Mis on liitiumioonakud?

1. Mis on liitiumioonakud?

Aku on elektrienergia allikas, mis koosneb ühest või mitmest välisühendustega elektrokeemilised elemendid elektriseadmete toiteks. Liitiumioon- või liitiumioonaku on laetav aku tüüp, mis kasutab liitiumioonide pöörduv redutseerimine energia salvestamiseks ja on kuulus nende kõrgeima taseme kohta energia tihedus.

2. Liitiumioonakude struktuur

Üldiselt kasutavad enamik kaubanduslikke liitiumioonakusid interkalatsiooniühendeid nagu aktiivsed materjalid. Need koosnevad tavaliselt mitmest materjalikihist, mis on korraldatud kindlas järjekorras, et hõlbustada elektrokeemilist protsessi, mis võimaldab akul energiat salvestada ja vabastada – anood, katood, elektrolüüt, eraldaja ja voolukollektor.

Mis on anood?

Aku komponendina mängib anood olulist rolli mahutavuses, aku jõudlust ja vastupidavust. Laadimisel on grafiidianood vastutab liitiumioonide vastuvõtmise ja säilitamise eest. Kui aku on tühjenemisel liiguvad liitiumioonid anoodilt katoodile nii, et an tekib elektrivool. Üldiselt kõige levinum kaubanduslikult kasutatav anood on grafiit, mis LiC6 täielikult liitunud olekus korreleerub maksimumiga võimsus 1339 C/g (372 mAh/g). Kuid tehnoloogiate arenguga on uus Energiatiheduse parandamiseks on uuritud selliseid materjale nagu räni liitium-ioonakude jaoks.

Mis on katood?

Katood võtab vastu ja vabastab positiivselt laetud liitiumioonid praegused tsüklid. Tavaliselt koosneb see kihilise oksiidi kihilisest struktuurist (nagu liitiumkoobaltoksiid), polüanioon (nt liitiumraudfosfaat) või spinell (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 ajal ja tühjenemine.

Mis on eraldaja?

Õhukese membraanina või mittejuhtiva materjali kihina töötab eraldaja vältida anoodi (negatiivne elektrood) ja katoodi (positiivne elektrood) eemaldumist lühis, kuna see kiht on läbilaskev liitiumioonidele, kuid mitte elektronidele. See võib tagada ka pideva ioonide voolu elektroodide vahel laadimise ajal ja tühjenemine. Seetõttu suudab aku säilitada stabiilse pinge ja vähendada ülekuumenemise, põlemise või plahvatuse oht.

Mis on praegune koguja?

Voolukollektor on loodud koguma vooluallika poolt toodetud voolu aku elektroodid ja transpordib selle välisesse vooluringi, mis on oluline, et tagada aku optimaalne jõudlus ja pikaealisus. Ja tavaliselt on see tavaliselt valmistatud õhukesest alumiinium- või vaselehest.

3. Liitiumioonakude arendamise ajalugu

Laetavate liitiumioonakude uurimine pärineb 1960. aastatest, üks neist Varaseimad näited on NASA poolt 1965. aastal välja töötatud CuF2/Li aku. Ja naftakriis tabas maailma 1970. aastatel, pöörasid teadlased tähelepanu alternatiividele energiaallikad, seega läbimurre, mis tootis varaseima vormi kaasaegne liitiumioonaku valmistati kerge kaalu ja suure energia tõttu liitiumioonakude tihedus. Samal ajal Stanley Whittingham Exxonist avastas, et liitiumioone saab sisestada sellistesse materjalidesse nagu TiS2 to luua laetav aku 

Nii et ta püüdis seda akut turustada, kuid ebaõnnestus kõrge hinna ja metallilise liitiumi olemasolu tõttu rakkudes. 1980. aastal leiti, et uus materjal pakub kõrgemat pinget ja oli palju enamat stabiilne õhu käes, mida hiljem kasutati esimeses kaubanduslikus Li-ioon akus, kuigi see üksi ei lahendanud püsivat probleemi süttivus.Samal aastal leiutas Rachid Yazami liitiumgrafiidi elektrood (anood). Ja siis 1991. aastal maailma esimene laetav liitiumioon akud hakkasid turule tulema 

2000. aastatel tekkis nõudlus liitiumioonide järele akud suurenesid, kuna populaarseks said kaasaskantavad elektroonikaseadmed, mis juhivad liitiumioonakud, et need oleksid ohutumad ja vastupidavamad. Elektrisõidukid olid kasutusele 2010. aastatel, mis lõi liitiumioonakudele uue turu. The uute tootmisprotsesside ja materjalide, näiteks ränianoodide väljatöötamine ja tahkis-elektrolüüdid, parandasid jätkuvalt nende jõudlust ja ohutust liitium-ioonakud. Tänapäeval on liitiumioonakud muutunud hädavajalikuks meie igapäevaelu, seega uute materjalide uurimine ja arendamine ning tehnoloogiad on käimas, et parandada nende jõudlust, tõhusust ja ohutust need akud.

4. Liitiumioonakude tüübid

Liitiumioonakusid on erineva kuju ja suurusega ning mitte kõiki need tehakse võrdseks. Tavaliselt on liitiumioonakusid viit tüüpi.

l Liitiumkoobaltoksiid

Liitiumkoobaltoksiidpatareid on valmistatud liitiumkarbonaadist ja koobalt ja neid tuntakse ka liitiumkoobalti- või liitium-ioonakudena. Neil on koobaltoksiidi katood ja grafiidi süsinikanood ning liitiumioonid migreeruvad tühjenemise ajal anoodilt katoodile, kusjuures vool muutub vastupidiseks kui aku on laetud. Mis puutub selle rakendusse, siis neid kasutatakse kaasaskantavates elektroonikaseadmed, elektrisõidukid ja taastuvenergia salvestussüsteemid nende kõrge erienergia, madala isetühjenemise ja kõrge töövõime tõttu pinge ja lai temperatuurivahemik. Kuid pöörake tähelepanu ohutusprobleemidele seotud termilise põgenemise ja kõrge ebastabiilsusega temperatuurid.

l Liitiummangaanoksiid

Liitiummangaanoksiid (LiMn2O4) on tavaliselt kasutatav katoodmaterjal liitium-ioonakudes. Seda tüüpi akude tehnoloogia oli algselt avastati 1980. aastatel, avaldades esmakordselt ajakirjas Materials Research Bülletään 1983. aastal. LiMn2O4 üks eeliseid on hea termiline omadus stabiilsus, mis tähendab, et termiliselt põgenemise tõenäosus on väiksem on ka ohutumad kui muud tüüpi liitiumioonakud. Lisaks on mangaan rikkalik ja laialdaselt kättesaadav, mis teeb sellest säästvama valiku katoodmaterjalidele, mis sisaldavad piiratud ressursse, nagu koobalt. Selle tulemusena neid leidub sageli meditsiiniseadmetes ja -seadmetes, elektrilistes tööriistades, elektrilistes mootorrattad ja muud rakendused. Vaatamata oma eelistele, LiMn2O4 vaesem rattasõidu stabiilsus võrreldes LiCoO2-ga, mis tähendab, et see võib nõuda rohkem sagedane asendamine, mistõttu ei pruugi see olla nii sobiv pikaajaliseks energia salvestamiseks süsteemid.

l Liitiumraudfosfaat (LFP)

Fosfaati kasutatakse sageli liitiumraudfosfaatpatareides katoodina tuntud kui li-fosfaatpatareid. Nende madal takistus on parandanud nende soojuslikkust stabiilsus ja ohutus. Nad on kuulsad ka vastupidavuse ja pika eluea poolest, mis muudavad need teist tüüpi liitiumioonide jaoks kõige kulutõhusamaks valikuks patareid. Seetõttu kasutatakse neid akusid sageli elektrijalgratastes ja muud rakendused, mis nõuavad pikka elutsüklit ja kõrget ohutust. Kuid selle puudused raskendavad selle kiiret arengut. Esiteks, võrreldes muud tüüpi liitium-ioonakud, maksavad need rohkem, kuna kasutavad haruldasi ja kallis tooraine. Lisaks on liitiumraudfosfaatpatareidel a madalam tööpinge, mis tähendab, et mõnele ei pruugi need sobida rakendusi, mis nõuavad kõrgemat pinget. Selle pikem laadimisaeg muudab selle a puuduseks rakendustes, mis nõuavad kiiret laadimist.

l Liitium-nikkel-mangaankoobaltoksiid (NMC)

Liitium-nikkel-mangaan-koobaltoksiidpatareid, sageli tuntud kui NMC patareid, on valmistatud erinevatest materjalidest, mis on universaalsed liitium-ioonakud. Katood, mis on valmistatud nikli, mangaani ja koobalt on kaasas. Selle kõrge energiatihedus, hea rattasõiduvõime ja a pikk eluiga on muutnud selle esimeseks valikuks elektrisõidukites, võrguhoidlates süsteemid ja muud suure jõudlusega rakendused, mis on veelgi kaasa aidanud elektrisõidukite ja taastuvenergiasüsteemide populaarsuse kasvu. To võimsuse suurendamiseks kasutatakse selle võimaldamiseks uusi elektrolüüte ja lisandeid laadige 4,4 V / elemendi kohta ja rohkem 

Alates sellest ajast on suundumus NMC-segatud liitiumioonide poole süsteem on kulutõhus ja tagab hea jõudluse. nikkel, mangaan, ja koobalt on kolm aktiivset materjali, mida saab hõlpsasti kombineerida, et sobida laiale autotööstuse ja energiasalvestussüsteemide (EES) rakendused, mis nõuavad sage jalgrattasõit. Millest näeme, et NMC perekond on muutumas mitmekesine Kuid selle kõrvalmõjud termiline põgenemine, tuleoht ja keskkond mured võivad selle edasist arengut takistada.

l Liitiumtitanaat

Liitiumtitanaat, sageli tuntud kui liitiumtitanaat, on teatud tüüpi aku, millel on a kasutuste arv kasvab. Tänu oma suurepärasele nanotehnoloogiale on see võimeline kiiresti laadida ja tühjendada, säilitades samal ajal stabiilse pinge, mis muudab selle sobib hästi suure võimsusega rakendustele, nagu elektrisõidukid, kommertssõidukid ja tööstuslikud energiasalvestussüsteemid ning võrgutasemel salvestamine 

Koos sellega ohutuse ja töökindluse tõttu saaks neid akusid kasutada sõjanduses ja kosmosetööstuses rakendusi, samuti tuule- ja päikeseenergia salvestamist ning nutikat ehitamist võred. Lisaks võivad Battery Space'i järgi need akud olla kasutatakse toitesüsteemi süsteemikriitilistes varukoopiates. Sellegipoolest liitiumtitanaat akud kipuvad olema kallimad kui traditsioonilised liitiumioonakud nende tootmiseks vajalike keerukate tootmisprotsessidega.

5. Liitiumioonakude arengusuunad

Taastuvenergia käitiste ülemaailmne kasv on suurenenud vahelduv energiatootmine, tekitades tasakaalustamata võrgu. See on viinud a nõudlus akude järele.samas keskendutakse süsinikuheite nullile ja vajadus liikuda fossiilkütustest, nimelt kivisöest, elektritootmise jaoks vaja rohkem valitsused stimuleerima päikese- ja tuuleenergia rajatisi. Need paigaldised sobivad akusalvestussüsteemidega, mis salvestavad liigset energiat loodud 

Seetõttu on valitsuse stiimulid liitium-ioon aku stimuleerimiseks rajatised ajendavad ka liitiumioonakude arendamist. Näiteks globaalse NMC liitiumioonakude turu suurus prognooside kohaselt kasvab USA dollarilt miljonit USA dollarit 2022. aastal miljoni USA dollarini 2029. aastal; eeldatakse, et see kasvab CAGR-ga % 2023-2029. Ja kasvavad vajadused raskete rakenduste järele prognooside kohaselt muudavad liitiumioonakud 3000–10 000 kiireimaks kasvav segment prognoosiperioodil (2022-2030).

6. Liitiumioonakude investeeringute analüüs

Liitiumioonakude turu tööstus kasvab prognooside kohaselt 51,16 USA dollarilt miljardit 2022. aastal 118,15 miljardi USA dollarini 2030. aastaks, mis näitab iga-aastast kasvumäär 4,72% prognoosiperioodil (2022-2030), mis sõltub mitmed tegurid.

l Lõppkasutaja analüüs

Kommunaalsektori rajatised on aku energia salvestamise peamised tõukejõud süsteemid (BESS). Eeldatakse, et see segment kasvab 2,25 miljardilt dollarilt aastal 2021 kuni 2030. aastal 5,99 miljardit dollarit CAGR-iga 11,5%. Liitium-ioonakud näitavad kõrgemat 34,4% CAGR nende madala kasvubaasi tõttu. Elamu- ja ärihoonete energiasalvesti segmendid on muud valdkonnad, mille turupotentsiaal on 2030. aastal 5,51 miljardit dollarit, 1,68 miljardilt dollarilt 2021. aastal. Tööstussektor jätkab teekonda null süsinikdioksiidi heitkogust, kusjuures ettevõtted võtavad kahel järgmisel aastal lubadusi nullväärtusele aastakümneid. Telekommunikatsiooni- ja andmekeskuste ettevõtted on vähendamisel esirinnas süsinikdioksiidi heitkoguseid, pöörates suuremat tähelepanu taastuvatele energiaallikatele. Kõik millest soodustab liitiumioonakude kiiret arengut ettevõtted leiavad viise, kuidas tagada usaldusväärne varukoopia ja võrgu tasakaalustamine.

l Tootetüübi analüüs

Koobalti kõrge hinna tõttu on koobaltivaba aku üks liitium-ioonakude arengusuunad. Kõrgepinge LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) suure teoreetilise energiatihedusega on üks paljutõotavamaid Co-free katoodmaterjalid. Lisaks tõestasid seda katsetulemused LNMO aku jalgrattasõit ja C-sageduse jõudlus paraneb, kasutades pooltahke elektrolüüt. Seda võib arvata, et anioonne COF on võimeline neelab tugevalt Mn3+/Mn2+ ja Ni2+ Coulombi interaktsiooni kaudu, piirates nende hävitavat migratsiooni anoodile. Seetõttu on see töö olla kasulik LNMO katoodmaterjali turustamisel.

l Piirkondlik analüüs

Aasia ja Vaikse ookeani piirkond on suurim statsionaarsete liitiumioonakude turg 2030, mida juhivad kommunaalteenused ja tööstus. See möödub Põhja-Ameerikast ja Euroopa, mille turg on 2030. aastal 7,07 miljardit dollarit, kasvades 1,24 miljardilt dollarilt 2021 CAGR-iga 21,3%. Põhja-Ameerika ja Euroopa on suuruselt järgmised turgudel, kuna nende eesmärk on dekarboniseerida oma majandust ja elektrivõrku kaks aastakümmet. LATAM näeb suurimat kasvutempot CAGR-iga 21,4%, sest oma väiksema suuruse ja madala põhjaga.

7. Asjad, mida kvaliteetsete liitiumioonakude puhul arvestada

Optilise päikeseinverteri ostmisel ei pea olema ainult hind ja kvaliteet arvesse võttes tuleks silmas pidada ka muid tegureid.

l Energiatihedus

Energiatihedus on ruumalaühiku kohta salvestatud energia hulk. Kõrgem väiksema kaalu ja suurusega energiatihedus on laadimise vahel suurem tsüklid.

l Ohutus

Ohutus on liitium-ioonakude teine ​​kriitiline aspekt pärast plahvatusi ja tulekahjud, mis võivad tekkida laadimise või tühjenemise ajal, mistõttu on vajalik valige täiustatud turvamehhanismidega akud, näiteks temperatuuriandurid ja inhibeerivad ained.

l Tüüp

Liitium-ioonakude tööstuse üks viimaseid suundumusi on tahkispatareide arendamine, mis pakub mitmeid eeliseid, nagu suurem energiatihedus ja pikem elutsükkel. Näiteks kasutamine elektriautode pooljuhtakud suurendavad oluliselt nende sõiduulatust võimekust 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. Kontrolli aegumist kuupäev enne ostu sooritamist. Liitiumioonakudele on omane pikem eluiga tänu oma keemiale, kuid kõik akud erinevad üksteisest sõltuvalt tüüp, spetsifikatsioonid ja valmistamisviis. Kvaliteetsed akud sobivad kestavad kauem, kuna need on seest valmistatud peentest materjalidest.