могат да попречат на по-нататъшното му развитие.

l литиев титанат

Литиевият титанат, често известен като лититанат, е вид батерия, която има нарастващ брой употреби. Благодарение на превъзходната си нанотехнология, той е в състояние бързо зареждане и разреждане, 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 своите безопасност и надеждност, тези батерии могат да се използват за военни и космически цели приложения, както и съхранение на вятърна и слънчева енергия и интелигентно изграждане решетки. Освен това, според Battery Space, тези батерии могат да бъдат използвани в критични за енергийната система резервни копия. Въпреки това, литиев титанат батериите обикновено са по-скъпи от традиционните литиево-йонни батерии към сложния производствен процес, необходим за производството им.

5. Тенденциите на развитие на литиево-йонните батерии

Глобалният растеж на инсталациите за възобновяема енергия се увеличи периодично производство на енергия, създаващо небалансирана мрежа. Това е довело до a търсенето на батерии. докато акцентът върху нулевите въглеродни емисии и необходимостта от движение далеч от изкопаемите горива, а именно въглищата, за производство на електроенергия подканете повече правителствата да стимулират инсталациите за слънчева и вятърна енергия. Тези инсталациите се поддават на системи за съхранение на батерии, които съхраняват излишната мощност генерирани 

Следователно правителствените стимули за стимулиране на литиево-йонната батерия инсталациите също стимулират развитието на литиево-йонни батерии. например, глобалният размер на пазара на литиево-йонни батерии NMC се очаква да нарасне от US$ милиона през 2022 г. до милиони щатски долара през 2029 г.; очаква се да нарасне с CAGR от % от 2023 до 2029 г. И нарастващите нужди на приложения, изискващи тежки натоварване се очаква да направи литиево-йонните батерии от 3000-10000 най-бързите нарастващ 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 USD милиарда през 2022 г. до 118,15 милиарда щатски долара до 2030 г., показвайки комбиниран годишен темп на растеж от 4,72% през прогнозния период (2022-2030), който зависи от няколко фактора.

l Анализ на крайния потребител

Инсталациите в комуналния сектор са ключови двигатели за съхранение на енергия от батерии системи (BESS). Очаква се този сегмент да нарасне от 2,25 милиарда долара през 2021 г 5,99 милиарда долара през 2030 г. при CAGR от 11,5%. Литиево-йонните батерии показват по-високи 34,4% CAGR поради ниската им база на растеж. Жилищно и търговско съхранение на енергия сегментите 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 нетни нулеви обещания през следващите две десетилетия. Телекомуникационните компании и компаниите за центрове за данни са в челните редици на намаляването въглеродни емисии с повишен акцент върху възобновяемите енергийни източници. Всички от които ще насърчи бързото развитие на литиево-йонни батерии 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 тенденции в развитието на литиево-йонните батерии. Високоволтов LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) с висока теоретична енергийна плътност е един от най-обещаващите Co-free катодни материали в по-нататък. Освен това експерименталните резултати доказаха това производителността на цикъла и C-rate на батерията LNMO е подобрена чрез използване на полутвърд електролит. Може да се предположи, че анионният COF е способен на това поглъщайки силно Mn3+/Mn2+ и Ni2+ чрез взаимодействие на Кулон, ограничавайки разрушителната им миграция към анода. Следователно тази работа ще да бъде от полза за комерсиализацията на LNMO катоден материал.

l Регионален анализ

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

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

Когато купувате оптичен соларен инвертор, не само цената и качеството трябва да бъдат трябва да се имат предвид и други фактори.

l Енергийна плътност

Енергийната плътност е количеството енергия, съхранявана на единица обем. По-високо енергийната плътност с по-малко тегло и размер е по-обширна между зарежданията цикли.

l Безопасност

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

l Тип

Една от най-новите тенденции в производството на литиево-йонни батерии е разработване на твърдотелни батерии, което предлага набор от предимства като напр по-висока енергийна плътност и по-дълъг жизнен цикъл. Например използването на твърдотелните батерии в електрическите автомобили значително ще увеличат обхвата си способност 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 дата преди извършване на покупката. Литиево-йонните батерии имат присъща по-дълга живот поради своята химия, но всяка батерия се различава една от друга в зависимост от вида, спецификациите и начина, по който са направени. Висококачествени батерии ще издържат по-дълго, тъй като са изработени от фини материали отвътре.