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, der bruger reversibel reduktion af lithium ioner til at lagre energi og er berømt deres høje energitæthed.

2. Strukturen af ​​lithium-ion-batterier

Generelt bruger de fleste kommercielle Li-ion-batterier interkaleringsforbindelser 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 kapaciteten, batteriets ydeevne og holdbarhed. Ved opladning er grafit-anoden ansvarlig for at modtage og opbevare lithium-ioner. Når batteriet er aflades, bevæger lithium-ionerne sig fra anoden til katoden, således at en elektrisk strøm dannes. Generelt den mest almindelige kommercielt anvendte anode er grafit, som i sin fuldt lithierede tilstand af LiC6 korrelerer til et maksimum kapacitet på 1339 C/g (372 mAh/g). Men med udviklingen af ​​teknologier, nye materialer som silicium er blevet undersøgt for at forbedre energitæthederne til 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 lithium-ioner at bevæge sig mellem anoden og katoden under opladning og udledning.

Hvad er separator?

Som en tynd membran eller et lag af ikke-ledende materiale fungerer separatoren til forhindre anoden (negativ elektrode) og katoden (positiv elektrode) i kortslutning, da dette lag er permeabelt for lithiumioner, men ikke for elektroner. Det kan også sikre en jævn strøm af ioner mellem elektroderne under opladning og udledning. Derfor kan batteriet opretholde en stabil spænding og reducere risikoen for overophedning, forbrænding eller eksplosion.

Hvad er nuværende samler?

Strømaftager er designet til at opsamle den strøm, der produceres af batteriets elektroder og transporterer det til det eksterne kredsløb, dvs vigtigt for at sikre optimal ydeevne og levetid på 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 De tidligste eksempler er et CuF2/Li-batteri udviklet af NASA i 1965. Og oliekrise ramte verden i 1970'erne, vendte forskere deres opmærksomhed mod alternative energikilder, så det gennembrud, der producerede den tidligste form for moderne Li-ion batteri blev lavet på grund af den lette vægt og høje energi tæthed af lithium-ion-batterier. Samtidig Stanley Whittingham fra Exxon opdagede, at lithium-ioner kunne indsættes i materialer som TiS2 til oprette 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 stabil i luft, som senere skulle bruges i det første kommercielle Li-ion batteri, selvom det ikke i sig selv løste det vedvarende problem med brændbarhed. Samme år opfandt Rachid Yazami lithiumgrafitten elektrode (anode). Og så i 1991, verdens første genopladelige lithium-ion batterier begyndte at komme på markedet 

I 2000'erne, efterspørgslen efter lithium-ion batterierne steg efterhånden som bærbare elektroniske enheder blev populære, hvilket driver lithium-ion-batterier for at være sikrere og mere holdbare. Elbiler var introduceret i 2010'erne, hvilket skabte et nyt marked for lithium-ion-batterier. De udvikling af nye fremstillingsprocesser og materialer, såsom siliciumanoder og solid-state elektrolytter, fortsatte med at forbedre ydeevnen og sikkerheden af lithium-ion batterier. I dag er lithium-ion-batterier blevet essentielle i vores dagligdag, så forskning og udvikling af nye materialer og teknologier er løbende 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 de gøres lige. Normalt er der fem slags lithium-ion-batterier.

l Lithium Cobalt Oxide

Lithium cobalt oxid batterier er fremstillet af lithium carbonat og kobolt og er også kendt som lithium cobaltate eller lithium-ion cobalt batterier. De har en koboltoxidkatode og en grafitcarbonanode og lithiumioner migrere fra anoden til katoden under afladning, med strømningen omvendt når batteriet er opladet. Hvad angår dens anvendelse, bruges de i bærbare elektroniske enheder, elektriske køretøjer og systemer til lagring af vedvarende energi på grund af deres høje specifikke energi, lave selvafladningshastighed, høje drift spænding og bredt temperaturområde. Men vær opmærksom på sikkerhedsproblemerne relateret til potentialet for termisk løb og ustabilitet ved høj temperaturer.

l Lithium-manganoxid

Lithium Mangan Oxide (LiMn2O4) er et katodemateriale, der er almindeligt anvendt i lithium-ion-batterier. Teknologien til denne slags batteri var 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 effekt stabilitet, hvilket betyder, at det er mindre sandsynligt at opleve termisk løbsk, hvilket er også sikrere end andre lithium-ion batterityper. Derudover er mangan rigelig og bredt tilgængelig, hvilket gør det til en mere bæredygtig løsning sammenlignet til katodematerialer, der indeholder begrænsede ressourcer som kobolt. Som følge heraf de findes ofte i medicinsk udstyr og udstyr, elværktøj, elektrisk motorcykler og andre applikationer. På trods af sine fordele er LiMn2O4 fattigere cykelstabilitet sammenlignet med LiCoO2, hvilket betyder, at det kan kræve mere hyppig udskiftning, så den er måske ikke så velegnet til langvarig energilagring systemer.

l Lithiumjernfosfat (LFP)

Fosfat bruges ofte som katode i lithiumjernfosfatbatterier kendt som li-phosphat-batterier. Deres lave modstand har forbedret deres varme stabilitet og sikkerhed. De er også berømte for holdbarhed og 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, de koster mere, fordi de bruger sjældne og dyre råvarer. Derudover har lithiumjernfosfatbatterier en lavere driftsspænding, hvilket betyder, at de måske ikke passer 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 medfølger. Dens høje energitæthed, gode cykelpræstationer og en lang levetid har gjort det til det første valg inden for elektriske køretøjer, netlager systemer og andre højtydende applikationer, hvilket yderligere har bidraget til den voksende popularitet af elektriske køretøjer og vedvarende energisystemer. Til øge kapaciteten, nye elektrolytter og additiver bruges til at gøre det muligt opladning til 4,4V/celle og højere 

Der er en tendens til NMC-blandet Li-ion siden systemet er omkostningseffektivt og giver god ydeevne. Nikkel, mangan, og kobolt er tre aktive materialer, der let kan kombineres, så de passer til en bred række applikationer til bilindustrien og energilagringssystemer (EES), der kræver hyppig cykling. Hvorfra vi kan se, at NMC-familien bliver mere forskellige Men dens bivirkninger af termisk løbsk, brandfare og miljø bekymringer kan hæmme dens videre udvikling.

l Lithium Titanat

Lithiumtitanat, ofte kendt som li-titanat, er en type batteri, der har en stigende antal anvendelser. På grund af sin overlegne nanoteknologi er den i stand til det hurtigt oplade og aflade, samtidig med at en stabil spænding opretholdes, hvilket gør det velegnet til højeffektapplikationer såsom elektriske køretøjer, kommercielle og industrielle energilagringssystemer og lagring på netniveau 

Sammen med sin sikkerhed og pålidelighed, kan disse batterier bruges til militær og rumfart applikationer, samt lagring af vind- og solenergi og konstruktion af smart gitter. Desuden kunne disse batterier ifølge Battery Space være ansat i systemkritiske sikkerhedskopieringer af strømsystemer. Ikke desto mindre lithiumtitanat batterier har tendens til at være dyrere end traditionelle lithium-ion batterier pga til den komplekse fremstillingsproces, der kræves for at fremstille dem.

5. Udviklingstendenserne for lithium-ion-batterier

Den globale vækst af vedvarende energianlæg er steget intermitterende energiproduktion, hvilket skaber et ubalanceret net. Dette har ført til en efterspørgsel efter batterier.mens fokus på nul CO2-udledning og behov for at flytte væk fra fossile brændstoffer, nemlig kul, til elproduktion kræver mere regeringer til at stimulere sol- og vindkraftanlæg. Disse installationer egner sig til batterilagringssystemer, der lagrer overskydende strøm genereret 

Derfor regeringen incitamenter til at incitamenter Li-ion batteri installationer driver også udviklingen af ​​lithium-ion-batterier. f.eks. den globale NMC Lithium-Ion Batteries markedsstørrelse forventes at vokse fra US$ millioner i 2022 til millioner dollars i 2029; det forventes at vokse med en CAGR på % fra 2023 til 2029. Og de stigende behov for applikationer, der kræver tungt belastninger forventes at gøre lithium-ion-batterier på 3000-10000 de hurtigste voksende segment i prognoseperioden (2022-2030).

6. Investeringsanalysen af ​​lithium-ion-batterier

Markedsindustrien for lithium-ion-batterier forventes at vokse fra USD 51,16 milliarder 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 lagring af batterienergi systemer (BESS). Dette segment forventes at vokse fra $2,25 milliarder i 2021 til 5,99 milliarder dollars i 2030 ved en CAGR på 11,5 %. Li-ion-batterier viser en højere 34,4 % CAGR på grund af deres lave vækstbase. Energilagring til boliger og erhverv segmenter er andre områder med et stort markedspotentiale på $5,51 milliarder i 2030, fra $1,68 milliarder i 2021. Industrisektoren fortsætter sin fremmarch nul CO2-emissioner, hvor virksomheder afgiver netto-nul løfter i de næste to årtier. Telekom- og datacentervirksomheder er på forkant med at reducere CO2-udledning med øget fokus på vedvarende energikilder. Alle hvoraf vil fremme den hurtige udvikling af lithium-ion-batterier som virksomheder finder måder at sikre pålidelig backup og netbalancering.

l Produkttypeanalyse

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

l Regional Analyse

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

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

Når du køber en optisk solcelle-inverter, skal ikke kun prisen og kvaliteten være taget i betragtning, bør andre faktorer også huskes.

l Energitæthed

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

l Sikkerhed

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

l Type

En af de seneste trends i lithium-ion batteriindustrien er udvikling af solid-state batterier, som giver en række fordele som f.eks højere energitæthed og længere livscyklus. For eksempel brugen af solid-state batterier i elbiler vil øge deres rækkevidde markant kapacitet og sikkerhed.

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 udløbet dato før 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 måden de er lavet på. Batterier af høj kvalitet vil holder længere, da de er lavet af fine materialer indeni.