Šta su litijum-jonske baterije

1 Šta su litijum-jonske baterije?

Baterija je izvor električne energije koji se sastoji od jedne ili više elektrohemijskih ćelija s vanjskim priključcima za napajanje električnih uređaja Litijum-jonska ili Li-ion baterija je vrsta punjive baterije koja koristi reverzibilnu redukciju litijum jona za skladištenje energije i poznata je po svojoj visokoj gustoći energije.

2 Struktura litijum-jonskih baterija

Generalno, većina komercijalnih Li-ion baterija koristi interkalacijske spojeve kao aktivne materijale. Obično se sastoje od nekoliko slojeva materijala koji su raspoređeni u određenom redoslijedu kako bi se olakšao elektrohemijski proces koji omogućava bateriji da skladišti i oslobađa energiju - anoda, katoda, elektrolit, separator i kolektor struje.

Šta je anoda?

Kao komponenta baterije, anoda igra važnu ulogu u kapacitetu, performansama i trajnosti baterije. Prilikom punjenja, grafitna anoda je odgovorna za prihvatanje i skladištenje litijum jona. Kada se baterija isprazni, litijum joni se kreću od anode do katode tako da se stvara električna struja. Generalno, najčešće komercijalno korištena anoda je grafit, koji u svom potpuno litiranom stanju LiC6 korelira s maksimalnim kapacitetom od 1339 C/g (372 mAh/g) Ali s razvojem tehnologija, novi materijali kao što je silicijum su istraženi kako bi se poboljšala gustoća energije za litijum-jonske baterije.

Šta je katoda?

Katoda radi na prihvatanju i oslobađanju pozitivno nabijenih litijum jona tokom trenutnih ciklusa. Obično se sastoji od slojevite strukture slojevitog oksida (kao što je litijum-kobalt oksid), polianiona (kao što je litij-gvozdeni fosfat) ili spinela (kao što je litijum-mangan oksid) obloženog na kolektoru naboja (obično napravljen od aluminijuma) 

Šta je elektrolit?

Kao litijumova so u organskom rastvaraču, elektrolit služi kao medij za kretanje litijumovih jona između anode i katode tokom punjenja i pražnjenja.

Šta je separator?

Kao tanka membrana ili sloj od neprovodnog materijala, separator radi na sprečavanju kratkog spoja anode (negativna elektroda) i katode (pozitivne elektrode), budući da je ovaj sloj propustljiv za litijeve jone, ali ne i za elektrone. Također može osigurati stalan protok jona između elektroda tokom punjenja i pražnjenja. Stoga baterija može održavati stabilan napon i smanjiti rizik od pregrijavanja, izgaranja ili eksplozije.

Šta je strujni kolektor?

Strujni kolektor je dizajniran da prikuplja struju koju proizvode elektrode baterije i prenosi je do vanjskog kola, što je važno za osiguravanje optimalnih performansi i dugovječnosti baterije. I obično se obično pravi od tankog lima aluminijuma ili bakra.

3 Istorija razvoja litijum-jonskih baterija

Istraživanje punjivih Li-ion baterija datira iz 1960-ih, a jedan od najranijih primjera je CuF2/Li baterija koju je razvila NASA u 1965 A naftna kriza je pogodila svijet 1970-ih, istraživači su svoju pažnju usmjerili na alternativne izvore energije, pa je iskorak koji je proizveo najraniji oblik moderne Li-ion baterije napravljen zbog male težine i velike gustoće energije litijum-jonskih baterija. U isto vrijeme, Stanley Whittingham iz Exxona otkrio je da se litijum joni mogu umetnuti u materijale kao što je TiS2 kako bi se stvorila punjiva baterija 

Stoga je pokušao komercijalizirati ovu bateriju, ali nije uspio zbog visoke cijene i prisustva metalnog litijuma u ćelijama. Godine 1980. otkriveno je da novi materijal nudi viši napon i bio je mnogo stabilniji na zraku, koji će se kasnije koristiti u prvoj komercijalnoj Li-ion bateriji, iako nije sam po sebi riješio uporni problem zapaljivosti. iste godine, Rachid Yazami izumio je litijum-grafitnu elektrodu (anodu). A onda su 1991. prve svjetske punjive litijum-jonske baterije počele da ulaze na tržište. Tokom 2000-ih, potražnja za litijum-jonskim baterijama se povećala kako su prenosivi elektronski uređaji postali popularni, što čini da litijum-jonske baterije budu sigurnije i izdržljivije. Električna vozila su predstavljena 2010-ih, što je stvorilo novo tržište za litijum-jonske baterije 

Razvoj novih proizvodnih procesa i materijala, kao što su silicijumske anode i čvrsti elektroliti, nastavio je da poboljšava performanse i sigurnost litijum-jonskih baterija. Danas su litijum-jonske baterije postale neophodne u našem svakodnevnom životu, tako da su istraživanja i razvoj novih materijala i tehnologija u toku kako bi se poboljšale performanse, efikasnost i bezbednost ovih baterija.

4. Vrste litijum-jonskih baterija

Litijum-jonske baterije dolaze u različitim oblicima i veličinama i nisu sve jednake. Obično postoji pet vrsta litijum-jonskih baterija.

l Litijum kobalt oksid

Litijum-kobalt oksidne baterije se proizvode od litij-karbonata i kobalta, a poznate su i kao litijum-kobaltatne ili litijum-jonske kobaltne baterije Imaju katodu od kobalt oksida i grafitnu ugljičnu anodu, a litijum joni migriraju sa anode na katodu tokom pražnjenja, sa obrnutim protokom kada se baterija puni. Što se tiče njihove primjene, koriste se u prijenosnim elektroničkim uređajima, električnim vozilima i sistemima za skladištenje obnovljive energije zbog svoje visoke specifične energije, niske stope samopražnjenja, visokog radnog napona i širokog temperaturnog raspona. Ali obratite pažnju na sigurnosne brige do potencijala toplotnog bijega i nestabilnosti na visokim temperaturama.

l Litijum-mangan oksid

Litijum mangan oksid (LiMn2O4) je katodni materijal koji se obično koristi u litijum-jonskim baterijama. Tehnologija za ovu vrstu baterija je prvobitno otkrivena 1980-ih, sa prvom publikacijom u časopisu Materials Research Bulletin 1983. godine. Jedna od prednosti LiMn2O4 je ta što ima dobru termičku stabilnost, što znači da je manja vjerovatnoća da će doživjeti termički bijeg, koji su također sigurniji od drugih tipova litijum-jonskih baterija. Osim toga, mangan je u izobilju i široko je dostupan, što ga čini održivijom opcijom u usporedbi s katodnim materijalima koji sadrže ograničene resurse poput kobalta. Kao rezultat toga, često se nalaze u medicinskoj opremi i uređajima, električnim alatima, električnim motociklima i drugim aplikacijama. Unatoč svojim prednostima, LiMn2O4 je lošija ciklička stabilnost u odnosu na LiCoO2, što znači da može zahtijevati češću zamjenu, pa možda neće biti tako pogodan za dugotrajne sisteme za pohranu energije.

l litijum gvožđe fosfat (LFP)

Fosfat se koristi kao katoda u litijum-gvozdeno-fosfatnim baterijama, često poznatim kao li-fosfatne baterije. Njihova mala otpornost je poboljšala njihovu termičku stabilnost i sigurnost Takođe su poznati po izdržljivosti i dugom životnom ciklusu, što ih čini najisplativijom opcijom u odnosu na druge tipove litijum-jonskih baterija. Zbog toga se ove baterije često koriste u električnim biciklima i drugim aplikacijama koje zahtijevaju dug životni ciklus i visok nivo sigurnosti Ali njegovi nedostaci otežavaju brzi razvoj. Prvo, u odnosu na druge vrste litijum-jonskih baterija, one koštaju više jer koriste rijetke i skupe sirovine. Osim toga, litijum-željezo-fosfatne baterije imaju niži radni napon, što znači da možda nisu prikladne za neke aplikacije koje zahtevaju viši napon. Njegovo duže vrijeme punjenja čini ga nedostatkom u aplikacijama koje zahtijevaju brzo punjenje.

l litijum nikl mangan kobalt oksid (NMC)

Litijum-nikl-mangan-kobalt-oksidne baterije, često poznate kao NMC baterije, napravljene su od različitih materijala koji su univerzalni u litijum-jonskim baterijama. Uključena je katoda napravljena od mješavine nikla, mangana i kobalta Njegova visoka gustoća energije, dobre performanse biciklizma i dug životni vijek učinili su ga prvim izborom u električnim vozilima, sistemima za skladištenje u mreži i drugim aplikacijama visokih performansi, što je dodatno doprinijelo rastućoj popularnosti električnih vozila i sistema obnovljivih izvora energije. Da bi se povećao kapacitet, koriste se novi elektroliti i aditivi koji omogućavaju punjenje do 4,4V po ćeliji i više. Postoji trend prema NMC-kombiniranom Li-ion-u jer je sistem isplativ i pruža dobre performanse. Nikl, mangan i kobalt su tri aktivna materijala koja se lako mogu kombinovati kako bi odgovarali širokom spektru aplikacija u automobilskim i sistemima za skladištenje energije (EES) koje zahtijevaju česte cikluse.

 Iz čega vidimo da porodica NMC postaje sve raznovrsnija

Međutim, njeni nuspojave toplotnog bijega, opasnosti od požara i zabrinutosti za okoliš mogu spriječiti njegov daljnji razvoj.

l Litijum titanat

Litijum titanat, često poznat kao li-titanat, je vrsta baterije koja ima sve veći broj upotreba. Zbog svoje superiorne nanotehnologije, sposoban je brzo da se puni i prazni uz održavanje stabilnog napona, što ga čini veoma pogodnim za aplikacije velike snage kao što su električna vozila, komercijalni i industrijski sistemi za skladištenje energije i skladištenje na nivou mreže. Zajedno sa svojom sigurnošću i pouzdanošću, ove baterije se mogu koristiti za vojne i svemirske aplikacije, kao i za skladištenje energije vjetra i sunca i izgradnju pametnih mreža. Nadalje, prema Battery Spaceu, ove baterije bi se mogle koristiti u rezervnim kopijama kritičnim za elektroenergetski sistem Ipak, litijum-titanatne baterije obično su skuplje od tradicionalnih litijum-jonskih baterija zbog složenog procesa proizvodnje koji je potreban za njihovu proizvodnju.

5. Trendovi razvoja litijum-jonskih baterija

Globalni rast instalacija obnovljivih izvora energije povećao je proizvodnju energije s prekidima, stvarajući neuravnoteženu mrežu. To je dovelo do potražnje za baterijama. Dok fokus na nultu emisiju ugljika i potreba da se odmakne od fosilnih goriva, naime uglja, za proizvodnju energije podstiču više vlada da podstaknu solarne i vjetroelektrane. Ove instalacije su pogodne za sisteme za skladištenje baterija koji pohranjuju višak proizvedene energije. Stoga vladini poticaji za podsticanje instalacija Li-ion baterija također pokreću razvoj litijum-jonskih baterija Na primjer, predviđa se da će globalna veličina tržišta NMC litijum-jonskih baterija porasti sa miliona USD u 2022. na milion USD u 2029. godini; Očekuje se da će rasti uz CAGR od % od 2023. do 2029  Predviđa se da će sve veće potrebe aplikacija koje zahtijevaju velika opterećenja učiniti litijum-jonske baterije od 3000-10000 najbrže rastućim segmentom tokom perioda predviđanja (2022-2030).

6 Investiciona analiza litijum-jonskih baterija

Predviđa se da će industrija tržišta litijum-jonskih baterija porasti sa 51,16 milijardi USD u 2022. na 118,15 milijardi USD do 2030. godine, pokazujući kombinovanu godišnju stopu rasta od 4,72% tokom predviđenog perioda (2022-2030), što zavisi od nekoliko faktora.

l Analiza krajnjeg korisnika

Instalacije u komunalnom sektoru su ključni pokretači sistema za skladištenje energije baterija (BESS). Očekuje se da će ovaj segment porasti sa 2,25 milijardi dolara u 2021. na 5,99 milijardi dolara u 2030. uz CAGR od 11,5%.  Li-ion baterije pokazuju viši CAGR od 34,4% zbog niske osnove rasta. Segmenti stambenog i komercijalnog skladištenja energije su druga područja sa velikim tržišnim potencijalom od 5,51 milijardi dolara u 2030., sa 1,68 milijardi dolara u 2021. Industrijski sektor nastavlja svoj marš ka nultim emisijama ugljika, pri čemu kompanije daju neto nula obećanja u naredne dvije decenije. Kompanije za telekomunikacije i data centre prednjače u smanjenju emisije ugljika s povećanim fokusom na obnovljive izvore energije Sve će to doprinijeti brzom razvoju  litijum-jonske baterije dok kompanije pronalaze načine da obezbede pouzdanu rezervnu kopiju i balansiranje mreže.

l Analiza tipa proizvoda

Zbog visoke cijene kobalta, baterija bez kobalta je jedan od trendova razvoja litijum-jonskih baterija. Visokonaponski LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) sa visokom teoretskom gustinom energije jedan je od najperspektivnijih katodnih materijala bez Co-free. Nadalje, eksperimentalni rezultati su dokazali da su performanse ciklusa i C-rate LNMO baterije poboljšane korištenjem polučvrstog elektrolita. Ovo se može predložiti da je anjonski COF sposoban da snažno apsorbuje Mn3+/Mn2+ i Ni2+ kroz Coulomb interakciju, ograničavajući njihovu destruktivnu migraciju na anodu. Stoga će ovaj rad biti od koristi za komercijalizaciju LNMO katodnog materijala.

l Regionalna analiza

Azijsko-pacifički region će biti najveće tržište stacionarnih litijum-jonskih baterija do 2030. godine, vođeno komunalnim preduzećima i industrijama. Prestići će Sjevernu Ameriku i Evropu sa tržištem od 7,07 milijardi dolara 2030. godine, sa rastom od 1,24 milijarde dolara u 2021. uz CAGR od 21,3%. Sjeverna Amerika i Europa će biti sljedeća najveća tržišta zbog svojih ciljeva da dekarboniziraju svoje ekonomije i mrežu u naredne dvije decenije. LATAM će imati najveću stopu rasta na CAGR od 21,4% zbog svoje manje veličine i niske baze.

7 Stvari koje treba uzeti u obzir za visokokvalitetne litijum-jonske baterije

Prilikom kupovine optičkog solarnog invertera, ne samo da se mora uzeti u obzir cijena i kvalitet, već treba imati na umu i druge faktore.

l Gustoća energije

Gustoća energije je količina pohranjene energije po jedinici zapremine. Veća gustina energije sa manjom težinom i veličinom je veća između ciklusa punjenja.

I  Bezbjednosta

Sigurnost je još jedan kritičan aspekt litijum-jonskih baterija od eksplozija i požara koji mogu nastati prilikom punjenja ili pražnjenja, pa je neophodno odabrati baterije sa poboljšanim sigurnosnim mehanizmima, kao što su senzori temperature i inhibitorne supstance.

l Tip

Jedan od najnovijih trendova u industriji litijum-jonskih baterija je razvoj solid-state baterija, koje nude niz prednosti kao što su veća gustoća energije i duži životni ciklus. Na primjer, upotreba solid-state baterija u električnim automobilima značajno će povećati njihov domet i sigurnost.

l Brzina punjenja

Brzina punjenja ovisi o tome koliko brzo se baterija sigurno puni. Ponekad je potrebno puno vremena da se baterija napuni prije nego što se može koristiti.

l Životni vek

 Nijedna baterija ne radi cijeli vijek, ali ima rok trajanja. Provjerite datum isteka prije kupovine. Litijum-jonske baterije imaju duži životni vek zbog svoje hemije, ali svaka baterija se razlikuje jedna od druge u zavisnosti od tipa, specifikacija i načina na koji su napravljene. Visokokvalitetne baterije će trajati duže jer su iznutra napravljene od finih materijala.