Co jsou lithium-iontové baterie

1 Co jsou to lithium-iontové baterie?

Baterie je zdroj elektrické energie skládající se z jednoho nebo více elektrochemických článků s externími přípojkami pro napájení elektrických zařízení Lithium-iontová nebo Li-ion baterie je typ dobíjecí baterie, která využívá reverzibilní redukci lithiových iontů k ukládání energie a je známá svou vysokou hustotou energie.

2 Struktura lithium-iontových baterií

Obecně většina komerčních Li-ion baterií používá interkalační sloučeniny jako aktivní materiály. Obvykle se skládají z několika vrstev materiálů, které jsou uspořádány ve specifickém pořadí, aby se usnadnil elektrochemický proces, který umožňuje baterii ukládat a uvolňovat energii – anoda, katoda, elektrolyt, separátor a sběrač proudu.

Co je anoda?

Jako součást baterie hraje anoda důležitou roli v kapacitě, výkonu a životnosti baterie. Při nabíjení je grafitová anoda zodpovědná za přijímání a ukládání iontů lithia. Když se baterie vybije, ionty lithia se přesunou z anody na katodu, takže vznikne elektrický proud. Obecně nejběžnější komerčně používanou anodou je grafit, který ve svém plně lithiovém stavu LiC6 koreluje s maximální kapacitou 1339 C/g (372 mAh/g) Ale s rozvojem technologií byly zkoumány nové materiály, jako je křemík, aby se zlepšila hustota energie pro lithium-iontové baterie.

Co je katoda?

Katoda pracuje na přijímání a uvolňování kladně nabitých iontů lithia během aktuálních cyklů. Obvykle se skládá z vrstvené struktury vrstveného oxidu (jako je oxid kobaltnatý lithný), polyaniontu (jako je fosforečnan lithno-železitý) nebo spinelu (jako je oxid lithný a manganu) potažených na sběrači náboje (obvykle vyrobeného z hliníku) 

Co je elektrolyt?

Jako lithná sůl v organickém rozpouštědle slouží elektrolyt jako médium pro pohyb iontů lithia mezi anodou a katodou během nabíjení a vybíjení.

Co je to separátor?

Jako tenká membrána nebo vrstva nevodivého materiálu funguje separátor tak, aby zabránil zkratu anody (záporná elektroda) a katody (kladná elektroda), protože tato vrstva je propustná pro ionty lithia, ale ne pro elektrony. Může také zajistit stálý tok iontů mezi elektrodami během nabíjení a vybíjení. Baterie proto dokáže udržet stabilní napětí a snížit riziko přehřátí, hoření nebo výbuchu.

Co je sběrač proudu?

Sběrač proudu je navržen tak, aby shromažďoval proud produkovaný elektrodami baterie a transportoval jej do vnějšího obvodu, což je důležité pro zajištění optimálního výkonu a dlouhé životnosti baterie. A obvykle je obvykle vyroben z tenkého hliníkového nebo měděného plechu.

3 Historie vývoje lithium-iontových baterií

Výzkum dobíjecích Li-ion baterií se datuje do 60. let 20. století, jedním z prvních příkladů je baterie CuF2/Li vyvinutá NASA v roce 1965 A ropná krize zasáhla svět v 70. letech 20. století, výzkumníci obrátili svou pozornost k alternativním zdrojům energie, takže průlom, který vytvořil nejranější formu moderní Li-ion baterie, byl učiněn díky nízké hmotnosti a vysoké hustotě energie lithium-iontových baterií. Stanley Whittingham ze společnosti Exxon ve stejné době objevil, že ionty lithia lze vložit do materiálů, jako je TiS2, a vytvořit tak dobíjecí baterii. 

Pokusil se tedy tuto baterii komercializovat, ale neuspěl kvůli vysoké ceně a přítomnosti kovového lithia v článcích. V roce 1980 bylo zjištěno, že nový materiál nabízí vyšší napětí a je mnohem stabilnější na vzduchu, což bylo později použito v první komerční Li-ion baterii, i když to samo o sobě nevyřešilo přetrvávající problém hořlavosti. ve stejném roce vynalezl Rachid Yazami lithiovou grafitovou elektrodu (anodu). A pak v roce 1991 začaly na trh vstupovat první dobíjecí lithium-iontové baterie na světě. V roce 2000 se poptávka po lithium-iontových bateriích zvýšila, protože přenosná elektronická zařízení se stala populární, což vede k tomu, že lithium-iontové baterie jsou bezpečnější a odolnější. Elektromobily byly představeny v roce 2010, což vytvořilo nový trh pro lithium-iontové baterie 

Vývoj nových výrobních procesů a materiálů, jako jsou křemíkové anody a polovodičové elektrolyty, nadále zlepšoval výkon a bezpečnost lithium-iontových baterií. V dnešní době se lithium-iontové baterie staly nezbytnou součástí našeho každodenního života, takže výzkum a vývoj nových materiálů a technologií neustále zlepšuje výkon, účinnost a bezpečnost těchto baterií.

4. Typy lithium-iontových baterií

Lithium-iontové baterie se dodávají v různých tvarech a velikostech a ne všechny jsou stejné. Normálně existuje pět druhů lithium-iontových baterií.

l Oxid lithný a kobaltnatý

Lithium-kobaltoxidové baterie se vyrábějí z uhličitanu lithného a kobaltu a jsou také známé jako lithium-kobaltové nebo lithium-iontové kobaltové baterie Mají katodu z oxidu kobaltu a anodu z grafitového uhlíku a ionty lithia během vybíjení migrují z anody na katodu, přičemž při nabíjení baterie se tok obrátí. Pokud jde o jejich aplikaci, používají se v přenosných elektronických zařízeních, elektrických vozidlech a systémech pro ukládání energie z obnovitelných zdrojů, protože mají vysokou specifickou energii, nízkou rychlost samovybíjení, vysoké provozní napětí a široký teplotní rozsah. Věnujte však pozornost bezpečnostním problémům. k potenciálnímu tepelnému úniku a nestabilitě při vysokých teplotách.

l Oxid lithný a manganatý

Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4) je katodový materiál, který se běžně používá v lithium-iontových bateriích. Technologie pro tento typ baterií byla původně objevena v 80. letech 20. století, s první publikací v Materials Research Bulletin v roce 1983. Jednou z výhod LiMn2O4 je, že má dobrou tepelnou stabilitu, což znamená, že je méně pravděpodobné, že dojde k tepelnému úniku, které jsou také bezpečnější než jiné typy lithium-iontových baterií. Kromě toho je mangan hojný a široce dostupný, což z něj činí udržitelnější možnost ve srovnání s katodovými materiály, které obsahují omezené zdroje, jako je kobalt. V důsledku toho se často vyskytují v lékařských zařízeních a zařízeních, elektrickém nářadí, elektrických motocyklech a dalších aplikacích. Přes své výhody má LiMn2O4 horší cyklickou stabilitu ve srovnání s LiCoO2, což znamená, že může vyžadovat častější výměnu, takže nemusí být tak vhodný pro systémy dlouhodobého skladování energie.

l Lithium Iron Phosphate (LFP)

Fosfát se používá jako katoda v lithium-železofosfátových bateriích, často známých jako li-fosfátové baterie. Jejich nízký odpor zlepšil jejich tepelnou stabilitu a bezpečnost Jsou také známé svou odolností a dlouhým životním cyklem, díky čemuž jsou cenově nejvýhodnější alternativou k jiným typům lithium-iontových baterií. V důsledku toho se tyto baterie často používají v elektrických kolech a dalších aplikacích vyžadujících dlouhou životnost a vysokou úroveň bezpečnosti. Jeho nevýhody však znesnadňují rychlý vývoj. Za prvé, ve srovnání s jinými typy lithium-iontových baterií jsou dražší, protože používají vzácné a drahé suroviny. Lithium-železofosfátové baterie mají navíc nižší provozní napětí, což znamená, že nemusí být vhodné pro některé aplikace, které vyžadují vyšší napětí. Jeho delší doba nabíjení jej činí nevýhodou v aplikacích, které vyžadují rychlé dobití.

l Lithium Nikel Mangan Cobalt Oxid (NMC)

Lithium-nikl-manganové baterie z oxidu kobaltnatého, často známé jako baterie NMC, jsou vyrobeny z různých materiálů, které jsou univerzální v lithium-iontových bateriích. Součástí je katoda vyrobená ze směsi niklu, manganu a kobaltu Jeho vysoká hustota energie, dobrý jízdní výkon a dlouhá životnost z něj udělaly první volbu v elektrických vozidlech, systémech ukládání do sítě a dalších vysoce výkonných aplikacích, což dále přispělo k rostoucí popularitě elektrických vozidel a systémů obnovitelné energie. Pro zvýšení kapacity se používají nové elektrolyty a přísady, které umožňují nabíjení na 4,4 V/článek a vyšší. Existuje trend směrem k Li-iontům ve směsi NMC, protože systém je nákladově efektivní a poskytuje dobrý výkon. Nikl, mangan a kobalt jsou tři aktivní materiály, které lze snadno kombinovat, aby vyhovovaly široké škále aplikací v automobilovém průmyslu a systémech skladování energie (EES), které vyžadují časté cyklování.

 Z čehož můžeme vidět, že rodina NMC je stále rozmanitější

Jeho vedlejší účinky tepelného úniku, nebezpečí požáru a obavy o životní prostředí však mohou bránit jeho dalšímu rozvoji.

l titaničitan lithný

Lithiumtitanát, často známý jako li-titanát, je typ baterie, který má stále větší počet použití. Díky své vynikající nanotechnologii je schopen se rychle nabíjet a vybíjet při zachování stabilního napětí, díky čemuž se dobře hodí pro aplikace s vysokým výkonem, jako jsou elektrická vozidla, komerční a průmyslové systémy skladování energie a úložiště na úrovni sítě. Spolu s jejich bezpečností a spolehlivostí by tyto baterie mohly být použity pro vojenské a letecké aplikace, stejně jako pro skladování větrné a solární energie a budování inteligentních sítí. Kromě toho by podle Battery Space mohly být tyto baterie použity v zálohách kritických pro systém napájení Nicméně lithium-titanátové baterie mají tendenci být dražší než tradiční lithium-iontové baterie kvůli složitému výrobnímu procesu potřebnému k jejich výrobě.

5. Vývojové trendy lithium-iontových baterií

Globální růst instalací obnovitelných zdrojů energie zvýšil přerušovanou výrobu energie a vytvořil nevyváženou síť. To vedlo k poptávce po bateriích. Zatímco zaměření na nulové emise uhlíku a potřeba odklonit se od fosilních paliv, jmenovitě uhlí, pro výrobu energie vedly více vlád k pobídkám k solárním a větrným elektrárnám. Tyto instalace se hodí k bateriovým úložným systémům, které ukládají přebytečnou vyrobenou energii. Proto vládní pobídky k pobídkám k instalaci Li-ion baterií také řídí vývoj lithium-iontových baterií Například se předpokládá, že velikost globálního trhu s lithium-iontovými bateriemi NMC vzroste z milionů USD v roce 2022 na miliony USD v roce 2029; očekává se, že od roku 2023 poroste o CAGR % 2029  Předpokládá se, že rostoucí potřeby aplikací vyžadujících velké zatížení učiní lithium-iontové baterie o kapacitě 3000–10000 nejrychleji rostoucím segmentem během prognózovaného období (2022–2030).

6 Investiční analýza lithium-iontových baterií

Očekává se, že průmysl trhu s lithium-iontovými bateriemi vzroste z 51,16 miliardy USD v roce 2022 na 118,15 miliardy USD do roku 2030, přičemž během prognózovaného období (2022-2030) bude vykazovat složenou roční míru růstu 4,72 %, což závisí na několika faktorech.

l Analýza koncového uživatele

Instalace v sektoru veřejných služeb jsou klíčovými hnacími silami pro systémy skladování energie z baterií (BESS). Očekává se, že tento segment poroste z 2,25 miliardy USD v roce 2021 na 5,99 miliardy USD v roce 2030 při CAGR 11,5 %.  Li-ion baterie vykazují vyšší CAGR 34,4 % kvůli jejich nízké růstové základně. Rezidenční a komerční segmenty skladování energie jsou další oblasti s velkým tržním potenciálem ve výši 5,51 miliardy USD v roce 2030 z 1,68 miliardy USD v roce 2021. Průmyslový sektor pokračuje ve svém pochodu směrem k nulovým emisím uhlíku, přičemž společnosti se v příštích dvou dekádách zavazují k nulové čistotě. Telekomunikační společnosti a společnosti pro datová centra jsou v čele snižování emisí uhlíku se zvýšeným zaměřením na obnovitelné zdroje energie To vše podpoří rychlý rozvoj  lithium-iontové baterie, protože společnosti nacházejí způsoby, jak zajistit spolehlivé zálohování a vyvažování sítě.

l Analýza typu produktu

Bezkobaltová baterie je z důvodu vysoké ceny kobaltu jedním z vývojových trendů lithium-iontových baterií. Vysokonapěťový LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) s vysokou teoretickou hustotou energie je jedním z nejslibnějších katodových materiálů bez obsahu Co. Dále experimentální výsledky prokázaly, že cyklování a C-rate výkon LNMO baterie se zlepší použitím polotuhého elektrolytu. To lze navrhnout tak, že aniontový COF je schopen silně absorbovat Mn3+/Mn2+ a Ni2+ prostřednictvím Coulombovy interakce, čímž omezuje jejich destruktivní migraci na anodu. Proto bude tato práce přínosem pro komercializaci katodového materiálu LNMO.

l Regionální analýza

Asie a Tichomoří bude do roku 2030 největším trhem se stacionárními lithium-iontovými bateriemi, a to díky utilitám a průmyslu. V roce 2030 předběhne Severní Ameriku a Evropu s trhem ve výši 7,07 miliardy USD, což poroste z 1,24 miliardy USD v roce 2021 při CAGR 21,3 %. Severní Amerika a Evropa budou příštími největšími trhy kvůli jejich cílům dekarbonizovat své ekonomiky a rozvodnou síť v průběhu příštích dvou desetiletí. LATAM zaznamená nejvyšší tempo růstu při CAGR 21,4 % kvůli své menší velikosti a nízké základně.

7 Co je třeba zvážit u vysoce kvalitních lithium-iontových baterií

Při nákupu optického solárního invertoru je třeba vzít v úvahu nejen cenu a kvalitu, ale také další faktory.

l Energetická hustota

Hustota energie je množství energie uložené na jednotku objemu. Vyšší hustota energie s menší hmotností a velikostí je mezi nabíjecími cykly rozsáhlejší.

l  Bezpečnost

Bezpečnost je dalším kritickým aspektem lithium-iontových baterií, protože exploze a požáry mohou nastat při nabíjení nebo vybíjení, takže je nutné zvolit baterie s vylepšenými bezpečnostními mechanismy, jako jsou teplotní senzory a inhibiční látky.

l Typ

Jedním z nejnovějších trendů v průmyslu lithium-iontových baterií je vývoj polovodičových baterií, které nabízejí řadu výhod, jako je vyšší hustota energie a delší životnost. Například použití polovodičových baterií v elektromobilech výrazně zvýší jejich dojezd a bezpečnost.

l Rychlost nabíjení

Rychlost nabíjení závisí na tom, jak rychle se baterie bezpečně nabije. Někdy se baterie nabíjí dlouho, než je lze použít.

l Životnost

 Žádná baterie neběží po celou dobu životnosti, ale má datum spotřeby. Před nákupem zkontrolujte datum expirace. Lithium-iontové baterie mají přirozeně delší životnost díky své chemii, ale každá baterie se od sebe liší v závislosti na typu, specifikacích a způsobu výroby. Vysoce kvalitní baterie vydrží déle, protože jsou uvnitř vyrobeny z jemných materiálů.