Mitä ovat litiumioniakut

1 Mitä ovat litiumioniakut?

Akku on sähkönlähde, joka koostuu yhdestä tai useammasta sähkökemiallisesta kennosta, joissa on ulkoiset liitännät sähkölaitteiden virransyöttöä varten Litium-ioni- tai Li-ion-akku on eräänlainen ladattava akku, joka käyttää litiumionien palautuvaa pelkistystä energian varastoimiseen ja on kuuluisa korkeasta energiatiheydestään.

2 Litium-ioni-akkujen rakenne

Yleensä useimmat kaupalliset Li-ion-akut käyttävät interkalaatioyhdisteitä aktiivisina materiaaleina. Ne koostuvat tyypillisesti useista kerroksista materiaaleja, jotka on järjestetty tiettyyn järjestykseen helpottamaan sähkökemiallista prosessia, joka mahdollistaa akun varastoinnin ja vapauttamisen - anodista, katodista, elektrolyytistä, erottimesta ja virrankerääjästä.

Mikä on anodi?

Akun osana anodilla on tärkeä rooli akun kapasiteetissa, suorituskyvyssä ja kestävyydessä. Latauksen aikana grafiittianodi vastaa litiumionien vastaanottamisesta ja varastoinnista. Kun akku tyhjenee, litiumionit siirtyvät anodilta katodille, jolloin syntyy sähkövirta. Yleisin kaupallisesti käytetty anodi on yleensä grafiitti, joka täysin litioituneessa LiC6-tilassa korreloi 1339 C/g (372 mAh/g) maksimikapasiteettiin. Mutta teknologioiden kehittyessä uusia materiaaleja, kuten piitä, on tutkittu parantamaan litiumioniakkujen energiatiheyttä.

Mikä on katodi?

Katodi ottaa vastaan ​​ja vapauttaa positiivisesti varautuneita litiumioneja nykyisten syklien aikana. Se koostuu yleensä kerroksellisen oksidin (kuten litiumkobolttioksidin), polyanionin (kuten litiumrautafosfaatin) tai spinellin (kuten litiummangaanioksidin) kerroksellisesta rakenteesta, joka on päällystetty varauskeräimellä (joka on yleensä valmistettu alumiinista). 

Mikä on elektrolyytti?

Litiumsuolana orgaanisessa liuottimessa elektrolyytti toimii väliaineena litiumionien liikkumiselle anodin ja katodin välillä latauksen ja purkamisen aikana.

Mikä on erotin?

Ohut kalvo tai kerros ei-johtavaa materiaalia, erotin estää anodin (negatiivinen elektrodi) ja katodin (positiivinen elektrodi) oikosulun, koska tämä kerros läpäisee litiumioneja, mutta ei elektroneja. Se voi myös varmistaa tasaisen ionien virtauksen elektrodien välillä latauksen ja purkamisen aikana. Siksi akku voi ylläpitää vakaata jännitettä ja vähentää ylikuumenemisen, palamisen tai räjähdyksen riskiä.

Mikä on nykyinen keräilijä?

Virrankeräin on suunniteltu keräämään akun elektrodien tuottamaa virtaa ja siirtämään se ulkoiseen piiriin, mikä on tärkeää akun optimaalisen suorituskyvyn ja pitkäikäisyyden varmistamiseksi. Ja yleensä se on tyypillisesti valmistettu ohuesta alumiini- tai kuparilevystä.

3 Litium-ioni-akkujen kehityshistoria

Ladattavien Li-ion-akkujen tutkimus on peräisin 1960-luvulta, yksi varhaisimmista esimerkeistä on NASA:n vuonna kehittämä CuF2/Li-akku. 1965 Ja öljykriisi iski maailmaan 1970-luvulla, tutkijat kiinnittivät huomionsa vaihtoehtoisiin energialähteisiin, joten läpimurto, joka tuotti varhaisimman muodon nykyaikaisesta Li-ion-akusta, tehtiin litiumioniakkujen keveyden ja suuren energiatiheyden vuoksi. Samaan aikaan Stanley Whittingham Exxonista havaitsi, että litiumioneja voidaan lisätä materiaaleihin, kuten TiS2:een ladattavan akun luomiseksi. 

Joten hän yritti kaupallistaa tämän akun, mutta epäonnistui korkeiden kustannusten ja kennoissa olevan metallisen litiumin vuoksi. Vuonna 1980 uuden materiaalin havaittiin tarjoavan korkeampaa jännitettä ja olevan paljon vakaampi ilmassa, jota myöhemmin käytettiin ensimmäisessä kaupallisessa Li-ion-akussa, vaikka se ei yksinään ratkaissut jatkuvaa syttymisongelmaa. samana vuonna Rachid Yazami keksi litiumgrafiittielektrodin (anodin). Ja sitten vuonna 1991 maailman ensimmäiset ladattavat litiumioniakut alkoivat tulla markkinoille. 2000-luvulla litiumioniakkujen kysyntä kasvoi kannettavien elektronisten laitteiden yleistyessä, mikä tekee litiumioniakuista turvallisempia ja kestävämpiä. Sähköajoneuvot esiteltiin 2010-luvulla, mikä loi uudet markkinat litiumioniakuille 

Uusien valmistusprosessien ja materiaalien, kuten piianodien ja solid-state-elektrolyyttien, kehittäminen jatkoi litiumioniakkujen suorituskyvyn ja turvallisuuden parantamista. Nykyään litiumioniakuista on tullut olennainen osa jokapäiväistä elämäämme, joten uusien materiaalien ja tekniikoiden tutkimus ja kehitys jatkuvat näiden akkujen suorituskyvyn, tehokkuuden ja turvallisuuden parantamiseksi.

4. Litiumioniakkujen tyypit

Litiumioniakkuja on eri muotoisia ja kokoisia, eikä niitä kaikkia ole tehty samanarvoisiksi. Normaalisti litiumioniakkuja on viisi erilaista.

l Litiumkobolttioksidi

Litiumkobolttioksidiakut valmistetaan litiumkarbonaatista ja koboltista, ja ne tunnetaan myös nimellä litiumkoboltaatti- tai litium-ioni-kobolttiakut Niissä on kobolttioksidikatodi ja grafiittihiilianodi, ja litiumionit siirtyvät anodista katodille purkauksen aikana, jolloin virtaus kääntyy, kun akku latautuu. Mitä tulee sen sovellukseen, niitä käytetään kannettavissa elektronisissa laitteissa, sähköajoneuvoissa ja uusiutuvan energian varastointijärjestelmissä niiden korkean ominaisenergian, alhaisen itsepurkautumisnopeuden, korkean käyttöjännitteen ja laajan lämpötila-alueen vuoksi. Mutta kiinnitä huomiota niihin liittyviin turvallisuusnäkökohtiin. termisen karkaamisen ja epävakauden mahdollisuuteen korkeissa lämpötiloissa.

l Litiummangaanioksidi

Litiummangaanioksidi (LiMn2O4) on katodimateriaali, jota käytetään yleisesti litiumioniakuissa. Tällaisten akkujen tekniikka keksittiin alun perin 1980-luvulla, ja ensimmäinen julkaisu julkaistiin Materials Research Bulletinissa vuonna 1983. Yksi LiMn2O4:n eduista on, että sillä on hyvä lämmönkestävyys, mikä tarkoittaa, että se kokee vähemmän todennäköistä lämpökarkaamista, mikä on myös turvallisempaa kuin muut litiumioniakkutyypit. Lisäksi mangaania on runsaasti ja sitä on laajalti saatavilla, mikä tekee siitä kestävämmän vaihtoehdon verrattuna katodimateriaaleihin, jotka sisältävät rajallisia resursseja, kuten kobolttia. Tämän seurauksena niitä löytyy usein lääketieteellisistä laitteista ja laitteista, sähkötyökaluista, sähkömoottoripyöristä ja muista sovelluksista. Eduistaan ​​huolimatta LiMn2O4 huonompi pyöräilyvakaus verrattuna LiCoO2:een, mikä tarkoittaa, että se saattaa vaatia useammin vaihtamista, joten se ei välttämättä sovellu pitkäaikaisiin energian varastointijärjestelmiin.

l Litiumrautafosfaatti (LFP)

Fosfaattia käytetään katodina litiumrautafosfaattiakuissa, jotka tunnetaan usein li-fosfaattiakuissa. Niiden alhainen vastus on parantanut niiden lämpöstabiilisuutta ja turvallisuutta Ne ovat myös kuuluisia kestävyydestään ja pitkästä elinkaarestaan, mikä tekee niistä kustannustehokkaimman vaihtoehdon muun tyyppisille litiumioniakuille. Siksi näitä akkuja käytetään usein sähköpyörissä ja muissa sovelluksissa, jotka vaativat pitkän elinkaaren ja korkeaa turvallisuustasoa. Mutta sen haitat vaikeuttavat nopeaa kehitystä. Ensinnäkin, verrattuna muuntyyppisiin litiumioniakkuihin, ne maksavat enemmän, koska niissä käytetään harvinaisia ​​ja kalliita raaka-aineita. Lisäksi litiumrautafosfaattiakuilla on pienempi käyttöjännite, mikä tarkoittaa, että ne eivät välttämättä sovellu joihinkin korkeampaa jännitettä vaativiin sovelluksiin. Sen pidempi latausaika tekee siitä haittaa sovelluksissa, jotka vaativat nopeaa latausta.

l Litium-nikkeli-mangaanikobolttioksidi (NMC)

Litium-nikkeli-mangaani-kobolttioksidiakut, jotka tunnetaan usein myös nimellä NMC-akut, on valmistettu erilaisista materiaaleista, jotka ovat yleisiä litiumioniakuissa. Mukana on katodi, joka on valmistettu nikkelin, mangaanin ja koboltin sekoituksesta Sen suuri energiatiheys, hyvä pyöräilysuorituskyky ja pitkä käyttöikä ovat tehneet siitä ykkösvalinnan sähköajoneuvoissa, verkkovarastointijärjestelmissä ja muissa korkean suorituskyvyn sovelluksissa, mikä on edelleen osaltaan edistänyt sähköajoneuvojen ja uusiutuvan energian järjestelmien kasvavaa suosiota. Kapasiteetin lisäämiseksi käytetään uusia elektrolyyttejä ja lisäaineita, jotka mahdollistavat sen lataamisen 4,4 V:iin/kenno tai korkeampaan. Suuntaus on kohti NMC-sekoitettua litiumionia, koska järjestelmä on kustannustehokas ja tarjoaa hyvän suorituskyvyn. Nikkeli, mangaani ja koboltti ovat kolme aktiivista materiaalia, jotka voidaan helposti yhdistää erilaisiin auto- ja energian varastointijärjestelmien (EES) sovelluksiin, jotka vaativat toistuvaa pyöräilyä.

 Tästä voimme nähdä, että NMC-perhe on monimuotoistunut

Sen sivuvaikutukset, kuten lämpökarkailu, palovaarat ja ympäristöongelmat, voivat kuitenkin haitata sen jatkokehitystä.

l Litiumtitanaatti

Litiumtitanaatti, joka tunnetaan usein nimellä liti-titanaatti, on akkutyyppi, jolla on kasvava määrä käyttötarkoituksia. Ylivertaisen nanoteknologiansa ansiosta se pystyy lataamaan ja purkamaan nopeasti samalla kun jännite pysyy vakaana, mikä tekee siitä sopivan hyvin suuritehoisiin sovelluksiin, kuten sähköajoneuvoihin, kaupallisiin ja teollisiin energian varastointijärjestelmiin ja verkkotason varastointiin. Yhdessä sen turvallisuuden ja luotettavuuden kanssa näitä akkuja voitaisiin käyttää sotilas- ja ilmailusovelluksiin sekä tuuli- ja aurinkoenergian varastointiin ja älykkäiden verkkojen rakentamiseen. Lisäksi Battery Spacen mukaan näitä akkuja voitaisiin käyttää sähköjärjestelmän järjestelmäkriittisissä varmuuskopioissa Siitä huolimatta litiumtitanaattiakut ovat yleensä kalliimpia kuin perinteiset litiumioniakut niiden valmistukseen vaadittavan monimutkaisen valmistusprosessin vuoksi.

5. Litium-ioni-akkujen kehityssuuntaukset

Uusiutuvan energian laitosten maailmanlaajuinen kasvu on lisännyt jaksoittaista energiantuotantoa, mikä luo epätasapainoisen verkon. Tämä on johtanut akkujen kysyntään. Samalla kun keskittyminen hiilidioksidipäästöttömyyteen ja tarve siirtyä pois fossiilisista polttoaineista, nimittäin hiilestä, sähköntuotannossa saa enemmän hallituksia kannustamaan aurinko- ja tuulivoimalaitoksia. Nämä asennukset sopivat akkujen varastointijärjestelmiin, jotka varastoivat ylimääräistä tuotettua tehoa. Siksi hallituksen kannustimet Li-ion-akkujen asentamisen kannustamiseksi edistävät myös litiumioniakkujen kehitystä Esimerkiksi maailmanlaajuisten NMC-litiumioniakkujen markkinoiden koon ennustetaan kasvavan miljoonasta Yhdysvaltain dollarista vuonna 2022 miljoonaan dollariin vuonna 2029; sen odotetaan kasvavan % CAGR:llä vuodesta 2023 vuoteen 2029  Ja raskaita kuormia vaativien sovellusten kasvavan tarpeen ennustetaan tekevän 3000-10000 litiumioniakuista nopeimmin kasvavan segmentin ennustejaksolla (2022-2030).

6 Lithium Ion -akkujen investointianalyysi

Litiumioniakkujen markkinateollisuuden ennustetaan kasvavan 51,16 miljardista dollarista vuonna 2022 118,15 miljardiin dollariin vuoteen 2030 mennessä, ja sen vuotuinen kasvuvauhti on 4,72 % ennustejaksolla (2022-2030), mikä riippuu useista tekijöistä.

l Loppukäyttäjän analyysi

Sähköalan asennukset ovat avainasemassa akkuenergian varastointijärjestelmiä (BESS). Tämän segmentin odotetaan kasvavan 2,25 miljardista dollarista vuonna 2021 5,99 miljardiin dollariin vuonna 2030 11,5 prosentin CAGR:llä.  Li-ion-akkujen CAGR-arvo on korkeampi 34,4 % niiden alhaisen kasvun vuoksi. Asuin- ja kaupalliset energian varastointisegmentit ovat muita alueita, joilla on suuri markkinapotentiaali, 5,51 miljardia dollaria vuonna 2030, kun se vuonna 2021 oli 1,68 miljardia dollaria. Teollisuussektori jatkaa marssiaan kohti nollapäästöjä, ja yritykset tekevät nollalupauksia seuraavan kahden vuosikymmenen aikana. Televiestintä- ja datakeskusyritykset ovat eturintamassa hiilipäästöjen vähentämisessä keskittymällä entistä enemmän uusiutuviin energialähteisiin Kaikki tämä edistää nopeaa kehitystä  litiumioniakkuja, kun yritykset löytävät tapoja varmistaa luotettava varmuuskopiointi ja verkon tasapainotus.

l Tuotetyyppianalyysi

Koboltin korkean hinnan vuoksi kobolttiton akku on yksi litiumioniakkujen kehitystrendeistä. Korkeajännite LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) korkealla teoreettisella energiatiheydellä on yksi lupaavimmista Co-free katodi materiaaleista edelleen. Lisäksi kokeet osoittivat, että puolikiinteää elektrolyyttiä käyttämällä parannetaan LNMO-akun kierto- ja C-nopeuden suorituskykyä. Tätä voidaan ehdottaa, että anioninen COF pystyy absorboimaan voimakkaasti Mn3+/Mn2+ ja Ni2+ Coulombin vuorovaikutuksen kautta, hillitseen niiden tuhoisaa siirtymistä anodille. Siksi tämä työ hyödyttää LNMO-katodimateriaalin kaupallistamista.

l Alueellinen analyysi

Aasian ja Tyynenmeren alue on vuoteen 2030 mennessä suurin kiinteiden litiumioniakkujen markkinat sähkölaitosten ja teollisuuden vetämänä. Se ohittaa Pohjois-Amerikan ja Euroopan 7,07 miljardin dollarin markkinoilla vuonna 2030, kasvaen vuoden 2021 1,24 miljardista dollarista 21,3 prosentin CAGR:llä. Pohjois-Amerikasta ja Euroopasta tulee seuraavaksi suurimmat markkinat, koska ne pyrkivät vähentämään talouksiensa ja verkkonsa hiilidioksidipäästöjä seuraavan kahden vuosikymmenen aikana. LATAM näkee suurimman kasvuvauhdin CAGR:llä 21,4 % pienemmän kokonsa ja alhaisen perustansa vuoksi.

7 Laadukkaiden litiumioniakkujen valinnassa huomioitavaa

Optista aurinkoinvertteriä ostettaessa on huomioitava paitsi hinta ja laatu, myös muut tekijät.

l Energiatiheys

Energiatiheys on tilavuusyksikköä kohti varastoidun energian määrä. Suurempi energiatiheys pienemmällä painolla ja pienemmällä koosta on laajempi latausjaksojen välillä.

T  Turvallisuus

Turvallisuus on toinen litiumioniakkujen kriittinen näkökohta, koska räjähdykset ja tulipalot voivat tapahtua latauksen tai purkamisen aikana, joten on tarpeen valita akut, joissa on parannetut turvamekanismit, kuten lämpötila-anturit ja estävät aineet.

l Tyyppi

Yksi litiumioniakkuteollisuuden uusimmista trendeistä on solid-state-akkujen kehitys, joka tarjoaa useita etuja, kuten korkeamman energiatiheyden ja pidemmän elinkaaren. Esimerkiksi puolijohdeakkujen käyttö sähköautoissa lisää merkittävästi niiden toimintasädettä ja turvallisuutta.

l Latausnopeus

Latausnopeus riippuu siitä, kuinka nopeasti akku latautuu turvallisesti. Joskus akkujen lataaminen kestää kauan ennen kuin niitä voidaan käyttää.

l Elinikä

 Akku ei toimi koko käyttöiän ajan, mutta sillä on viimeinen käyttöpäivä. Tarkista viimeinen käyttöpäivä ennen ostoa. Litiumioniakuilla on luonnostaan ​​pidempi käyttöikä kemiansa ansiosta, mutta jokainen akku eroaa toisistaan ​​riippuen tyypistä, teknisistä tiedoista ja valmistustavoista. Laadukkaat akut kestävät pidempään, koska ne on valmistettu sisältä hienoista materiaaleista.