Šta su litijum-jonske baterije?

1. Šta su litijum-jonske baterije?

Baterija je izvor električne energije koji se sastoji od jednog ili više elektrohemijske ćelije sa eksternim priključcima za napajanje električnih uređaja. Litijum-jonska ili Li-jonska baterija je vrsta punjive baterije koja koristi reverzibilna redukcija litijum jona za skladištenje energije i poznata je njihova visoka gustina energije.

2. Struktura litijum-jonskih baterija

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

Šta je anoda?

Kao komponenta baterije, anoda igra važnu ulogu u kapacitetu, performanse i izdržljivost baterije. Prilikom punjenja, grafitna anoda je odgovoran za prihvatanje i skladištenje litijum jona. Kada je baterija ispražnjeni, litijum joni se kreću od anode do katode tako da an stvara se električna struja. Općenito najčešća komercijalno korištena anoda je grafit, koji u svom potpuno litiranom stanju LiC6 korelira sa maksimumom kapacitet od 1339 C/g (372 mAh/g). Ali s razvojem tehnologija, novih materijali kao što je silicijum su istraženi kako bi poboljšali gustinu energije za litijum-jonske baterije.

Šta je katoda?

Katoda radi na prihvatanju i oslobađanju pozitivno nabijenih litijum jona tokom trenutni ciklusi. Obično se sastoji od slojevite strukture slojevitog oksida (kao što je litijum kobalt oksid), polianion (kao što je litijum gvožđe fosfat) ili spinel (kao što je litijum-mangan oksid) obložen na kolektoru naboja (obično od aluminijuma).

Šta je elektrolit?

Kao litijumova so u organskom rastvaraču, elektrolit služi kao medij da se litijum joni kreću između anode i katode tokom punjenja i pražnjenje.

Šta je separator?

Kao tanka membrana ili sloj od neprovodnog materijala, separator radi na spriječiti anodu (negativnu elektrodu) i katodu (pozitivnu elektrodu). kratkog spoja, jer je ovaj sloj propustljiv za litijeve jone, ali ne i za elektrone. To također može osigurati stalan protok jona između elektroda tokom punjenja i pražnjenje. Stoga baterija može održavati stabilan napon i smanjiti se opasnost od pregrijavanja, izgaranja ili eksplozije.

Šta je strujni kolektor?

Strujni kolektor je dizajniran za prikupljanje struje koju proizvodi elektrode baterije i transportuje 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

Istraživanja o punjivim Li-ion baterijama datiraju iz 1960-ih, jedna od Najraniji primjer je CuF2/Li baterija koju je razvila NASA 1965. godine. I naftna kriza koji su se pojavili u svijetu 1970-ih, istraživači su svoju pažnju usmjerili na alternativu izvora energije, tako da je proboj koji je proizveo najraniji oblik moderna Li-ion baterija je napravljena zbog male težine i velike energije gustina litijum jonskih baterija. U isto vrijeme, Stanley Whittingham iz Exxona otkrili da se litijum joni mogu ubaciti u materijale kao što je TiS2 stvoriti punjivu bateriju 

Zato 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 veći napon i mnogo više stabilan na zraku, koji će se kasnije koristiti u prvoj komercijalnoj Li-ion bateriji, iako nije sam po sebi riješio uporni problem zapaljivost. Iste godine, Rachid Yazami je izumio litijum grafit elektroda (anoda). A onda 1991. godine, prvi punjivi litijum-jonski na svetu baterije su počele da ulaze na tržište 

U 2000-im, potražnja za litijum-jonskim baterije su se povećavale kako su prenosivi elektronski uređaji postali popularni, a to su pogoni litijum-jonske baterije da budu sigurnije i izdržljivije. Električna vozila su bila uveden 2010-ih, što je stvorilo novo tržište za litijum-jonske baterije. The razvoj novih proizvodnih procesa i materijala, kao što su silicijumske anode i elektroliti u čvrstom stanju, nastavio je da poboljšava performanse i sigurnost litijum-jonske baterije. Danas su litijum-jonske baterije postale neophodne naš svakodnevni život, pa istraživanje i razvoj novih materijala i tehnologije su u toku za poboljšanje performansi, efikasnosti i sigurnosti ove baterije.

4. Vrste litijum-jonskih baterija

Litijum-jonske baterije dolaze u različitim oblicima i veličinama, a ne sve oni su jednaki. Obično postoji pet vrsta litijum-jonskih baterija.

l Litijum kobalt oksid

Litijum-kobalt oksidne baterije se proizvode od litijum karbonata i kobalta, a poznate su i kao litijum-kobaltatne ili litijum-jonske kobaltne baterije. Imaju katodu od kobalt oksida i grafitnu ugljičnu anodu i litijeve ione migriraju sa anode na katodu tokom pražnjenja, sa obrnutim tokom kada je baterija napunjena. Što se tiče njegove primjene, koriste se u prijenosnim elektronski uređaji, električna vozila i sistemi za skladištenje obnovljive energije zbog njihove visoke specifične energije, niske stope samopražnjenja, visoke radne snage napon i širok temperaturni raspon. Ali obratite pažnju na brige o sigurnosti vezano za potencijal toplotnog bijega i nestabilnosti na visokim temperature.

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 u početku bila otkriven 1980-ih, s prvom publikacijom u Materials Research Bilten 1983. Jedna od prednosti LiMn2O4 je dobra termička svojstva stabilnost, što znači da je manja vjerovatnoća da će doživjeti toplinski bijeg, što takođe su sigurnije od drugih tipova litijum-jonskih baterija. Osim toga, mangan je u izobilju i široko dostupan, što ga čini održivijom opcijom u poređenju sa tim na katodne materijale koji sadrže ograničene resurse poput kobalta. kao rezultat toga, često se nalaze u medicinskoj opremi i uređajima, električnim alatima, električnim motocikle i druge aplikacije. Uprkos svojim prednostima, LiMn2O4 je siromašniji stabilnost ciklusa u poređenju sa LiCoO2, što znači da može zahtevati više česta zamjena, tako da možda nije pogodan za dugotrajno skladištenje energije sistemima.

l litijum gvožđe fosfat (LFP)

Fosfat se često koristi kao katoda u litijum-gvozdeno-fosfatnim baterijama poznate kao li-fosfatne baterije. Njihov nizak otpor je poboljšao njihovu toplinu stabilnost i sigurnost. Takođe su poznati po izdržljivosti i dugom životnom ciklusu, što ih čini najisplativijom opcijom u odnosu na druge vrste litijum-jonskih baterije. Zbog toga se ove baterije često koriste u električnim biciklima i druge aplikacije koje zahtijevaju dug životni ciklus i visok nivo sigurnosti. Ali njegovi nedostaci otežavaju brzi razvoj. Prvo, u poređenju sa druge vrste litijum-jonskih baterija, koštaju više jer koriste rijetke i skupe sirovine. Osim toga, litijum-željezo-fosfatne baterije imaju a niži radni napon, što znači da nekima možda neće odgovarati aplikacije koje zahtijevaju veći napon. Duže vrijeme punjenja ga čini a nedostatak 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 raznih materijala koji su univerzalni litijum-jonske baterije. Katoda napravljena od mješavine nikla, mangana i kobalt je uključen. Njegova visoka gustoća energije, dobre performanse biciklizma i a dug životni vek učinio ga je prvim izborom za električna vozila, skladištenje na mreži sistemima i drugim aplikacijama visokih performansi, što je dodatno doprinijelo na rastuću popularnost električnih vozila i sistema obnovljivih izvora energije. To povećanje kapaciteta, novi elektroliti i aditivi se koriste kako bi se to omogućilo napunite do 4,4V po ćeliji i više 

Od tada postoji trend prema NMC-miješanom Li-ion sistem je isplativ i pruža dobre performanse. nikl, mangan, i kobalt su tri aktivna materijala koji se mogu lako kombinirati kako bi odgovarali širokom niz aplikacija u automobilskoj industriji i sistemima za skladištenje energije (EES). česta vožnja biciklom. Iz čega vidimo da je NMC porodica sve više Međutim, njeni nuspojave su termički bijeg, opasnost od požara i okoliš zabrinutosti mogu omesti njegov dalji razvoj.

l Litijum titanat

Litijum titanat, često poznat kao li-titanat, je vrsta baterije koja ima a sve veći broj upotreba. Zbog svoje superiorne nanotehnologije, to je u stanju brzo se puni i prazni uz održavanje stabilnog napona, što ga čini pogodan za aplikacije velike snage kao što su električna vozila, komercijalna vozila i industrijski sistemi za skladištenje energije i skladištenje na nivou mreže 

Zajedno sa svojim sigurnost i pouzdanost, ove baterije se mogu koristiti za vojsku i svemir aplikacijama, kao i pohranjivanje energije vjetra i sunca i pametna konstrukcija mreže. Nadalje, prema Battery Spaceu, ove baterije bi mogle biti koriste se za sigurnosne kopije kritičnih za elektroenergetski sistem. Ipak, litijum titanat baterije su obično skuplje od tradicionalnih litijum-jonskih baterija do složenog procesa proizvodnje koji je potreban za njihovu proizvodnju.

5. Trendovi razvoja litijum-jonskih baterija

Globalni rast instalacija obnovljivih izvora energije je povećan povremena proizvodnja energije, stvarajući neuravnoteženu mrežu. Ovo je dovelo do a potražnja za baterijama.dok fokus na nultu emisiju ugljika i potrebu za kretanjem daleko od fosilnih goriva, odnosno uglja, za proizvodnju energije požurite više vlade da potaknu solarne i vjetroelektrane. Ove Instalacije su pogodne za sisteme za skladištenje baterija koji skladište višak energije generisano 

Stoga su vladini poticaji za poticanje Li-ion baterija Instalacije takođe pokreću razvoj litijum-jonskih baterija. na primjer, predviđa se da će globalna veličina tržišta NMC litijum-jonskih baterija porasti od US$ miliona u 2022. do miliona USD u 2029. godini; očekuje se da će rasti uz CAGR od % od 2023 do 2029. I sve veće potrebe aplikacija koje zahtijevaju velike zahtjeve Predviđeno je da će litijum-jonske baterije od 3000-10000 biti najbrže rastući segment tokom prognoziranog perioda (2022-2030).

6. Investiciona analiza litijum-jonskih baterija

Predviđa se da će tržište litijum-jonskih baterija rasti sa 51,16 USD milijardi u 2022. na 118,15 milijardi USD do 2030., pokazujući složenu godišnju stopa rasta od 4,72% tokom prognoziranog perioda (2022-2030), što zavisi od nekoliko faktora.

l Analiza krajnjeg korisnika

Instalacije u komunalnom sektoru su ključni pokretači za skladištenje energije baterija sistemi (BESS). Očekuje se da će ovaj segment porasti sa 2,25 milijardi dolara u 2021 5,99 milijardi dolara u 2030. uz CAGR od 11,5%. Li-ion baterije pokazuju viših 34,4% CAGR zbog niske baze rasta. Stambeno i poslovno skladište energije segmenti 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 pohod ka nulte emisije ugljika, s tim da kompanije daju neto-nula obećanja u naredna dva decenijama. Kompanije telekomunikacija i data centara prednjače u smanjenju emisije ugljika s povećanim fokusom na obnovljive izvore energije. Sve od kojih će promovirati brzi razvoj litijum-jonskih baterija kao kompanije pronalaze načine da osiguraju pouzdanu rezervnu kopiju i balansiranje mreže.

l Analiza tipa proizvoda

Zbog visoke cijene kobalta, baterija bez kobalta je jedna od njih trendovi razvoja litijum-jonskih baterija. Visokonaponski LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) sa visokom teoretskom gustoćom energije jedan je od najperspektivnijih Co-free katodni materijali dalje. Nadalje, eksperimentalni rezultati su to dokazali performanse ciklusa i C-rate LNMO baterije su poboljšane upotrebom polučvrsti elektrolit. Ovo se može predložiti da je anjonski COF sposoban snažno apsorbirajući Mn3+/Mn2+ i Ni2+ kroz Coulomb interakciju, obuzdavanje njihove destruktivne migracije 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 2030, potaknut komunalnim i industrijskim djelatnostima. Prestići će Sjevernu Ameriku i Evropa sa tržištem od 7,07 milijardi dolara u 2030. godini, sa rastom od 1,24 milijarde dolara 2021. na CAGR od 21,3%. Sjeverna Amerika i Evropa će biti sljedeće po veličini tržišta zbog njihovih ciljeva da dekarboniziraju svoje ekonomije i mrežu u narednom periodu dve decenije. LATAM će imati najveću stopu rasta na CAGR od 21,4% jer manje veličine i niske baze.

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

Kada kupujete optički solarni inverter, ne moraju biti samo cijena i kvalitet Uzimajući u obzir, treba imati na umu i druge faktore.

l Gustoća energije

Gustoća energije je količina pohranjene energije po jedinici zapremine. Više gustoća energije s manjom težinom i veličinom je veća između punjenja ciklusa.

l Sigurnost

Sigurnost je još jedan kritičan aspekt litijum-jonskih baterija od eksplozija i požari koji mogu nastati pri punjenju ili pražnjenju, pa je potrebno izaberite 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, koji nudi niz prednosti kao npr veća gustoća energije i duži životni ciklus. Na primjer, upotreba solid-state baterije u električnim automobilima značajno će povećati njihov domet sposobnost 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 rok trajanja datum pre kupovine. Litijum-jonske baterije imaju svojstvenu dužinu vijek trajanja zbog svoje kemije, ali svaka baterija se razlikuje jedna od druge ovisno o tome tip, specifikacije i način njihove izrade. Visokokvalitetne baterije će duže traju jer su iznutra napravljeni od finih materijala.