Co jsou lithium-iontové baterie?

1. Co jsou lithium-iontové baterie?

Baterie je zdroj elektrické energie skládající se z jednoho nebo více elektrochemické články s externím připojením pro napájení elektrických zařízení. Lithium-iontová nebo Li-ion baterie je typ dobíjecí baterie, která využívá reverzibilní redukce iontů lithia pro ukládání energie a je známá svou vysokou hustota 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 pro usnadnění elektrochemického procesu, 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, výkon a výdrž baterie. Při nabíjení je grafitová anoda zodpovědný za přijímání a ukládání iontů lithia. Když je baterie vybité, ionty lithia se přesunou z anody na katodu, takže an vzniká elektrický proud. Obecně nejběžnější komerčně používaná anoda je grafit, který ve svém plně lithiovaném stavu LiC6 koreluje s maximem kapacita 1339 C/g (372 mAh/g). Ale s rozvojem technologií nové materiály, jako je křemík, byly zkoumány pro zlepšení hustoty energie pro lithium-iontové baterie.

Co je katoda?

Katoda pracuje na přijímání a uvolňování kladně nabitých iontů lithia aktuální cykly. Obvykle se skládá z vrstvené struktury vrstveného oxidu (jako je oxid lithný a kobaltnatý), polyanion (jako je fosforečnan lithno-železitý) nebo spinel (jako je oxid lithný a manganový) potažený na sběrači náboje (obvykle vyrobeno z hliníku).

Co je elektrolyt?

Jako lithná sůl v organickém rozpouštědle slouží elektrolyt jako médium aby se lithiové ionty během nabíjení pohybovaly mezi anodou a katodou vybíjení.

Co je to separátor?

Separátor funguje jako tenká membrána nebo vrstva nevodivého materiálu zabránit anodě (záporné elektrodě) a katodě (kladné elektrodě). zkrat, protože tato vrstva je propustná pro ionty lithia, ale ne pro elektrony. To může také zajistit stálý tok iontů mezi elektrodami během nabíjení a vybíjení. Proto může baterie udržovat stabilní napětí a snižovat se nebezpečí přehřátí, vznícení nebo výbuchu.

Co je sběrač proudu?

Sběrač proudu je navržen tak, aby sbíral proud produkovaný elektrod baterie a transportuje ji do vnějšího obvodu, který 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, jeden z nich nejranějším příkladem je baterie CuF2/Li vyvinutá NASA v roce 1965. A ropná krize zasáhl svět v 70. letech minulého století, výzkumníci obrátili svou pozornost k alternativě zdroje energie, takže průlom, který vytvořil nejranější formu moderní Li-ion baterie byla vyrobena z důvodu nízké hmotnosti a vysoké energie hustota lithium-iontových baterií. Zároveň Stanley Whittingham z Exxonu objevili, že ionty lithia mohou být vloženy do materiálů, jako je TiS2 vytvořit dobíjecí baterii 

Pokusil se tedy tuto baterii komercializovat, ale selhal kvůli vysoké ceně a přítomnosti kovového lithia v článcích. V roce 1980 bylo zjištěno, že nový materiál nabízí vyšší napětí a mnohem více stabilní na vzduchu, který by později byl použit v první komerční Li-ion baterii, ačkoli to samo o sobě nevyřešilo přetrvávající problém hořlavost. Ve stejném roce vynalezl Rachid Yazami lithiový grafit elektroda (anoda). A pak v roce 1991 první dobíjecí lithium-iontová baterie na světě baterie začaly vstupovat na trh 

V 2000s, poptávka po lithium-ion baterie rostly s tím, jak se stala populární přenosná elektronická zařízení, která pohání lithium-iontové baterie, aby byly bezpečnější a odolnější. Elektromobily byly představený v roce 2010, který vytvořil nový trh pro lithium-iontové baterie. The vývoj nových výrobních postupů a materiálů, jako jsou křemíkové anody a elektrolytů v pevné fázi pokračovalo ve zlepšování výkonu a bezpečnosti lithium-iontové baterie. V dnešní době se lithium-iontové baterie staly nezbytností náš každodenní život, takže výzkum a vývoj nových materiálů a technologie neustále zvyšují výkon, efektivitu a bezpečnost tyto baterie.

4. Typy lithium-iontových baterií

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

l Oxid lithný a kobaltnatý

Lithium-kobaltoxidové baterie jsou vyrobeny z uhličitanu lithného a kobaltové 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 migrují z anody na katodu během vybíjení, přičemž se tok obrátí když je baterie nabitá. Pokud jde o jeho aplikaci, používají se v přenosných elektronická zařízení, elektrická vozidla a systémy pro skladování obnovitelné energie kvůli jejich vysoké měrné energii, nízké rychlosti samovybíjení, vysokému provozu napětí a široký teplotní rozsah. Věnujte však pozornost otázkám bezpečnosti související s potenciálem tepelného úniku a nestability při vysoké teploty.

l Oxid lithný a manganatý

Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4) je katodový materiál, který se běžně používá v lithium-iontových bateriích. Technologie pro tento druh baterií byla zpočátku objevený v 80. letech 20. století s první publikací v Materials Research Bulletin v roce 1983. Jednou z výhod LiMn2O4 je, že má dobré tepelné vlastnosti stabilita, což znamená, že je méně pravděpodobné, že zažije tepelný útěk, který jsou také bezpečnější než jiné typy lithium-iontových baterií. Navíc je to mangan hojné a široce dostupné, což z něj činí udržitelnější možnost ve srovnání na katodové materiály, které obsahují omezené zdroje, jako je kobalt. v důsledku toho často se vyskytují v lékařských zařízeních a přístrojích, elektrickém nářadí, elektro motocykly a další aplikace. Přes své přednosti je LiMn2O4 chudší cyklická stabilita ve srovnání s LiCoO2, což znamená, že může vyžadovat více častou výměnou, takže nemusí být tak vhodný pro dlouhodobé skladování energie systémy.

l Lithium Iron Phosphate (LFP)

Fosfát se často používá jako katoda v lithiových železných fosfátových bateriích známé jako li-fosfátové baterie. Jejich nízký odpor zlepšil jejich tepelnou odolnost stabilitu a bezpečnost. Jsou také známé svou odolností a dlouhou životností, což z nich činí nejhospodárnější variantu k jiným typům lithium-iontových baterie. V důsledku toho se tyto baterie často používají v elektrických kolech a další aplikace vyžadující dlouhou životnost a vysokou úroveň bezpečnosti. Jeho nevýhody však znesnadňují rychlý vývoj. Za prvé, ve srovnání s jiné typy lithium-iontových baterií, jsou dražší, protože používají vzácné a drahé suroviny. Lithium-železofosfátové baterie mají navíc a nižší provozní napětí, což znamená, že pro některé nemusí být vhodné aplikace, které vyžadují vyšší napětí. Díky delší době nabíjení je a nevýhodou v aplikacích, které vyžadují rychlé dobití.

l Lithium Nikel Mangan Cobalt Oxid (NMC)

Lithium-nikl manganové baterie s oxidem kobaltem, často známé jako NMC baterie, jsou vyrobeny z různých materiálů, které jsou univerzální lithium-iontové baterie. Katoda vyrobená ze směsi niklu, manganu a kobalt je součástí. Jeho vysoká hustota energie, dobrý jízdní výkon a a dlouhá životnost z něj udělala první volbu v elektrických vozidlech, skladování v síti systémy a další vysoce výkonné aplikace, což dále přispělo k rostoucí popularitě elektrických vozidel a systémů obnovitelné energie. Na zvýšit kapacitu, používají se nové elektrolyty a přísady, které to umožňují nabíjejte na 4,4V/článek a vyšší 

Od té doby existuje trend směrem k Li-iontům ve směsi NMC systém je nákladově efektivní a poskytuje dobrý výkon. nikl, mangan, a kobalt jsou tři aktivní materiály, které lze snadno kombinovat tak, aby vyhovovaly širokému spektru řadu aplikací pro automobilový průmysl a systémy skladování energie (EES), které vyžadují časté ježdění na kole. Z čehož můžeme vidět, že se rodina NMC rozrůstá různorodé Nicméně, jeho vedlejší účinky tepelného úniku, nebezpečí požáru a životního prostředí obavy mohou bránit jeho dalšímu rozvoji.

l titaničitan lithný

Lithiumtitanát, často známý jako li-titanát, je typ baterie, která má a rostoucí počet použití. Díky své vynikající nanotechnologii je schopen rychle se nabíjí a vybíjí při zachování stabilního napětí, díky kterému je dobře se hodí pro aplikace s vysokým výkonem, jako jsou elektrická vozidla, komerční a průmyslové systémy skladování energie a skladování na úrovni sítě 

Spolu s jeho bezpečnost a spolehlivost, tyto baterie by mohly být použity pro armádu a letecký průmysl aplikace, stejně jako skladování větrné a solární energie a inteligentní konstrukce mřížky. Dále by podle Battery Space tyto baterie mohly být používá se v zálohách kritických pro energetický systém. Nicméně titaničitan lithný Baterie bývají dražší než tradiční lithium-iontové baterie na složitý výrobní proces nutný k jejich výrobě.

5. Vývojové trendy lithium-iontových baterií

Globální růst instalací obnovitelné energie se zvýšil přerušovaná výroba energie, vytvářející nevyváženou síť. To vedlo k a poptávka po bateriích. a zároveň se zaměřují na nulové emise uhlíku a je třeba se posunout pryč od fosilních paliv, jmenovitě uhlí, pro výrobu energie pobízet více vlády, aby podporovaly solární a větrné elektrárny. Tyto instalace se hodí k bateriovým úložným systémům, které ukládají přebytečnou energii vytvořené 

Proto vládní pobídky pobídky Li-ion baterie instalace také řídí vývoj lithium-iontových baterií. Například, Očekává se, že globální velikost trhu s lithium-iontovými bateriemi NMC poroste z USD milionů v roce 2022 na miliony USD v roce 2029; očekává se, že poroste o CAGR % od roku 2023 do roku 2029. A zvyšující se potřeby náročných aplikací zatížení je navrženo tak, aby lithium-iontové baterie 3000-10000 byly nejrychlejší rostoucí segment během prognózovaného období (2022–2030).

6. Investiční analýza lithium-iontových baterií

Očekává se, že trh s lithium-iontovými bateriemi poroste z 51,16 USD miliard v roce 2022 na 118,15 miliard USD do roku 2030, což představuje složený roční tempo růstu 4,72 % během prognózovaného období (2022–2030), což závisí na několik faktorů.

l Analýza koncového uživatele

Instalace v sektoru veřejných služeb jsou klíčovými hnacími silami pro skladování energie z baterií systémy (BESS). Očekává se, že tento segment poroste z 2,25 miliardy dolarů v roce 2021 na 5,99 miliardy dolarů v roce 2030 při CAGR 11,5 %. Li-ion baterie vykazují vyšší 34,4 % CAGR kvůli jejich nízké růstové základně. Rezidenční a komerční skladování energie segmenty jsou další oblasti s velkým tržním potenciálem ve výši 5,51 miliardy USD v roce 2030, z 1,68 miliardy $ v roce 2021. Průmyslový sektor pokračuje ve svém pochodu směrem k nulové emise uhlíku, přičemž v následujících dvou se společnosti zavázaly k nule desetiletí. Telekomunikační společnosti a společnosti pro datová centra jsou v čele snižování uhlíkových emisí se zvýšeným zaměřením na obnovitelné zdroje energie. Vše které podpoří rychlý vývoj lithium-iontových baterií as společnosti hledají způsoby, jak zajistit spolehlivé zálohování a vyvažování sítě.

l Analýza typu produktu

Vzhledem k vysoké ceně kobaltu je jednou z bezkobaltových baterií vývojové trendy lithium-iontových baterií. Vysokonapěťový LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) s vysokou teoretickou hustotou energie je jedním z nejslibnějších Co-free katodové materiály v dal. Navíc to potvrdily výsledky experimentů cyklování a C-rate výkon LNMO baterie je zlepšen použitím polotuhý elektrolyt. Toho lze navrhnout, že aniontový COF je schopen silně absorbuje Mn3+/Mn2+ a Ni2+ prostřednictvím Coulombovy interakce, omezení jejich destruktivní migrace k anodě. Proto tato práce bude být přínosem pro komercializaci katodového materiálu LNMO.

l Regionální analýza

Asie a Tichomoří bude největším trhem se stacionárními lithium-iontovými bateriemi 2030, tažené službami a průmyslem. Předběhne Severní Ameriku a Evropa s trhem ve výši 7,07 miliardy USD v roce 2030, který roste z 1,24 miliardy USD v roce 2021 při CAGR 21,3 %. Severní Amerika a Evropa budou další největší trhy kvůli jejich cílům dekarbonizovat své ekonomiky a rozvodnou síť v příštím období dvě desetiletí. LATAM zaznamená nejvyšší tempo růstu při CAGR 21,4 %, protože jeho menší velikosti a nízké základny.

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

Při nákupu optického solárního invertoru musí být nejen cena a kvalita je třeba mít na paměti i další faktory.

l Energetická hustota

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

l Bezpečnost

Bezpečnost je od exploze dalším kritickým aspektem lithium-iontových baterií a požáry, ke kterým může dojít při nabíjení nebo vybíjení, takže je nutné zvolte 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, který nabízí řadu výhod jako např vyšší hustota energie a delší životní cyklus. Například použití polovodičové baterie v elektromobilech výrazně zvýší jejich dojezd schopnosti a bezpečnosti.

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. Zkontrolujte expiraci datum před nákupem. Lithium-iontové baterie mají vlastní delší životnost díky své chemii, ale každá baterie se od sebe liší v závislosti na typ, specifikace a způsob jejich výroby. Vysoce kvalitní baterie budou vydrží déle, protože jsou uvnitř vyrobeny z jemných materiálů.