Mis on liitiumioonakud

1 Mis on liitiumioonakud?

Aku on elektrienergia allikas, mis koosneb ühest või mitmest elektrokeemilisest elemendist, millel on välised ühendused elektriseadmete toiteks Liitiumioon- või liitiumioonaku on laetav aku, mis kasutab energia salvestamiseks liitiumioonide pööratavat redutseerimist ja on kuulus oma suure energiatiheduse poolest.

2 Liitiumioonakude struktuur

Üldiselt kasutavad enamik kaubanduslikke liitiumioonakusid aktiivsete materjalidena interkalatsiooniühendeid. Need koosnevad tavaliselt mitmest materjalikihist, mis on paigutatud kindlas järjekorras, et hõlbustada elektrokeemilist protsessi, mis võimaldab akul energiat salvestada ja vabastada – anood, katood, elektrolüüt, separaator ja voolukollektor.

Mis on anood?

Aku komponendina mängib anood olulist rolli aku mahutavuse, jõudluse ja vastupidavuse osas. Laadimisel vastutab grafiidianood liitiumioonide vastuvõtmise ja säilitamise eest. Kui aku tühjeneb, liiguvad liitiumioonid anoodilt katoodile, nii et tekib elektrivool. Üldjuhul on kõige levinum kaubanduslikult kasutatav anood grafiit, mis oma täisliitunud LiC6 olekus korreleerub maksimaalse võimsusega 1339 C/g (372 mAh/g). Kuid tehnoloogiate arenedes on liitium-ioonakude energiatiheduse parandamiseks uuritud uusi materjale, nagu räni.

Mis on katood?

Katood võtab vastu ja vabastab positiivselt laetud liitiumioonid voolutsüklite ajal. Tavaliselt koosneb see kihilisest struktuurist, mis koosneb kihilisest oksiidist (nagu liitiumkoobaltoksiid), polüanioonist (nagu liitiumraudfosfaat) või spinellist (nt liitiummangaanoksiid), mis on kaetud laengukollektoriga (tavaliselt valmistatud alumiiniumist). 

Mis on elektrolüüt?

Liitiumisoolana orgaanilises lahustis toimib elektrolüüt keskkonnana liitiumioonide liikumiseks anoodi ja katoodi vahel laadimise ja tühjenemise ajal.

Mis on eraldaja?

Õhukese membraani või mittejuhtiva materjali kihina töötab eraldaja, et vältida anoodi (negatiivne elektrood) ja katoodi (positiivne elektrood) lühistamist, kuna see kiht on liitiumioonide, kuid mitte elektronide läbilaskev. Samuti võib see tagada pideva ioonide voolu elektroodide vahel laadimise ja tühjendamise ajal. Seetõttu suudab aku säilitada stabiilse pinge ja vähendada ülekuumenemise, põlemise või plahvatuse ohtu.

Mis on praegune koguja?

Voolukollektor on ette nähtud aku elektroodide tekitatud voolu kogumiseks ja selle transportimiseks välisesse vooluringi, mis on oluline aku optimaalse jõudluse ja pikaealisuse tagamiseks. Ja tavaliselt on see tavaliselt valmistatud õhukesest alumiinium- või vaselehest.

3 Liitiumioonakude arendamise ajalugu

Taaslaetavate liitiumioonakude uurimine pärineb 1960. aastatest, üks varasemaid näiteid on NASA poolt aastal välja töötatud CuF2/Li aku. 1965 Ja naftakriis tabas maailma 1970. aastatel, teadlased pöörasid oma tähelepanu alternatiivsetele energiaallikatele, nii et läbimurre, mis tootis kaasaegse liitiumioonaku kõige varasema vormi, tehti liitiumioonakude kerge kaalu ja suure energiatiheduse tõttu. Samal ajal avastas Stanley Whittingham Exxonist, et liitiumioone saab sisestada sellistesse materjalidesse nagu TiS2, et luua laetav aku. 

Nii proovis ta seda akut turustada, kuid see ebaõnnestus kõrge hinna ja metallilise liitiumi olemasolu tõttu elementides. 1980. aastal leiti, et uus materjal pakub kõrgemat pinget ja oli õhus palju stabiilsem, mida hiljem kasutati esimeses müügil olevas liitiumioonakus, kuigi see üksi ei lahendanud püsivat süttivuse probleemi. samal aastal leiutas Rachid Yazami liitiumgrafiitelektroodi (anoodi). Ja siis 1991. aastal hakkasid turule tulema maailma esimesed taaslaetavad liitiumioonakud. 2000. aastatel suurenes nõudlus liitiumioonakude järele, kuna kaasaskantavad elektroonikaseadmed muutusid populaarseks, mis muudab liitiumioonakud ohutumaks ja vastupidavamaks. Elektrisõidukid võeti kasutusele 2010. aastatel, mis lõi liitiumioonakudele uue turu 

Uute tootmisprotsesside ja materjalide, nagu räni anoodid ja tahkiselektrolüüdid, arendamine jätkas liitiumioonakude jõudluse ja ohutuse parandamist. Tänapäeval on liitium-ioonakud muutunud meie igapäevaelus hädavajalikuks, mistõttu jätkub uute materjalide ja tehnoloogiate uurimine ja arendamine, et parandada nende akude jõudlust, tõhusust ja ohutust.

4. Liitiumioonakude tüübid

Liitium-ioonakusid on erineva kuju ja suurusega ning kõik need pole võrdsed. Tavaliselt on liitiumioonakusid viit tüüpi.

l Liitiumkoobaltoksiid

Liitiumkoobaltoksiidpatareid on valmistatud liitiumkarbonaadist ja koobaltist ning neid tuntakse ka kui liitiumkoobaltakuid või liitium-ioonakusid. Neil on koobaltoksiidi katood ja grafiidi süsinikanood ning liitiumioonid migreeruvad tühjenemise ajal anoodilt katoodile, kusjuures aku laadimisel muutub vool vastupidiseks. Mis puutub selle rakendusse, siis neid kasutatakse kaasaskantavates elektroonikaseadmetes, elektrisõidukites ja taastuvenergia salvestussüsteemides nende suure erienergia, madala isetühjenemise kiiruse, kõrge tööpinge ja laia temperatuurivahemiku tõttu. Kuid pöörake tähelepanu sellega seotud ohutusprobleemidele. termilise põgenemise ja ebastabiilsuse potentsiaali kõrgetel temperatuuridel.

l Liitiummangaanoksiid

Liitiummangaanoksiid (LiMn2O4) on katoodmaterjal, mida tavaliselt kasutatakse liitiumioonakudes. Seda tüüpi akude tehnoloogia avastati algselt 1980. aastatel, esmakordselt avaldati 1983. aastal Materials Research Bulletin. LiMn2O4 üks eeliseid on see, et sellel on hea termiline stabiilsus, mis tähendab, et sellel on vähem tõenäoline termiline ärajooks, mis on ka ohutum kui muud tüüpi liitiumioonakud. Lisaks on mangaani rikkalikult ja laialdaselt saadaval, mis muudab selle säästvamaks valikuks võrreldes katoodmaterjalidega, mis sisaldavad piiratud ressursse, nagu koobalt. Seetõttu leidub neid sageli meditsiiniseadmetes ja -seadmetes, elektrilistes tööriistades, elektrimootorratastes ja muudes rakendustes. Vaatamata oma eelistele on LiMn2O4 halvem rattasõidu stabiilsus võrreldes LiCoO2-ga, mis tähendab, et see võib vajada sagedasemat vahetamist, mistõttu ei pruugi see olla nii sobiv pikaajaliste energiasalvestussüsteemide jaoks.

l Liitiumraudfosfaat (LFP)

Fosfaati kasutatakse katoodina liitiumraudfosfaatpatareides, mida sageli nimetatakse liitiumfosfaatpatareideks. Nende madal takistus on parandanud nende termilist stabiilsust ja ohutust Need on kuulsad ka vastupidavuse ja pika eluea poolest, mistõttu on need teist tüüpi liitiumioonakude jaoks kõige kuluefektiivsemad. Seetõttu kasutatakse neid akusid sageli elektrijalgratastes ja muudes rakendustes, mis nõuavad pikka elutsüklit ja kõrget ohutust. Kuid selle puudused raskendavad selle kiiret arengut. Esiteks, võrreldes teist tüüpi liitiumioonakudega, maksavad need rohkem, kuna kasutavad haruldasi ja kalleid tooraineid. Lisaks on liitiumraudfosfaatpatareidel madalam tööpinge, mis tähendab, et need ei pruugi sobida mõne rakenduse jaoks, mis nõuavad kõrgemat pinget. Selle pikem laadimisaeg muudab selle kiiret laadimist nõudvates rakendustes ebasoodsaks.

l Liitium-nikkel-mangaankoobaltoksiid (NMC)

Liitium-nikkel-mangaan-koobaltoksiidpatareid, mida sageli nimetatakse NMC-akudeks, on valmistatud mitmesugustest materjalidest, mis on liitiumioonakudes universaalsed. Kaasas on katood, mis on valmistatud nikli, mangaani ja koobalti segust Selle suur energiatihedus, hea rattasõidu jõudlus ja pikk eluiga on muutnud selle esimeseks valikuks elektrisõidukites, võrgusalvestussüsteemides ja muudes suure jõudlusega rakendustes, mis on veelgi aidanud kaasa elektrisõidukite ja taastuvenergiasüsteemide kasvavale populaarsusele. Võimsuse suurendamiseks kasutatakse uusi elektrolüüte ja lisandeid, mis võimaldavad seda laadida 4,4 V/elemendi kohta ja kõrgemale. Suundumus on NMC-segatud liitiumioonide poole, kuna süsteem on kulutõhus ja tagab hea jõudluse. Nikkel, mangaan ja koobalt on kolm aktiivset materjali, mida saab hõlpsasti kombineerida, et need sobiksid paljude autotööstuse ja energiasalvestussüsteemide (EES) rakendustega, mis nõuavad sagedast jalgrattasõitu.

 Sellest näeme, et NMC perekond muutub mitmekesisemaks

Selle kõrvalmõjud termilise põgenemise, tuleohu ja keskkonnaprobleemide tõttu võivad aga takistada selle edasist arengut.

l Liitiumtitanaat

Liitiumtitanaat, sageli tuntud ka kui lititanaat, on akutüüp, mida kasutatakse üha rohkem. Tänu oma suurepärasele nanotehnoloogiale on see võimeline kiiresti laadima ja tühjendama, säilitades samal ajal stabiilse pinge, mis muudab selle hästi sobivaks suure võimsusega rakenduste jaoks, nagu elektrisõidukid, kaubanduslikud ja tööstuslikud energiasalvestussüsteemid ning võrgutasemel salvestamine. Koos ohutuse ja töökindlusega saab neid akusid kasutada sõjalistes ja kosmoserakendustes, samuti tuule- ja päikeseenergia salvestamiseks ning arukate võrkude ehitamiseks. Lisaks võib Battery Space'i andmetel neid akusid kasutada toitesüsteemi süsteemikriitiliste varukoopiate jaoks Sellegipoolest kipuvad liitiumtitanaatpatareid olema kallimad kui traditsioonilised liitiumioonakud, kuna nende valmistamiseks on vaja keerukat tootmisprotsessi.

5. Liitiumioonakude arengusuunad

Taastuvenergia käitiste ülemaailmne kasv on suurendanud vahelduvat energiatootmist, luues võrgu tasakaalustamata. See on toonud kaasa nõudluse akude järele. Samal ajal kui keskendumine süsinikdioksiidi heitkoguste puudumisele ja vajadus loobuda fossiilkütustest, nimelt kivisöest, sunnib rohkem valitsusi stiimuleid päikese- ja tuuleelektrijaamadele. Need paigaldised sobivad akusalvestussüsteemidega, mis salvestavad üleliigset toodetud võimsust. Seetõttu soodustavad liitiumioonakude väljatöötamist ka valitsuse stiimulid liitiumioonakude paigaldamise stimuleerimiseks. Näiteks prognoositakse, et globaalse NMC liitiumioonakude turu suurus kasvab 2022. aasta miljonilt USA dollarile 2029. aastal; Eeldatavasti kasvab see 2023. aastast kuni % CAGR-ga 2029  Ja raskeid koormusi nõudvate rakenduste kasvavad vajadused muudavad 3000–10 000 mahuga liitiumioonakud prognoosiperioodil (2022–2030) kõige kiiremini kasvavaks segmendiks.

6 Liitiumioonakude investeeringute analüüs

Liitiumioonakude turu tööstus kasvab prognooside kohaselt 51,16 miljardilt USA dollarilt 2022. aastal 118,15 miljardile USA dollarile 2030. aastaks, mis näitab prognoosiperioodil (2022–2030) 4,72% aastane liitkasvumäär, mis sõltub mitmest tegurist.

l Lõppkasutaja analüüs

Kommunaalsektori rajatised on aku energiasalvestussüsteemide (BESS) peamised tõukejõud. Eeldatakse, et see segment kasvab 2,25 miljardilt dollarilt 2021. aastal 5,99 miljardi dollarini 2030. aastal CAGR-iga 11,5%.  Liitiumioonakud näitavad nende madala kasvubaasi tõttu kõrgemat 34,4% CAGR-i. Elamu- ja kaubanduslikud energiasalvestussegmendid on muud valdkonnad, millel on suur turupotentsiaal, mis ulatub 2030. aastal 5,51 miljardi dollarini, võrreldes 1,68 miljardi dollariga 2021. aastal. Tööstussektor jätkab oma marssi süsinikdioksiidi heitkoguste vähendamise suunas, kusjuures ettevõtted võtavad järgmise kahe aastakümne jooksul lubadusi nullväärtusele. Telekommunikatsiooni- ja andmekeskuste ettevõtted on süsinikdioksiidi heitkoguste vähendamisel esirinnas, keskendudes rohkem taastuvatele energiaallikatele Kõik see soodustab selle kiiret arengut  liitiumioonakud, kuna ettevõtted leiavad viise usaldusväärse varunduse ja võrgu tasakaalustamise tagamiseks.

l Tootetüübi analüüs

Koobalti kõrge hinna tõttu on koobaltivaba aku liitium-ioonakude üks arengusuundi. Suure teoreetilise energiatihedusega kõrgepinge LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) on üks paljutõotavamaid kaasvaba katoodmaterjale. Lisaks näitasid katsetulemused, et pooltahke elektrolüüdi kasutamine parandab LNMO aku tsüklilisust ja C-kiirust. Võib arvata, et anioonne COF on võimeline Coulombi interaktsiooni kaudu tugevalt absorbeerima Mn3 + / Mn2 + ja Ni +, piirates nende hävitavat migratsiooni anoodile. Seetõttu on see töö kasulik LNMO katoodimaterjali turustamiseks.

l Piirkondlik analüüs

Aasia ja Vaikse ookeani piirkond on 2030. aastaks suurim statsionaarsete liitiumioonakude turg, mida juhivad kommunaalteenused ja tööstus. See edestab Põhja-Ameerikat ja Euroopat 7,07 miljardi dollari suuruse turuga 2030. aastal, kasvades 2021. aasta 1,24 miljardilt dollarilt CAGR-iga 21,3%. Põhja-Ameerika ja Euroopa on suuruselt järgmised turud, kuna nende eesmärk on järgmise kahe aastakümne jooksul oma majandust ja võrku dekarboniseerida. LATAM näeb oma väiksema suuruse ja madala baasi tõttu suurimat kasvumäära CAGR-ga 21,4%.

7 Asjad, mida kvaliteetsete liitiumioonakude puhul arvestada

Optilist päikeseinverterit ostes ei pea silmas pidama ainult hinda ja kvaliteeti, vaid tuleks silmas pidada ka muid tegureid.

l Energiatihedus

Energiatihedus on ruumalaühiku kohta salvestatud energia hulk. Suurem energiatihedus väiksema kaalu ja suurusega on laadimistsüklite vahel ulatuslikum.

l  Ohutus

Ohutus on liitium-ioonakude teine ​​kriitiline aspekt, kuna laadimisel või tühjenemisel võivad tekkida plahvatused ja tulekahjud, mistõttu tuleb valida täiustatud ohutusmehhanismidega akud, nagu temperatuuriandurid ja inhibeerivad ained.

l Tüüp

Liitium-ioonakude tööstuse üks viimaseid suundumusi on tahkisakude arendamine, mis pakub mitmeid eeliseid, nagu suurem energiatihedus ja pikem elutsükkel. Näiteks pooljuhtakude kasutamine elektriautodes suurendab oluliselt nende sõiduulatust ja ohutust.

l Laadimiskiirus

Laadimiskiirus sõltub sellest, kui kiiresti aku ohutult laetakse. Mõnikord võtab aku laadimine kaua aega, enne kui neid saab kasutada.

l Eluiga

 Aku ei tööta kogu eluea jooksul, kuid sellel on aegumiskuupäev. Enne ostu sooritamist kontrollige aegumiskuupäeva. Liitiumioonakudel on oma keemia tõttu pikem eluiga, kuid kõik akud erinevad üksteisest olenevalt tüübist, spetsifikatsioonidest ja valmistamisviisist. Kvaliteetsed akud kestavad kauem, kuna nende sees on valmistatud peenest materjalist.