Was sind Lithium-Ionen-Batterien?

1. Was sind Lithium-Ionen-Batterien?

Eine Batterie ist eine elektrische Energiequelle, die aus einem oder mehreren besteht Elektrochemische Zellen mit Außenanschlüssen zur Stromversorgung elektrischer Geräte. Ein Lithium-Ionen- oder Li-Ionen-Akku ist eine wiederaufladbare Batterieart, die das nutzt reversible Reduktion von Lithium-Ionen zur Energiespeicherung und ist für ihre hohe Wirkung bekannt Energiedichte.

2. Die Struktur von Lithium-Ionen-Batterien

Im Allgemeinen verwenden die meisten kommerziellen Li-Ionen-Batterien Interkalationsverbindungen aktive Materialien. Sie bestehen typischerweise aus mehreren Materialschichten in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet, um den elektrochemischen Prozess zu erleichtern ermöglicht es der Batterie, Energie zu speichern und abzugeben – Anode, Kathode, Elektrolyt, Separator und Stromkollektor.

Was ist Anode?

Als Bestandteil der Batterie spielt die Anode eine wichtige Rolle für die Kapazität, Leistung und Haltbarkeit des Akkus. Beim Laden befindet sich die Graphitanode verantwortlich für die Aufnahme und Speicherung von Lithium-Ionen. Wenn die Batterie leer ist Entladen wandern die Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode, so dass ein elektrischer Strom entsteht. Im Allgemeinen die am häufigsten kommerziell verwendete Anode ist Graphit, der im vollständig lithiierten Zustand von LiC6 einem Maximum entspricht Kapazität von 1339 C/g (372 mAh/g). Aber mit der Entwicklung neuer Technologien Materialien wie Silizium wurden erforscht, um die Energiedichten zu verbessern für Lithium-Ionen-Batterien.

Was ist Kathode?

Die Kathode nimmt währenddessen positiv geladene Lithiumionen auf und gibt sie frei aktuelle Zyklen. Es besteht meist aus einer schichtförmigen Struktur eines schichtförmigen Oxids (wie etwa Lithiumkobaltoxid), ein Polyanion (wie etwa Lithiumeisenphosphat) oder ein Spinell (z. B. Lithiummanganoxid), der auf einen Ladungskollektor (normalerweise) aufgetragen wird aus Aluminium).

Was ist Elektrolyt?

Als Lithiumsalz in einem organischen Lösungsmittel dient der Elektrolyt als Medium damit sich Lithiumionen während des Ladevorgangs zwischen Anode und Kathode bewegen können und entladen.

Was ist ein Trennzeichen?

Als dünne Membran oder Schicht aus nichtleitendem Material funktioniert der Separator verhindern, dass die Anode (negative Elektrode) und die Kathode (positive Elektrode) beschädigt werden Kurzschluss, da diese Schicht für Lithiumionen, nicht aber für Elektronen durchlässig ist. Es kann auch während des Ladevorgangs für einen gleichmäßigen Ionenfluss zwischen den Elektroden sorgen und entladen. Daher kann die Batterie eine stabile Spannung aufrechterhalten und reduzieren Es besteht die Gefahr einer Überhitzung, Verbrennung oder Explosion.

Was ist ein Stromkollektor?

Der Stromkollektor dient zum Sammeln des von ihm erzeugten Stroms die Elektroden der Batterie und transportiert sie zum externen Stromkreis wichtig, um eine optimale Leistung und Langlebigkeit der Batterie zu gewährleisten. Und Normalerweise besteht es aus einem dünnen Aluminium- oder Kupferblech.

3. Die Entwicklungsgeschichte von Lithium-Ionen-Batterien

Die Forschung zu wiederaufladbaren Li-Ionen-Batterien reicht bis in die 1960er Jahre zurück Das früheste Beispiel ist eine 1965 von der NASA entwickelte CuF2/Li-Batterie. Und Ölkrise Als die Erfindung in den 1970er-Jahren auf die Welt kam, richteten die Forscher ihr Augenmerk auf Alternativen Energiequellen, also der Durchbruch, der die früheste Form der Energie hervorbrachte Moderne Li-Ionen-Akkus wurden wegen ihres geringen Gewichts und ihrer hohen Energie hergestellt Dichte von Lithium-Ionen-Batterien. Zur gleichen Zeit Stanley Whittingham von Exxon entdeckte, dass Lithiumionen in Materialien wie TiS2 eingebaut werden können Erstellen Sie eine wiederaufladbare Batterie 

Also versuchte er, diese Batterie zu kommerzialisieren scheiterte an den hohen Kosten und dem Vorhandensein von metallischem Lithium in den Zellen. Im Jahr 1980 wurde festgestellt, dass ein neues Material eine höhere Spannung bietet und viel mehr bietet stabil an der Luft, das später in der ersten kommerziellen Li-Ionen-Batterie verwendet werden sollte, obwohl dadurch das anhaltende Problem nicht gelöst werden konnte Entflammbarkeit. Im selben Jahr erfand Rachid Yazami den Lithiumgraphit Elektrode (Anode). Und dann im Jahr 1991 der weltweit erste wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akku Batterien kamen auf den Markt 

In den 2000er Jahren stieg die Nachfrage nach Lithium-Ionen Batterien nahmen zu, als tragbare elektronische Geräte, die Antriebe, populärer wurden Lithium-Ionen-Batterien sollen sicherer und langlebiger werden. Elektrofahrzeuge waren in den 2010er Jahren eingeführt, wodurch ein neuer Markt für Lithium-Ionen-Batterien entstand. Der Entwicklung neuer Herstellungsverfahren und Materialien, wie beispielsweise Siliziumanoden und Festkörperelektrolyte haben die Leistung und Sicherheit von weiter verbessert Lithium-Ionen-Batterien. Heutzutage sind Lithium-Ionen-Batterien unverzichtbar geworden unser tägliches Leben, also die Forschung und Entwicklung neuer Materialien und Es werden fortlaufend Technologien entwickelt, um die Leistung, Effizienz und Sicherheit zu verbessern diese Batterien.

4. Die Arten von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien gibt es in verschiedenen Formen und Größen und nicht in allen sie werden gleich gemacht. Normalerweise gibt es fünf Arten von Lithium-Ionen-Batterien.

l Lithiumkobaltoxid

Lithium-Kobaltoxid-Batterien werden aus Lithiumcarbonat und hergestellt Kobalt und werden auch als Lithium-Kobaltat- oder Lithium-Ionen-Kobalt-Batterien bezeichnet. Sie verfügen über eine Kobaltoxid-Kathode und eine Graphit-Kohlenstoff-Anode sowie Lithiumionen wandern bei der Entladung von der Anode zur Kathode, wobei sich der Fluss umkehrt wenn der Akku geladen ist. Was ihre Anwendung betrifft, werden sie in tragbaren Geräten verwendet elektronische Geräte, Elektrofahrzeuge und Speichersysteme für erneuerbare Energien aufgrund ihrer hohen spezifischen Energie, geringen Selbstentladungsrate und hohen Betriebsleistung Spannung und großer Temperaturbereich. Beachten Sie jedoch die Sicherheitsbedenken im Zusammenhang mit der Möglichkeit eines thermischen Durchgehens und einer Instabilität bei hohen Temperaturen Temperaturen.

l Lithiummanganoxid

Lithiummanganoxid (LiMn2O4) ist ein häufig verwendetes Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien. Die Technologie für diese Art von Batterie war ursprünglich wurde in den 1980er Jahren mit der ersten Veröffentlichung in der Zeitschrift Materials Research entdeckt Bulletin von 1983. Einer der Vorteile von LiMn2O4 besteht darin, dass es eine gute Wärmedämmung aufweist Stabilität, was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit eines thermischen Durchgehens geringer ist sind außerdem sicherer als andere Lithium-Ionen-Batterietypen. Darüber hinaus ist Mangan reichlich vorhanden und allgemein verfügbar, was es im Vergleich zu einer nachhaltigeren Option macht zu Kathodenmaterialien, die begrenzte Ressourcen wie Kobalt enthalten. Infolge, Sie kommen häufig in medizinischen Geräten und Geräten, Elektrowerkzeugen und Elektrowerkzeugen vor Motorräder und andere Anwendungen. Trotz seiner Vorteile ist LiMn2O4 ärmer Zyklenstabilität im Vergleich zu LiCoO2, was bedeutet, dass möglicherweise mehr erforderlich ist Da es häufig ausgetauscht werden muss, eignet es sich möglicherweise nicht so gut für die langfristige Energiespeicherung Systeme.

l Lithiumeisenphosphat (LFP)

Phosphat wird häufig als Kathode in Lithium-Eisenphosphat-Batterien verwendet bekannt als Li-Phosphat-Batterien. Ihr geringer Widerstand hat ihre thermische Verbesserung verbessert Stabilität und Sicherheit. Sie sind außerdem für ihre Langlebigkeit und einen langen Lebenszyklus bekannt. Damit sind sie die kostengünstigste Alternative zu anderen Lithium-Ionen-Typen Batterien. Daher werden diese Batterien häufig in Elektrofahrrädern verwendet und andere Anwendungen, die eine lange Lebensdauer und ein hohes Maß an Sicherheit erfordern. Aber seine Nachteile erschweren eine schnelle Entwicklung. Erstens im Vergleich zu Andere Arten von Lithium-Ionen-Batterien kosten mehr, weil sie seltene und seltene Batterien verwenden teure Rohstoffe. Darüber hinaus verfügen Lithium-Eisenphosphat-Batterien über eine niedrigere Betriebsspannung, was bedeutet, dass sie für manche möglicherweise nicht geeignet sind Anwendungen, die eine höhere Spannung erfordern. Seine längere Ladezeit macht es zu einem Nachteil bei Anwendungen, die ein schnelles Aufladen erfordern.

l Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC)

Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid-Batterien, oft auch als NMC bekannt Batterien bestehen aus einer Vielzahl von Materialien, die universell einsetzbar sind Lithium-Ionen-Batterien. Eine Kathode aus einer Mischung aus Nickel, Mangan und Kobalt ist enthalten. Seine hohe Energiedichte, gute Zyklenleistung und a Lange Lebensdauer hat es zur ersten Wahl bei Elektrofahrzeugen und Netzspeichern gemacht Systeme und andere Hochleistungsanwendungen, was einen weiteren Beitrag geleistet hat zur wachsenden Beliebtheit von Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energiesystemen. Zu Um die Kapazität zu erhöhen, werden neue Elektrolyte und Additive eingesetzt, um dies zu ermöglichen Laden auf 4,4 V/Zelle und höher 

Seitdem gibt es einen Trend zu NMC-gemischtem Li-Ion Das System ist kostengünstig und bietet eine gute Leistung. Nickel, Mangan, und Kobalt sind drei aktive Materialien, die leicht kombiniert werden können, um einem breiten Spektrum gerecht zu werden Eine Reihe von Anwendungen in den Bereichen Automobil und Energiespeichersysteme (EES), die Folgendes erfordern häufiges Radfahren. Wie wir sehen können, wird die NMC-Familie immer größer Die Nebenwirkungen sind jedoch vielfältig: thermisches Durchgehen, Brandgefahr und Umwelteinflüsse Bedenken könnten seine weitere Entwicklung behindern.

l Lithiumtitanat

Lithiumtitanat, oft auch als Li-Titanat bekannt, ist ein Batterietyp mit einem wachsende Zahl an Einsatzmöglichkeiten. Aufgrund seiner überlegenen Nanotechnologie ist es dazu in der Lage schnelles Laden und Entladen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer stabilen Spannung, was es ermöglicht gut geeignet für Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeuge und Nutzfahrzeuge und industrielle Energiespeichersysteme sowie Speicherung auf Netzebene 

Zusammen mit seiner Aufgrund ihrer Sicherheit und Zuverlässigkeit könnten diese Batterien für das Militär und die Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden Anwendungen, aber auch die Speicherung von Wind- und Sonnenenergie und intelligentes Bauen Gitter. Darüber hinaus könnten es diese Batterien laut Battery Space sein Wird in systemkritischen Backups von Stromversorgungssystemen eingesetzt. Dennoch,Lithiumtitanat Aufgrund dessen sind Batterien tendenziell teurer als herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien auf den komplexen Herstellungsprozess zurückzuführen, der zu ihrer Herstellung erforderlich ist.

5. Die Entwicklungstrends von Lithium-Ionen-Batterien

Das weltweite Wachstum erneuerbarer Energieanlagen hat zugenommen intermittierende Energieproduktion, wodurch ein unausgeglichenes Netz entsteht. Dies hat zu einem geführt Nachfrage nach Batterien. Während der Fokus auf Null-Kohlenstoff-Emissionen liegt und verschoben werden muss weg von fossilen Brennstoffen, nämlich Kohle, für mehr Stromerzeugung Regierungen sollen Anreize für Solar- und Windkraftanlagen schaffen. Diese Für Batteriespeichersysteme, die überschüssigen Strom speichern, bieten sich Anlagen an generiert 

Daher gibt es staatliche Anreize zur Förderung von Li-Ionen-Batterien Installationen treiben auch die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien voran. Zum Beispiel, Die globale Marktgröße für NMC-Lithium-Ionen-Batterien wird voraussichtlich von US-Dollar an wachsen Millionen im Jahr 2022 auf Millionen US-Dollar im Jahr 2029; Es wird erwartet, dass es mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von % wächst. von 2023 bis 2029. Und die steigenden Anforderungen anspruchsvoller Anwendungen Es wird erwartet, dass Lithium-Ionen-Batterien mit 3.000 bis 10.000 Lasten am schnellsten sind Wachstumssegment im Prognosezeitraum (2022-2030).

6. Die Investitionsanalyse von Lithium-Ionen-Batterien

Der Markt für Lithium-Ionen-Batterien wird voraussichtlich von 51,16 USD wachsen 2022 auf 118,15 Milliarden US-Dollar im Jahr 2030, was einem durchschnittlichen Jahresdurchschnitt entspricht Wachstumsrate von 4,72 % im Prognosezeitraum (2022-2030), was davon abhängt mehrere Faktoren.

l Endbenutzeranalyse

Installationen im Versorgungssektor sind wichtige Treiber für die Batteriespeicherung Systeme (BESS). Dieses Segment wird voraussichtlich von 2,25 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021 auf wachsen 5,99 Milliarden US-Dollar im Jahr 2030 bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 11,5 %. Li-Ionen-Akkus weisen einen höheren Wert von 34,4 % auf CAGR aufgrund ihrer geringen Wachstumsbasis. Energiespeicher für Privathaushalte und Gewerbe Segmente sind andere Bereiche mit einem großen Marktpotenzial von 5,51 Milliarden US-Dollar im Jahr 2030, von 1,68 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021. Der Industriesektor setzt seinen Marsch in Richtung fort Null CO2-Emissionen, wobei die Unternehmen in den nächsten beiden Jahren Netto-Null-Zusagen machen Jahrzehnte. Telekommunikations- und Rechenzentrumsunternehmen stehen bei der Reduzierung an vorderster Front CO2-Emissionen mit einem verstärkten Fokus auf erneuerbare Energiequellen. Alle Davon wird die schnelle Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien gefördert Unternehmen finden Wege, um eine zuverlässige Sicherung und einen zuverlässigen Netzausgleich sicherzustellen.

l Produkttypanalyse

Aufgrund des hohen Kobaltpreises gehören kobaltfreie Batterien dazu Entwicklungstrends von Lithium-Ionen-Batterien. Hochspannungs-LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) mit hoher theoretischer Energiedichte ist eines der vielversprechendsten Co-freien Kathodenmaterialien im weiteren. Darüber hinaus haben die experimentellen Ergebnisse dies bewiesen Die Zyklen- und C-Rate-Leistung der LNMO-Batterie wird durch die Verwendung verbessert halbfester Elektrolyt. Es kann davon ausgegangen werden, dass das anionische COF dazu in der Lage ist starke Absorption von Mn3+/Mn2+ und Ni2+ durch Coulomb-Wechselwirkung, ihre destruktive Migration zur Anode einzudämmen. Daher wird diese Arbeit Dies könnte für die Kommerzialisierung von LNMO-Kathodenmaterial von Vorteil sein.

l Regionale Analyse

Der asiatisch-pazifische Raum wird der größte Markt für stationäre Lithium-Ionen-Batterien sein 2030, angetrieben durch Versorgungsunternehmen und Industrie. Es wird Nordamerika überholen und Europa mit einem Markt von 7,07 Milliarden US-Dollar im Jahr 2030, gewachsen von 1,24 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021 mit einer CAGR von 21,3 %. Nordamerika und Europa werden die nächstgrößten sein Märkte aufgrund ihrer Ziele, ihre Wirtschaft und ihr Netz in den nächsten Jahren zu dekarbonisieren zwei Jahrzehnte. LATAM wird mit einer CAGR von 21,4 % die höchste Wachstumsrate verzeichnen, weil wegen seiner kleineren Größe und niedrigen Basis.

7. Dinge, die Sie bei hochwertigen Lithium-Ionen-Batterien beachten sollten

Beim Kauf eines optischen Solarwechselrichters müssen nicht nur der Preis und die Qualität entscheidend sein Wenn man dies berücksichtigt, sollten auch andere Faktoren berücksichtigt werden.

l Energiedichte

Die Energiedichte ist die pro Volumeneinheit gespeicherte Energiemenge. Höher Die Energiedichte bei geringerem Gewicht und größerer Größe ist zwischen den Ladevorgängen größer Zyklen.

l Sicherheit

Sicherheit ist seit Explosionen ein weiterer kritischer Aspekt von Lithium-Ionen-Batterien und Brände, die beim Laden oder Entladen auftreten können, daher ist dies erforderlich Wählen Sie Batterien mit verbesserten Sicherheitsmechanismen, wie z. B. Temperatursensoren und hemmende Substanzen.

l Typ

Einer der neuesten Trends in der Lithium-Ionen-Batterieindustrie ist Entwicklung von Festkörperbatterien, die eine Reihe von Vorteilen bietet, wie z höhere Energiedichte und eine längere Lebensdauer. Zum Beispiel die Verwendung von Feststoffbatterien in Elektroautos werden deren Reichweite deutlich erhöhen Leistungsfähigkeit und Sicherheit.

l Ladegeschwindigkeit

Die Ladegeschwindigkeit hängt davon ab, wie schnell der Akku sicher aufgeladen wird. Manchmal dauert das Aufladen des Akkus lange, bevor er verwendet werden kann.

l Lebensdauer

Keine Batterie läuft die gesamte Lebensdauer, hat aber ein Ablaufdatum. Überprüfen Sie den Ablauf Datum, bevor Sie den Kauf tätigen. Lithium-Ionen-Batterien haben eine inhärente längere Lebensdauer Die Lebensdauer hängt von der Chemie ab, aber jede Batterie unterscheidet sich von der anderen Typ, Spezifikationen und Art der Herstellung. Hochwertige Batterien werden es tun halten länger, da sie innen aus edlen Materialien bestehen.