Què són les bateries d'ions de liti

1 Què són les bateries d'ions de liti?

Una bateria és una font d'energia elèctrica formada per una o més cèl·lules electroquímiques amb connexions externes per alimentar dispositius elèctrics. Una bateria de ions de liti o de ions de liti és un tipus de bateria recarregable que utilitza la reducció reversible dels ions de liti per emmagatzemar energia i és famosa per la seva alta densitat d'energia.

2 L'estructura de les bateries d'ions de liti

En general, la majoria de bateries comercials d'ió liti utilitzen compostos d'intercalació com a materials actius. Normalment consisteixen en diverses capes de materials que es disposen en un ordre específic per facilitar el procés electroquímic que permet que la bateria emmagatzemi i alliberi energia: ànode, càtode, electròlit, separador i col·lector de corrent.

Què és l'ànode?

Com a component de la bateria, l'ànode té un paper important en la capacitat, el rendiment i la durabilitat de la bateria. Quan es carrega, l'ànode de grafit s'encarrega d'acceptar i emmagatzemar ions de liti. Quan la bateria es descarrega, els ions de liti es mouen de l'ànode al càtode de manera que es crea un corrent elèctric. Generalment, l'ànode més utilitzat comercialment és el grafit, que en el seu estat totalment litiat de LiC6 es correlaciona amb una capacitat màxima de 1339 C/g (372 mAh/g). Però amb el desenvolupament de les tecnologies, s'han investigat nous materials com el silici per millorar les densitats d'energia de les bateries d'ions de liti.

Què és el càtode?

El càtode treballa per acceptar i alliberar ions de liti carregats positivament durant els cicles actuals. Normalment consisteix en una estructura en capes d'un òxid en capes (com l'òxid de cobalt de liti), un polianió (com el fosfat de ferro de liti) o una espinela (com l'òxid de manganès de liti) recobert sobre un col·lector de càrrega (generalment fet d'alumini). 

Què és l'electròlit?

Com a sal de liti en un dissolvent orgànic, l'electròlit serveix com a mitjà perquè els ions de liti es moguin entre l'ànode i el càtode durant la càrrega i la descàrrega.

Què és el separador?

Com a membrana prima o capa de material no conductor, el separador funciona per evitar que l'ànode (elèctrode negatiu) i el càtode (elèctrode positiu) es facin curts, ja que aquesta capa és permeable als ions de liti però no als electrons. També pot garantir el flux constant d'ions entre els elèctrodes durant la càrrega i la descàrrega. Per tant, la bateria pot mantenir una tensió estable i reduir el risc de sobreescalfament, combustió o explosió.

Què és el col·lector actual?

El col·lector de corrent està dissenyat per recollir el corrent produït pels elèctrodes de la bateria i el transporta al circuit extern, la qual cosa és important per garantir un rendiment òptim i una longevitat de la bateria. I normalment es fa amb una fina làmina d'alumini o coure.

3 La història del desenvolupament de les bateries d'ions de liti

La investigació sobre bateries recarregables d'ions de liti data de la dècada de 1960, un dels primers exemples és una bateria CuF2/Li desenvolupada per la NASA a 1965 I la crisi del petroli va colpejar el món a la dècada de 1970, els investigadors van dirigir la seva atenció a les fonts d'energia alternatives, de manera que l'avenç que va produir la forma més antiga de la bateria moderna d'ions de liti es va fer a causa del pes lleuger i l'alta densitat d'energia de les bateries d'ions de liti. Al mateix temps, Stanley Whittingham d'Exxon va descobrir que els ions de liti es podien inserir en materials com el TiS2 per crear una bateria recarregable. 

Així que va intentar comercialitzar aquesta bateria però va fracassar per l'alt cost i la presència de liti metàl·lic a les cèl·lules. L'any 1980 es va trobar un material nou que oferia una tensió més alta i que era molt més estable a l'aire, que després s'utilitzaria en la primera bateria comercial d'ions de liti, tot i que no va resoldre, per si sol, el problema persistent de la inflamabilitat. el mateix any, Rachid Yazami va inventar l'elèctrode de grafit de liti (ànode). I després, el 1991, van començar a entrar al mercat les primeres bateries recarregables d'ions de liti del món. A la dècada de 2000, la demanda de bateries d'ions de liti va augmentar a mesura que es van fer populars els dispositius electrònics portàtils, cosa que fa que les bateries d'ions de liti siguin més segures i duradores. Els vehicles elèctrics es van introduir a la dècada de 2010, cosa que va crear un nou mercat per a les bateries d'ions de liti 

El desenvolupament de nous processos i materials de fabricació, com els ànodes de silici i els electròlits d'estat sòlid, va continuar millorant el rendiment i la seguretat de les bateries d'ions de liti. Avui en dia, les bateries d'ions de liti s'han convertit en essencials en la nostra vida diària, per la qual cosa la recerca i el desenvolupament de nous materials i tecnologies estan en curs per millorar el rendiment, l'eficiència i la seguretat d'aquestes bateries.

4.Els tipus de bateries d'ions de liti

Les bateries d'ió de liti tenen una varietat de formes i mides, i no totes són iguals. Normalment hi ha cinc tipus de bateries d'ions de liti.

l Òxid de cobalt de liti

Les bateries d'òxid de cobalt de liti es fabriquen a partir de carbonat de liti i cobalt i també es coneixen com a bateries de cobaltat de liti o cobalt d'ions de liti Tenen un càtode d'òxid de cobalt i un ànode de carboni grafit, i els ions de liti migren de l'ànode al càtode durant la descàrrega, amb el flux invertit quan es carrega la bateria. Pel que fa a la seva aplicació, s'utilitzen en dispositius electrònics portàtils, vehicles elèctrics i sistemes d'emmagatzematge d'energia renovable a causa de la seva alta energia específica, baixa taxa d'autodescàrrega, alt voltatge de funcionament i ampli rang de temperatures. Però presteu atenció a les preocupacions de seguretat relacionades amb la seva aplicació. al potencial de fuga tèrmica i inestabilitat a altes temperatures.

l Òxid de manganès de liti

L'òxid de manganès de liti (LiMn2O4) és un material càtode que s'utilitza habitualment en bateries d'ions de liti. La tecnologia per a aquest tipus de bateries es va descobrir inicialment als anys 80, amb la primera publicació al Materials Research Bulletin el 1983. Un dels avantatges de LiMn2O4 és que té una bona estabilitat tèrmica, el que significa que és menys probable que experimenti una fugida tèrmica, que també són més segures que altres tipus de bateries d'ions de liti. A més, el manganès és abundant i àmpliament disponible, cosa que el converteix en una opció més sostenible en comparació amb els materials càtodics que contenen recursos limitats com el cobalt. Com a resultat, es troben sovint en equips i dispositius mèdics, eines elèctriques, motocicletes elèctriques i altres aplicacions. Malgrat els seus avantatges, el LiMn2O4 té una estabilitat de cicle més pobre en comparació amb el LiCoO2, la qual cosa significa que pot requerir una substitució més freqüent, de manera que pot ser que no sigui tan adequat per a sistemes d'emmagatzematge d'energia a llarg termini.

l Fosfat de ferro de liti (LFP)

El fosfat s'utilitza com a càtode a les bateries de liti i fosfat de ferro, sovint conegudes com a bateries de li-fosfat. La seva baixa resistència han millorat la seva estabilitat tèrmica i seguretat També són famosos per la seva durabilitat i un llarg cicle de vida, cosa que els converteix en l'opció més rendible per a altres tipus de bateries d'ions de liti. En conseqüència, aquestes bateries s'utilitzen freqüentment en bicicletes elèctriques i altres aplicacions que requereixen un cicle de vida llarg i alts nivells de seguretat. Però els seus inconvenients fan que sigui difícil de desenvolupar-se ràpidament. En primer lloc, en comparació amb altres tipus de bateries d'ions de liti, costen més perquè utilitzen matèries primeres rares i cares. A més, les bateries de fosfat de ferro de liti tenen una tensió de funcionament més baixa, la qual cosa significa que poden no ser adequades per a algunes aplicacions que requereixen una tensió més alta. El seu temps de càrrega més llarg fa que sigui un desavantatge en aplicacions que requereixen una recàrrega ràpida.

l Òxid de cobalt de manganès de liti níquel (NMC)

Les bateries de liti níquel manganès d'òxid de cobalt, sovint conegudes com a bateries NMC, es construeixen amb una varietat de materials que són universals a les bateries d'ió de liti. S'inclou un càtode construït amb una barreja de níquel, manganès i cobalt La seva alta densitat d'energia, un bon rendiment en bicicleta i una llarga vida útil l'han convertit en la primera opció en vehicles elèctrics, sistemes d'emmagatzematge de xarxa i altres aplicacions d'alt rendiment, fet que ha contribuït encara més a la creixent popularitat dels vehicles elèctrics i sistemes d'energia renovable. Per augmentar la capacitat, s'utilitzen nous electròlits i additius per permetre que es carregui a 4,4 V/cel·la i més. Hi ha una tendència cap a l'ió de liti combinat amb NMC, ja que el sistema és rendible i ofereix un bon rendiment. El níquel, el manganès i el cobalt són tres materials actius que es poden combinar fàcilment per adaptar-se a una àmplia gamma d'aplicacions d'automoció i sistemes d'emmagatzematge d'energia (EES) que requereixen cicles freqüents.

 Des d'on podem veure que la família NMC és cada cop més diversa

Tanmateix, els seus efectes secundaris de la fugida tèrmica, els riscos d'incendi i les preocupacions ambientals poden dificultar el seu desenvolupament posterior.

l Titanat de liti

El titanat de liti, sovint conegut com a titanat de liti, és un tipus de bateria que té un nombre creixent d'usos. A causa de la seva nanotecnologia superior, és capaç de carregar i descarregar ràpidament mantenint una tensió estable, cosa que el fa molt adequat per a aplicacions d'alta potència com ara vehicles elèctrics, sistemes d'emmagatzematge d'energia comercials i industrials i emmagatzematge a nivell de xarxa. Juntament amb la seva seguretat i fiabilitat, aquestes bateries es podrien utilitzar per a aplicacions militars i aeroespacials, així com per emmagatzemar energia eòlica i solar i construir xarxes intel·ligents. A més, segons Battery Space, aquestes bateries es podrien utilitzar en còpies de seguretat crítiques del sistema d'alimentació No obstant això, les bateries de titanat de liti solen ser més cares que les bateries tradicionals d'ions de liti a causa del complex procés de fabricació necessari per produir-les.

5.Les tendències de desenvolupament de les bateries d'ions de liti

El creixement global de les instal·lacions d'energies renovables ha augmentat la producció d'energia intermitent, creant una xarxa desequilibrada. Això ha provocat una demanda de bateries, mentre que l'enfocament en les emissions zero de carboni i la necessitat d'allunyar-se dels combustibles fòssils, és a dir, el carbó, per a la producció d'energia fan que més governs incentivin les instal·lacions d'energia solar i eòlica. Aquestes instal·lacions es presten a sistemes d'emmagatzematge de bateries que emmagatzemen l'excés d'energia generada. Per tant, els incentius governamentals per incentivar les instal·lacions de bateries d'ions de liti també impulsen el desenvolupament de bateries d'ions de liti. Per exemple, es preveu que la mida del mercat global de bateries d'ions de liti NMC creixi de milions de dòlars EUA el 2022 a milions de dòlars EUA el 2029; s'espera que creixi a un CAGR del % des del 2023 fins a 2029  I es preveu que les creixents necessitats d'aplicacions que exigeixen càrregues pesades faran de les bateries d'ions de liti de 3000-10000 el segment de creixement més ràpid durant el període de previsió (2022-2030).

6 L'anàlisi de la inversió de les bateries d'ions de liti

Es preveu que la indústria del mercat de les bateries de ions de liti creixi de 51.160 milions de dòlars el 2022 a 118.150 milions de dòlars el 2030, mostrant una taxa de creixement anual composta del 4,72% durant el període de previsió (2022-2030), que depèn de diversos factors.

l Anàlisi de l'usuari final

Les instal·lacions del sector de serveis públics són motors clau per als sistemes d'emmagatzematge d'energia de bateries (BESS). S'espera que aquest segment creixi de 2.250 milions de dòlars el 2021 a 5.990 milions de dòlars el 2030 amb un CAGR de l'11,5%.  Les bateries d'ió de liti mostren un CAGR del 34,4% més alt a causa de la seva baixa base de creixement. Els segments d'emmagatzematge d'energia residencial i comercial són altres àrees amb un gran potencial de mercat de 5.510 milions de dòlars el 2030, des dels 1.680 milions de dòlars el 2021. El sector industrial continua la seva marxa cap a les emissions zero de carboni, amb les empreses fent compromisos nets zero en les properes dues dècades. Les empreses de telecomunicacions i centres de dades estan a l'avantguarda de la reducció de les emissions de carboni amb un enfocament més gran en les fonts d'energia renovables. Tot això promourà el ràpid desenvolupament de  bateries d'ions de liti a mesura que les empreses troben maneres d'assegurar una còpia de seguretat i un equilibri de xarxa fiables.

l Anàlisi de tipus de producte

A causa de l'alt preu del cobalt, la bateria sense cobalt és una de les tendències de desenvolupament de les bateries d'ió de liti. El LiNi0.5Mn1.5O4 d'alta tensió (LNMO) amb una alta densitat d'energia teòrica és un dels materials càtods lliures de co més prometedors en el futur. A més, els resultats experimentals van demostrar que el rendiment del cicle i la velocitat C de la bateria LNMO es millora mitjançant l'ús de l'electròlit semisòlid. Això es pot proposar que el COF aniònic és capaç d'absorbir fortament el Mn3+/Mn2+ i el Ni2+ mitjançant la interacció de Coulomb, restringint la seva migració destructiva a l'ànode. Per tant, aquest treball serà beneficiós per a la comercialització de material de càtode LNMO.

l Anàlisi Regional

Àsia-Pacífic serà el mercat de bateries d'ió de liti més gran l'any 2030, impulsat per les empreses i les indústries. Superarà Amèrica del Nord i Europa amb un mercat de 7.070 milions de dòlars el 2030, creixent des dels 1.240 milions de dòlars el 2021 a un CAGR del 21,3%. Amèrica del Nord i Europa seran els propers mercats més grans a causa dels seus objectius de descarbonitzar les seves economies i la xarxa durant les properes dues dècades. LATAM tindrà la taxa de creixement més alta amb un CAGR del 21,4% a causa de la seva mida més petita i la seva base baixa.

7 Coses a tenir en compte per a bateries d'ions de liti d'alta qualitat

A l'hora de comprar un inversor solar òptic, no només cal tenir en compte el preu i la qualitat, sinó que també cal tenir en compte altres factors.

l Densitat energètica

La densitat d'energia és la quantitat d'energia emmagatzemada per unitat de volum. La densitat d'energia més alta amb menys pes i mida és més extensa entre cicles de càrrega.

l  Seguretat

La seguretat és un altre aspecte crític de les bateries d'ions de liti ja que les explosions i incendis que es poden produir durant la càrrega o la descàrrega, és necessari escollir bateries amb mecanismes de seguretat millorats, com sensors de temperatura i substàncies inhibidores.

l Tipus

Una de les últimes tendències en la indústria de les bateries d'ió de liti és el desenvolupament de bateries d'estat sòlid, que ofereix una sèrie de beneficis com ara una major densitat d'energia i un cicle de vida més llarg. Per exemple, l'ús de bateries d'estat sòlid en cotxes elèctrics augmentarà significativament la seva capacitat d'autonomia i seguretat.

l Taxa de càrrega

La velocitat de càrrega depèn de la rapidesa amb què es carrega la bateria de manera segura. De vegades, la bateria triga molt a carregar-se abans que es pugui utilitzar.

l Vida útil

 La bateria no funciona durant tota la vida, però té una data de caducitat. Comproveu la data de caducitat abans de fer la compra. Les bateries d'ions de liti tenen una vida inherent més llarga a causa de la seva química, però cada bateria difereix entre si segons el tipus, les especificacions i la forma en què es fabriquen. Les bateries d'alta qualitat duraran més temps ja que estan fetes de materials nobles a l'interior.