Hvad er lithium-ion-batterier

1 Hvad er lithium-ion-batterier?

Et batteri er en elektrisk energikilde, der består af en eller flere elektrokemiske celler med eksterne forbindelser til strømforsyning af elektriske enheder Et lithium-ion- eller Li-ion-batteri er en type genopladeligt batteri, som bruger den reversible reduktion af lithium-ioner til at lagre energi og er berømt for deres høje energitæthed.

2 Strukturen af ​​lithium-ion-batterier

Generelt bruger de fleste kommercielle Li-ion-batterier interkalationsforbindelser som aktive materialer. De består typisk af flere lag af materialer, der er arrangeret i en bestemt rækkefølge for at lette den elektrokemiske proces, der gør det muligt for batteriet at lagre og frigive energi - anode, katode, elektrolyt, separator og strømaftager.

Hvad er anode?

Som en del af batteriet spiller anode en vigtig rolle i batteriets kapacitet, ydeevne og holdbarhed. Ved opladning er grafit-anoden ansvarlig for at modtage og opbevare lithium-ioner. Når batteriet er afladet, bevæger lithium-ionerne sig fra anoden til katoden, så der skabes en elektrisk strøm. Generelt er den mest almindelige kommercielt anvendte anode grafit, som i sin fuldt lithierede tilstand af LiC6 korrelerer til en maksimal kapacitet på 1339 C/g (372 mAh/g) Men med udviklingen af ​​teknologier er der blevet forsket i nye materialer som silicium for at forbedre energitætheden for lithium-ion-batterier.

Hvad er katode?

Katode arbejder for at acceptere og frigive positivt ladede lithium-ioner under aktuelle cyklusser. Det består normalt af en lagdelt struktur af et lagdelt oxid (såsom lithium cobaltoxid), en polyanion (såsom lithiumjernfosfat) eller en spinel (såsom lithiummanganoxid) belagt på en ladningsopsamler (normalt lavet af aluminium) 

Hvad er elektrolyt?

Som et lithiumsalt i et organisk opløsningsmiddel tjener elektrolytten som et medium for lithiumioner til at bevæge sig mellem anoden og katoden under opladning og afladning.

Hvad er separator?

Som en tynd membran eller et lag af ikke-ledende materiale virker separatoren for at forhindre anoden (negativ elektrode) og katoden (positiv elektrode) i at kortslutte, da dette lag er permeabelt for lithiumioner, men ikke for elektroner. Det kan også sikre den konstante strøm af ioner mellem elektroderne under op- og afladning. Derfor kan batteriet holde en stabil spænding og mindske risikoen for overophedning, forbrænding eller eksplosion.

Hvad er nuværende samler?

Strømaftager er designet til at opsamle strømmen produceret af batteriets elektroder og transportere den til det eksterne kredsløb, hvilket er vigtigt for at sikre optimal ydeevne og levetid for batteriet. Og normalt er det typisk lavet af en tynd plade af aluminium eller kobber.

3 Lithium-ion-batteriers udviklingshistorie

Forskning i genopladelige Li-ion-batterier stammer fra 1960'erne, et af de tidligste eksempler er et CuF2/Li-batteri udviklet af NASA i 1965 Og oliekrisen ramte verden i 1970'erne, forskere vendte deres opmærksomhed mod alternative energikilder, så det gennembrud, der producerede den tidligste form for det moderne Li-ion-batteri, blev lavet på grund af lithium-ion-batteriers lette vægt og høje energitæthed. Samtidig opdagede Stanley Whittingham fra Exxon, at lithium-ioner kunne indsættes i materialer som TiS2 for at skabe et genopladeligt batteri 

Så han forsøgte at kommercialisere dette batteri, men mislykkedes på grund af de høje omkostninger og tilstedeværelsen af ​​metallisk lithium i cellerne. I 1980 viste nyt materiale sig at tilbyde en højere spænding og var meget mere stabilt i luften, som senere ville blive brugt i det første kommercielle Li-ion batteri, selvom det ikke i sig selv løste det vedvarende problem med brændbarhed. samme år opfandt Rachid Yazami lithiumgrafitelektroden (anode). Og så i 1991 begyndte verdens første genopladelige lithium-ion-batterier at komme på markedet. I 2000'erne steg efterspørgslen efter lithium-ion-batterier, da bærbare elektroniske enheder blev populære, hvilket driver lithium-ion-batterier til at være sikrere og mere holdbare. Elbiler blev introduceret i 2010'erne, hvilket skabte et nyt marked for lithium-ion-batterier 

Udviklingen af ​​nye fremstillingsprocesser og materialer, såsom siliciumanoder og faststofelektrolytter, fortsatte med at forbedre ydeevnen og sikkerheden af ​​lithium-ion-batterier. I dag er lithium-ion-batterier blevet essentielle i vores daglige liv, så forskning og udvikling af nye materialer og teknologier er i gang for at forbedre ydeevnen, effektiviteten og sikkerheden af ​​disse batterier.

4. Typerne af lithium-ion-batterier

Lithium-ion-batterier kommer i en række forskellige former og størrelser, og ikke alle er lavet lige. Normalt er der fem slags lithium-ion-batterier.

l Lithium Cobalt Oxide

Lithium cobalt oxid batterier er fremstillet af lithium carbonat og cobalt og er også kendt som lithium cobaltate eller lithium-ion cobalt batterier De har en koboltoxid-katode og en grafit-carbonanode, og lithium-ioner migrerer fra anoden til katoden under afladning, og strømmen vender om, når batteriet oplades. Hvad angår dets anvendelse, bruges de i bærbare elektroniske enheder, elektriske køretøjer og vedvarende energilagringssystemer på grund af deres høje specifikke energi, lave selvafladningshastighed, høje driftsspænding og brede temperaturområde. Men vær opmærksom på sikkerhedsproblemerne i forbindelse til potentialet for termisk løb og ustabilitet ved høje temperaturer.

l Lithium-manganoxid

Lithium Mangan Oxide (LiMn2O4) er et katodemateriale, der almindeligvis anvendes i lithium-ion-batterier. Teknologien til denne slags batterier blev oprindeligt opdaget i 1980'erne, med den første publikation i Materials Research Bulletin i 1983. En af fordelene ved LiMn2O4 er, at den har god termisk stabilitet, hvilket betyder, at den er mindre tilbøjelig til at opleve termisk runaway, som også er sikrere end andre lithium-ion batterityper. Derudover er mangan rigeligt og bredt tilgængeligt, hvilket gør det til en mere bæredygtig mulighed sammenlignet med katodematerialer, der indeholder begrænsede ressourcer som kobolt. Som følge heraf findes de ofte i medicinsk udstyr og udstyr, elværktøj, elektriske motorcykler og andre applikationer. På trods af sine fordele er LiMn2O4 dårligere cyklusstabilitet sammenlignet med LiCoO2, hvilket betyder, at det kan kræve hyppigere udskiftning, så det er måske ikke så velegnet til langsigtede energilagringssystemer.

l Lithiumjernfosfat (LFP)

Fosfat bruges som katode i lithiumjernfosfatbatterier, ofte kendt som li-fosfatbatterier. Deres lave modstand har forbedret deres termiske stabilitet og sikkerhed De er også berømte for holdbarhed og en lang livscyklus, hvilket gør dem til den mest omkostningseffektive mulighed for andre typer lithium-ion-batterier. Derfor bruges disse batterier ofte i elcykler og andre applikationer, der kræver en lang livscyklus og høje sikkerhedsniveauer Men dens ulemper gør det svært at udvikle sig hurtigt. For det første, sammenlignet med andre typer lithium-ion-batterier, koster de mere, fordi de bruger sjældne og dyre råvarer. Derudover har lithiumjernfosfatbatterier en lavere driftsspænding, hvilket betyder, at de muligvis ikke er egnede til nogle applikationer, der kræver en højere spænding. Dens længere opladningstid gør den til en ulempe i applikationer, der kræver en hurtig genopladning.

l Lithium Nikkel Mangan Cobalt Oxide (NMC)

Lithium Nikkel mangan Cobalt Oxide batterier, ofte kendt som NMC batterier, er konstrueret af en række forskellige materialer, der er universelle i lithium-ion batterier. En katode konstrueret af en blanding af nikkel, mangan og kobolt er inkluderet Dens høje energitæthed, gode cykelydelse og lange levetid har gjort den til det første valg inden for elektriske køretøjer, netlagersystemer og andre højtydende applikationer, hvilket yderligere har bidraget til den voksende popularitet af elektriske køretøjer og vedvarende energisystemer. For at øge kapaciteten bruges nye elektrolytter og additiver, så den kan lade op til 4,4V/celle og højere. Der er en tendens til NMC-blandet Li-ion, da systemet er omkostningseffektivt og giver god ydeevne. Nikkel, mangan og kobolt er tre aktive materialer, der let kan kombineres for at passe til en lang række applikationer til bilindustrien og energilagringssystemer (EES), der kræver hyppig cykling.

 Hvorfra vi kan se, at NMC-familien bliver mere mangfoldig

Imidlertid kan dets bivirkninger af termisk flugt, brandfare og miljøhensyn hæmme dens videre udvikling.

l Lithium Titanat

Lithiumtitanat, ofte kendt som li-titanat, er en type batteri, der har et stigende antal anvendelser. På grund af sin overlegne nanoteknologi er den i stand til hurtigt at oplade og aflade, samtidig med at den opretholder en stabil spænding, hvilket gør den velegnet til højeffektapplikationer såsom elektriske køretøjer, kommercielle og industrielle energilagringssystemer og lagring på netniveau Sammen med dets sikkerhed og pålidelighed kan disse batterier bruges til militær- og rumfartsanvendelser, såvel som til lagring af vind- og solenergi og konstruktion af smarte net. Desuden kunne disse batterier ifølge Battery Space bruges i systemkritiske backups af strømsystemer Ikke desto mindre har lithium-titanat-batterier en tendens til at være dyrere end traditionelle lithium-ion-batterier på grund af den komplekse fremstillingsproces, der kræves for at producere dem.

5. Udviklingstendenserne for lithium-ion-batterier

Den globale vækst af vedvarende energiinstallationer har øget den intermitterende energiproduktion, hvilket har skabt et ubalanceret net. Dette har ført til en efterspørgsel efter batterier. Mens fokus på nul CO2-emissioner og behovet for at bevæge sig væk fra fossile brændstoffer, nemlig kul, til elproduktion får flere regeringer til at tilskynde til sol- og vindkraftinstallationer. Disse installationer egner sig til batterilagringssystemer, der lagrer overskydende strøm genereret. Derfor driver regeringens incitamenter til at tilskynde til Li-ion-batteriinstallationer også udviklingen af ​​lithium-ion-batterier For eksempel forventes den globale NMC Lithium-Ion Batteries markedsstørrelse at vokse fra USD millioner i 2022 til USD millioner i 2029; det forventes at vokse med en CAGR på % fra 2023 til 2029  Og det stigende behov for applikationer, der kræver tunge belastninger, forventes at gøre lithium-ion-batterier på 3000-10000 til det hurtigst voksende segment i prognoseperioden (2022-2030).

6 Investeringsanalysen af ​​lithium-ion-batterier

Markedsindustrien for lithiumionbatterier forventes at vokse fra 51,16 milliarder USD i 2022 til 118,15 milliarder USD i 2030, hvilket viser en sammensat årlig vækstrate på 4,72 % i prognoseperioden (2022-2030), hvilket afhænger af flere faktorer.

l Slutbrugeranalyse

Installationer i forsyningssektoren er nøgledrivere for batterienergilagringssystemer (BESS). Dette segment forventes at vokse fra $2,25 milliarder i 2021 til $5,99 milliarder i 2030 ved en CAGR på 11,5%.  Li-ion-batterier viser en højere CAGR på 34,4 % på grund af deres lave vækstbase. Bolig- og kommercielle energilagringssegmenter er andre områder med et stort markedspotentiale på $5,51 milliarder i 2030, fra $1,68 milliarder i 2021. Industrisektoren fortsætter sin march mod nul CO2-emissioner, hvor virksomheder giver netto-nul løfter i de næste to årtier. Telekom- og datacentervirksomheder er på forkant med at reducere kulstofemissioner med øget fokus på vedvarende energikilder Alt dette vil fremme den hurtige udvikling af  lithium-ion-batterier, efterhånden som virksomheder finder måder at sikre pålidelig backup og netbalancering.

l Produkttypeanalyse

På grund af den høje pris på kobolt er koboltfrit batteri en af ​​udviklingstendenserne for lithium-ion-batterier. Højspændings LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) med høj teoretisk energitæthed er et af de mest lovende Co-fri katodematerialer i den videre. Yderligere viste de eksperimentelle resultater, at cykling og C-rate ydeevnen af ​​LNMO batteri forbedres ved at bruge den halvfaste elektrolyt. Dette kan foreslås, at den anioniske COF er i stand til kraftigt at absorbere Mn3+/Mn2+ og Ni2+ gennem Coulomb-interaktion, hvilket begrænser deres destruktive migration til anoden. Derfor vil dette arbejde være gavnligt for kommercialiseringen af ​​LNMO katodemateriale.

l Regional Analyse

Asien-Stillehavsområdet vil være det største marked for stationære lithium-ion-batterier i 2030, drevet af forsyningsselskaber og industrier. Det vil overhale Nordamerika og Europa med et marked på $7,07 milliarder i 2030, der vokser fra $1,24 milliarder i 2021 ved en CAGR på 21,3%. Nordamerika og Europa vil være de næststørste markeder på grund af deres mål om at dekarbonisere deres økonomier og net i løbet af de næste to årtier. LATAM vil se den højeste vækstrate ved en CAGR på 21,4% på grund af dens mindre størrelse og lave base.

7 Ting at overveje for et lithium-ion-batteri af høj kvalitet

Når du køber en optisk solcelle-inverter, skal ikke kun pris og kvalitet tages i betragtning, men andre faktorer skal også huskes.

l Energitæthed

Energitætheden er mængden af ​​lagret energi pr. volumenenhed. Højere energitæthed med mindre vægt og størrelse er mere omfattende mellem opladningscyklusser.

E  Sikkerhed

Sikkerhed er et andet kritisk aspekt ved lithium-ion-batterier, da eksplosioner og brande, der kan opstå under opladning eller afladning, så det er nødvendigt at vælge batterier med forbedrede sikkerhedsmekanismer, såsom temperatursensorer og hæmmende stoffer.

l Type

En af de seneste trends inden for lithium-ion batteriindustrien er udviklingen af ​​solid-state batterier, som tilbyder en række fordele såsom højere energitæthed og en længere livscyklus. For eksempel vil brugen af ​​solid-state batterier i elbiler øge deres rækkevidde og sikkerhed betydeligt.

l Opladningshastighed

Opladningshastigheden afhænger af, hvor hurtigt batteriet oplades sikkert. Nogle gange tager batteriet lang tid at oplade, før de kan bruges.

l Levetid

 Intet batteri kører i hele levetiden, men har en udløbsdato. Tjek udløbsdatoen, før du foretager købet. Lithium-ion-batterier har en iboende længere levetid på grund af dets kemi, men hvert batteri adskiller sig fra hinanden afhængigt af typen, specifikationer og den måde, de er fremstillet på. Batterier af høj kvalitet holder længere, da de er lavet af fine materialer indeni.