Što su litij-ionske baterije

1 Što su litij-ionske baterije？

Baterija je izvor električne energije koji se sastoji od jedne ili više elektrokemijskih ćelija s vanjskim priključcima za napajanje električnih uređaja Litij-ionska ili Li-ionska baterija vrsta je punjive baterije koja koristi reverzibilnu redukciju litijevih iona za pohranu energije i poznata je po svojoj visokoj gustoći energije.

2 Struktura litij-ionskih baterija

Općenito većina komercijalnih Li-ion baterija koristi interkalacijske spojeve kao aktivne materijale. Obično se sastoje od nekoliko slojeva materijala koji su raspoređeni određenim redoslijedom kako bi se olakšao elektrokemijski proces koji bateriji omogućuje pohranu i oslobađanje energije - anoda, katoda, elektrolit, separator i kolektor struje.

Što je anoda?

Kao sastavni dio baterije, anoda igra važnu ulogu u kapacitetu, performansama i trajnosti baterije. Prilikom punjenja, grafitna anoda je odgovorna za prihvaćanje i skladištenje litijevih iona. Kada se baterija isprazni, litijevi ioni se kreću od anode prema katodi tako da se stvara električna struja. Općenito, najčešće komercijalno korištena anoda je grafit, koji u svom potpuno litijskom stanju LiC6 korelira s maksimalnim kapacitetom od 1339 C/g (372 mAh/g) Ali s razvojem tehnologije, istraženi su novi materijali kao što je silicij kako bi se poboljšala gustoća energije za litij-ionske baterije.

Što je katoda?

Katoda radi na prihvaćanju i otpuštanju pozitivno nabijenih litijevih iona tijekom strujnih ciklusa. Obično se sastoji od slojevite strukture slojevitog oksida (kao što je litij kobalt oksid), polianiona (kao što je litij željezo fosfat) ili spinela (kao što je litij mangan oksid) presvučenih na kolektor naboja (obično izrađen od aluminija) 

Što je elektrolit?

Kao litijeva sol u organskom otapalu, elektrolit služi kao medij za kretanje litijevih iona između anode i katode tijekom punjenja i pražnjenja.

Što je separator?

Kao tanka membrana ili sloj nevodljivog materijala, separator sprječava kratki spoj između anode (negativne elektrode) i katode (pozitivne elektrode), budući da je ovaj sloj propustan za litijeve ione, ali ne i za elektrone. Također može osigurati stabilan protok iona između elektroda tijekom punjenja i pražnjenja. Stoga baterija može održavati stabilan napon i smanjiti rizik od pregrijavanja, izgaranja ili eksplozije.

Što je kolektor struje?

Sakupljač struje dizajniran je za prikupljanje struje koju proizvode elektrode baterije i prenosi je u vanjski krug, što je važno za osiguranje optimalnih performansi i dugovječnosti baterije. I obično se obično izrađuje od tankog lima aluminija ili bakra.

3 Povijest razvoja litij-ionskih baterija

Istraživanje punjivih litij-ionskih baterija datira iz 1960-ih, jedan od najranijih primjera je CuF2/Li baterija koju je razvila NASA u 1965 I naftna kriza pogodila je svijet 1970-ih, istraživači su svoju pozornost usmjerili na alternativne izvore energije, tako da je proboj koji je proizveo najraniji oblik moderne Li-ion baterije napravljen zbog male težine i visoke gustoće energije litij-ionskih baterija. U isto vrijeme, Stanley Whittingham iz Exxona otkrio je da se litijevi ioni mogu umetnuti u materijale kao što je TiS2 kako bi se stvorila punjiva baterija 

Stoga je pokušao komercijalizirati ovu bateriju, ali nije uspio zbog visoke cijene i prisutnosti metalnog litija u ćelijama. Godine 1980. otkriveno je da novi materijal nudi viši napon i da je mnogo stabilniji na zraku, što će se kasnije koristiti u prvoj komercijalnoj Li-ion bateriji, iako sam po sebi nije riješio stalni problem zapaljivosti. iste godine Rachid Yazami izumio je litijevu grafitnu elektrodu (anodu). A onda su 1991. prve svjetske punjive litij-ionske baterije počele ulaziti na tržište. U 2000-ima, potražnja za litij-ionskim baterijama je porasla kako su prijenosni elektronički uređaji postali popularni, zbog čega su litij-ionske baterije sigurnije i izdržljivije. Električna vozila uvedena su 2010-ih, što je stvorilo novo tržište za litij-ionske baterije 

Razvoj novih proizvodnih procesa i materijala, kao što su silicijske anode i elektroliti u čvrstom stanju, nastavio je poboljšavati performanse i sigurnost litij-ionskih baterija. U današnje vrijeme litij-ionske baterije postale su neophodne u našem svakodnevnom životu, stoga su istraživanja i razvoj novih materijala i tehnologija u tijeku kako bi se poboljšale performanse, učinkovitost i sigurnost ovih baterija.

4. Vrste litij-ionskih baterija

Litij-ionske baterije dolaze u različitim oblicima i veličinama i nisu sve jednake. Obično postoji pet vrsta litij-ionskih baterija.

l Litij kobalt oksid

Litij-kobalt-oksidne baterije proizvode se od litij-karbonata i kobalta, a poznate su i kao litij-kobaltat ili litij-ionske kobalt baterije Imaju katodu od kobaltnog oksida i anodu od grafitnog ugljika, a litijevi ioni migriraju s anode na katodu tijekom pražnjenja, pri čemu se protok mijenja kada se baterija puni. Što se tiče njihove primjene, koriste se u prijenosnim elektroničkim uređajima, električnim vozilima i sustavima za pohranu obnovljive energije zbog svoje visoke specifične energije, niske stope samopražnjenja, visokog radnog napona i širokog temperaturnog raspona. Ali obratite pozornost na sigurnosna pitanja povezana na potencijal toplinskog odlaska i nestabilnosti na visokim temperaturama.

l Litij manganov oksid

Litij-manganov oksid (LiMn2O4) katodni je materijal koji se obično koristi u litij-ionskim baterijama. Tehnologija za ovu vrstu baterija prvobitno je otkrivena 1980-ih, s prvom objavom u Biltenu istraživanja materijala 1983. godine. Jedna od prednosti LiMn2O4 je njegova dobra toplinska stabilnost, što znači da je manja vjerojatnost da će doživjeti toplinski bijeg, koji je također sigurniji od drugih vrsta litij-ionskih baterija. Osim toga, mangana ima u izobilju i široko je dostupan, što ga čini održivijom opcijom u usporedbi s katodnim materijalima koji sadrže ograničene resurse poput kobalta. Kao rezultat toga, često se nalaze u medicinskoj opremi i uređajima, električnim alatima, električnim motociklima i drugim primjenama. Unatoč svojim prednostima, LiMn2O4 ima lošiju cikličku stabilnost u usporedbi s LiCoO2, što znači da može zahtijevati češću zamjenu, pa možda neće biti toliko prikladan za sustave dugotrajnog skladištenja energije.

l litij željezo fosfat (LFP)

Fosfat se koristi kao katoda u litij željezo fosfatnim baterijama, često poznatim kao li-fosfatne baterije. Njihova niska otpornost poboljšala je njihovu toplinsku stabilnost i sigurnost Također su poznate po izdržljivosti i dugom vijeku trajanja, što ih čini najisplativijom opcijom u odnosu na druge vrste litij-ionskih baterija. Posljedično, ove se baterije često koriste u električnim biciklima i drugim aplikacijama koje zahtijevaju dug životni ciklus i visoku razinu sigurnosti Ali njegovi nedostaci otežavaju mu brz razvoj. Prvo, u usporedbi s drugim vrstama litij-ionskih baterija, koštaju više jer koriste rijetke i skupe sirovine. Osim toga, litij-željezo-fosfatne baterije imaju niži radni napon, što znači da možda nisu prikladne za neke primjene koje zahtijevaju viši napon. Njegovo dulje vrijeme punjenja čini ga nedostatkom u aplikacijama koje zahtijevaju brzo ponovno punjenje.

l litij nikal mangan kobalt oksid (NMC)

Litij nikal mangan kobalt oksid baterije, često poznate kao NMC baterije, izrađene su od različitih materijala koji su univerzalni u litij-ionskim baterijama. Uključena je katoda izrađena od mješavine nikla, mangana i kobalta Njegova visoka gustoća energije, dobra ciklična izvedba i dug životni vijek učinili su ga prvim izborom u električnim vozilima, sustavima za pohranu mreže i drugim aplikacijama visokih performansi, što je dodatno pridonijelo rastućoj popularnosti električnih vozila i sustava obnovljive energije. Kako bi se povećao kapacitet, koriste se novi elektroliti i aditivi koji omogućuju punjenje do 4,4 V/ćeliji i više. Postoji trend prema Li-ionu s mješavinom NMC-a budući da je sustav isplativ i pruža dobre performanse. Nikal, mangan i kobalt tri su aktivna materijala koja se mogu lako kombinirati kako bi odgovarala širokom rasponu aplikacija u automobilima i sustavima za pohranu energije (EES) koji zahtijevaju česte izmjene.

 Iz čega možemo vidjeti da NMC obitelj postaje sve raznolikija

Međutim, njegove nuspojave toplinskog bijega, opasnosti od požara i zabrinutosti za okoliš mogu spriječiti njegov daljnji razvoj.

l Litijev titanat

Litij titanat, često poznat kao li-titanat, je vrsta baterije koja ima sve veći broj upotreba. Zbog svoje vrhunske nanotehnologije, može se brzo puniti i prazniti uz održavanje stabilnog napona, što ga čini prikladnim za aplikacije velike snage kao što su električna vozila, komercijalni i industrijski sustavi za pohranu energije i pohranjivanje na razini mreže Zajedno sa svojom sigurnošću i pouzdanošću, ove baterije bi se mogle koristiti u vojne i svemirske svrhe, kao i za pohranjivanje energije vjetra i sunca i izgradnju pametnih mreža. Nadalje, prema Battery Spaceu, ove baterije bi se mogle koristiti u sigurnosnim kopijama kritičnim za sustav napajanja Unatoč tome, baterije od litij-titanata obično su skuplje od tradicionalnih litij-ionskih baterija zbog složenog procesa izrade potrebnog za njihovu proizvodnju.

5. Trendovi razvoja litij-ionskih baterija

Globalni rast instalacija za obnovljivu energiju povećao je povremenu proizvodnju energije, stvarajući neuravnoteženu mrežu. To je dovelo do potražnje za baterijama. dok fokus na nultu emisiju ugljika i potreba za odmakom od fosilnih goriva, točnije ugljena, za proizvodnju energije potiče sve više vlada da potaknu instalacije solarne i vjetroelektrane. Ove instalacije pogodne su za sustave skladištenja baterija koji pohranjuju višak generirane energije. Stoga vladini poticaji za poticanje ugradnje litij-ionskih baterija također pokreću razvoj litij-ionskih baterija Na primjer, predviđa se da će veličina globalnog tržišta NMC litij-ionskih baterija porasti s milijuna USD 2022. na milijune USD 2029.; očekuje se da će rasti po CAGR od % od 2023. do 2029  Predviđa se da će sve veće potrebe aplikacija koje zahtijevaju velika opterećenja učiniti litij-ionske baterije od 3000-10000 najbrže rastućim segmentom tijekom predviđenog razdoblja (2022.-2030.).

6 Analiza ulaganja u litij-ionske baterije

Predviđa se da će industrija tržišta litij-ionskih baterija porasti s 51,16 milijardi USD u 2022. na 118,15 milijardi USD do 2030., pokazujući ukupnu godišnju stopu rasta od 4,72% tijekom predviđenog razdoblja (2022.-2030.), što ovisi o nekoliko čimbenika.

l Analiza krajnjeg korisnika

Instalacije komunalnog sektora ključni su pokretači sustava za pohranu baterije (BESS). Očekuje se da će ovaj segment porasti s 2,25 milijardi dolara u 2021. na 5,99 milijardi dolara u 2030. uz CAGR od 11,5%.  Li-ionske baterije pokazuju viši CAGR od 34,4% zbog niske baze rasta. Stambeni i komercijalni segmenti skladištenja energije druga su područja s velikim tržišnim potencijalom od 5,51 milijarde USD u 2030., u odnosu na 1,68 milijardi USD u 2021. Industrijski sektor nastavlja svoj marš prema nultoj emisiji ugljika, s tvrtkama koje obećavaju neto nultu emisiju u sljedeća dva desetljeća. Telekomunikacijske tvrtke i tvrtke za podatkovne centre prednjače u smanjenju emisija ugljika s povećanim fokusom na obnovljive izvore energije Sve će to pospješiti brzi razvoj  litij-ionskih baterija dok tvrtke pronalaze načine za osiguranje pouzdane sigurnosne kopije i balansiranja mreže.

l Analiza vrste proizvoda

Zbog visoke cijene kobalta, baterija bez kobalta jedan je od trendova razvoja litij-ionskih baterija. Visokonaponski LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) s visokom teoretskom gustoćom energije jedan je od najperspektivnijih katodnih materijala bez Co u budućnosti. Nadalje, eksperimentalni rezultati dokazali su da su performanse ciklusa i C-rate LNMO baterije poboljšane korištenjem polučvrstog elektrolita. Može se pretpostaviti da je anionski COF sposoban snažno apsorbirati Mn3+/Mn2+ i Ni2+ kroz Coulombovu interakciju, obuzdavajući njihovu destruktivnu migraciju na anodu. Stoga će ovaj rad biti od koristi za komercijalizaciju LNMO katodnog materijala.

l Regionalna analiza

Azijsko-pacifičko područje bit će najveće tržište stacionarnih litij-ionskih baterija do 2030. godine, potaknuto komunalnim uslugama i industrijom. Prestići će Sjevernu Ameriku i Europu s tržištem od 7,07 milijardi dolara 2030., rastom s 1,24 milijarde dolara 2021. uz CAGR od 21,3%. Sjeverna Amerika i Europa bit će sljedeća najveća tržišta zbog svojih ciljeva da dekarboniziraju svoja gospodarstva i mrežu u sljedeća dva desetljeća. LATAM će ostvariti najveću stopu rasta s CAGR-om od 21,4% zbog svoje manje veličine i niske baze.

7 Stvari koje treba uzeti u obzir za visokokvalitetne litij-ionske baterije

Pri kupnji optičkog solarnog izmjenjivača ne treba uzeti u obzir samo cijenu i kvalitetu, već i druge čimbenike.

l Gustoća energije

Gustoća energije je količina energije pohranjene po jedinici volumena. Veća gustoća energije uz manju težinu i veličinu je opsežnija između ciklusa punjenja.

l  Sigurnost

Sigurnost je još jedan kritični aspekt litij-ionskih baterija budući da tijekom punjenja ili pražnjenja može doći do eksplozija i požara, stoga je potrebno odabrati baterije s poboljšanim sigurnosnim mehanizmima, kao što su temperaturni senzori i inhibitorne tvari.

l Tip

Jedan od najnovijih trendova u industriji litij-ionskih baterija je razvoj solid-state baterija, koje nude niz prednosti kao što su veća gustoća energije i duži životni ciklus. Na primjer, korištenje poluprovodničkih baterija u električnim automobilima značajno će povećati njihov domet i sigurnost.

l Stopa punjenja

Brzina punjenja ovisi o tome koliko brzo se baterija sigurno puni. Ponekad bateriji treba dugo da se napuni prije nego što se mogu koristiti.

l Životni vijek

 Nijedna baterija ne radi cijeli život, ali ima rok trajanja. Prije kupnje provjerite rok trajanja. Litij-ionske baterije imaju duži životni vijek zbog svoje kemije, ali svaka se baterija razlikuje jedna od druge ovisno o vrsti, specifikacijama i načinu izrade. Baterije visoke kvalitete trajat će dulje jer su iznutra izrađene od finih materijala.