Što su litij-ionske baterije?

1. Što su litij-ionske baterije?

Baterija je izvor električne energije koji se sastoji od jednog ili više elektrokemijske ćelije s vanjskim priključcima za napajanje električnih uređaja. Litij-ionska ili Li-ionska baterija vrsta je punjive baterije koja koristi reverzibilna redukcija litijevih iona za pohranu energije i poznata je njihova visoka gustoća energije.

2. Struktura litij-ionskih baterija

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

Što je anoda?

Kao sastavni dio baterije, anoda igra važnu ulogu u kapacitetu, performanse i trajnost baterije. Pri punjenju je grafitna anoda odgovoran za prihvaćanje i skladištenje litijevih iona. Kada je baterija ispražnjeni, ioni litija kreću se od anode do katode tako da an stvara se električna struja. Općenito najčešća komercijalno korištena anoda je grafit, koji u svom potpuno litijskom stanju LiC6 korelira s maksimalnim kapaciteta 1339 C/g (372 mAh/g). Ali s razvojem tehnologija, novi istraživani su materijali poput silicija za poboljšanje gustoće energije za litij-ionske baterije.

Što je katoda?

Katoda radi na prihvaćanju i oslobađanju pozitivno nabijenih litijevih iona tijekom trenutni ciklusi. Obično se sastoji od slojevite strukture slojevitog oksida (kao što je litij kobalt oksid), polianion (kao što je litij željezo fosfat) ili spinel (kao što je litij mangan oksid) presvučen na kolektor naboja (obično izrađena od aluminija).

Što je elektrolit?

As a lithium salt in an organic solvent, the electrolyte serves as a medium for lithium ions to move between the anode and cathode during charging and discharging.

Što je separator?

Kao tanka membrana ili sloj nevodljivog materijala, separator djeluje na spriječiti anodu (negativnu elektrodu) i katodu (pozitivnu elektrodu). kratkog spoja, budući da je ovaj sloj propustan za litijeve ione, ali ne i za elektrone. To također može osigurati stalan protok iona između elektroda tijekom punjenja i pražnjenje. Stoga baterija može održavati stabilan napon i smanjiti opasnost od pregrijavanja, izgaranja ili eksplozije.

Što je kolektor struje?

Sakupljač struje dizajniran je za prikupljanje struje koju stvara elektrode baterije i prenosi je u vanjski krug, koji je važno kako bi se osigurala optimalna izvedba i dugovječnost baterije. I obično se tipično izrađuje od tankog lima aluminija ili bakra.

3. Povijest razvoja litij-ionskih baterija

Istraživanje punjivih Li-ion baterija datira iz 1960-ih, jedno od Najraniji primjeri su CuF2/Li baterije koje je razvila NASA 1965. I naftna kriza pogodio svijet 1970-ih, istraživači su svoju pozornost usmjerili na alternativu izvora energije, tako da je otkriće koje je proizvelo najraniji oblik moderna Li-ion baterija napravljena je zbog male težine i visoke energije gustoća litij-ionskih baterija. U isto vrijeme Stanley Whittingham iz Exxona otkrio da se litijevi ioni mogu umetnuti u materijale kao što je TiS2 do stvoriti punjivu bateriju 

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 mnogo više stabilan na zraku, koji će se kasnije koristiti u prvoj komercijalnoj Li-ion bateriji, iako nije sam po sebi riješio uporni problem zapaljivost.Iste godine Rachid Yazami izumio je litij grafit elektroda (anoda). A onda 1991., prvi punjivi litij-ion na svijetu baterije su počele ulaziti na tržište 

U 2000-ima, potražnja za litij-ionskim baterije su se povećale kako su prijenosni elektronički uređaji postali popularni, što pogoni litij-ionske baterije kako bi bile sigurnije i izdržljivije. Električna vozila su bila uveden 2010-ih, čime je stvoreno novo tržište za litij-ionske baterije. The razvoj novih proizvodnih procesa i materijala, kao što su silicijeve anode i elektroliti u čvrstom stanju, nastavio poboljšavati učinkovitost i sigurnost litij-ionske baterije. Danas su litij-ionske baterije postale bitne našeg svakodnevnog života, tako da istraživanje i razvoj novih materijala i tehnologije su u tijeku za poboljšanje performansi, učinkovitosti i sigurnosti ove baterije.

4. Vrste litij-ionskih baterija

Litij-ionske baterije dolaze u različitim oblicima i veličinama, a ne sve izjednačeni su. Obično postoji pet vrsta litij-ionskih baterija.

l Litij kobalt oksid

Litij kobalt oksidne baterije proizvode se od litij karbonata i kobalt i također su poznate kao litij kobaltat ili litij-ion kobalt baterije. Imaju katodu od kobalt oksida i grafitnu ugljičnu anodu te litijeve ione migriraju s anode na katodu tijekom pražnjenja, pri čemu se protok mijenja kada je baterija napunjena. Što se tiče njegove primjene, koriste se u prijenosnim elektronički uređaji, električna vozila i sustavi za pohranu obnovljive energije zbog njihove visoke specifične energije, niske stope samopražnjenja, visokog radnog napona i širokog temperaturnog raspona. Ali obratite pozornost na brige o sigurnosti povezano s potencijalom toplinskog bježanja i nestabilnosti na visokim temperature.

l Litij manganov oksid

Litij mangan oksid (LiMn2O4) je katodni materijal koji se često koristi u litij-ionskim baterijama. Tehnologija za ovu vrstu baterija u početku je bila otkriven 1980-ih, s prvom objavom u Istraživanju materijala Bilten 1983. godine. Jedna od prednosti LiMn2O4 je njegova dobra toplinska svojstva stabilnost, što znači da je manja vjerojatnost da će doživjeti toplinski bijeg, koji također su sigurnije od ostalih vrsta litij-ionskih baterija. Osim toga, mangan je obilan i široko dostupan, što ga čini održivijom opcijom u usporedbi na katodne materijale koji sadrže ograničene resurse poput kobalta. Kao rezultat toga, često se nalaze u medicinskoj opremi i uređajima, električnim alatima, električnim motocikle i druge primjene. Unatoč svojim prednostima, LiMn2O4 je siromašniji ciklična stabilnost u usporedbi s LiCoO2, što znači da može zahtijevati više čestu zamjenu, tako da možda neće biti toliko prikladan za dugoročno skladištenje energije sustava.

l litij željezo fosfat (LFP)

Fosfat se često koristi kao katoda u litij željezo fosfatnim baterijama poznate kao li-fosfatne baterije. Njihov nizak otpor poboljšao je toplinu stabilnost i sigurnost. Također su poznati po izdržljivosti i dugom vijeku trajanja, što ih čini najisplativijom opcijom u odnosu na druge vrste litij-ionskih baterije. Zbog toga se ove baterije često koriste u električnim biciklima i druge primjene koje zahtijevaju dug životni ciklus i visoku razinu sigurnosti. Ali njegovi nedostaci otežavaju mu brz razvoj. Prvo, u usporedbi s druge vrste litij-ionskih baterija koštaju više jer koriste rijetke i skupe sirovine. Osim toga, litij željezo fosfatne baterije imaju a niži radni napon, što znači da nekima možda neće odgovarati aplikacije koje zahtijevaju viši napon. Njegovo duže vrijeme punjenja čini ga a nedostatak u aplikacijama koje zahtijevaju brzo 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 litij-ionske baterije. Katoda izrađena od mješavine nikla, mangana i kobalt je uključen. Njegova visoka gustoća energije, dobra ciklična izvedba i a dug životni vijek učinio ga je prvim izborom u električnim vozilima, mrežnim pohranama sustava i drugih aplikacija visokih performansi, što je dodatno pridonijelo sve većoj popularnosti električnih vozila i sustava obnovljive energije. Do povećanje kapaciteta, novi elektroliti i aditivi se koriste da bi se to omogućilo napunite na 4,4 V/ćeliji i više 

Od tada postoji trend prema Li-ionu s mješavinom NMC-a sustav je isplativ i pruža dobre performanse. Nikl, mangan, i kobalt tri su aktivna materijala koja se mogu lako kombinirati kako bi odgovarala širokom spektru niz aplikacija u automobilskoj industriji i sustavima za pohranu energije (EES) koje zahtijevaju česta vožnja biciklom. Iz čega možemo vidjeti da NMC obitelj postaje sve veća Međutim, njegove nuspojave toplinskog bježanja, opasnosti od požara i okoliša zabrinutosti mogu spriječiti njegov daljnji razvoj.

l Litijev titanat

Litij titanat, često poznat kao li-titanat, vrsta je baterije koja ima sve veći broj upotreba. Zbog svoje vrhunske nanotehnologije, može brzo puniti i prazniti uz održavanje stabilnog napona, što ga čini dobro prilagođen za aplikacije velike snage kao što su električna vozila, komercijalna vozila i industrijski sustavi za pohranu energije i pohranu na razini mreže 

Zajedno sa svojim sigurnost i pouzdanost, te bi se baterije mogle koristiti u vojsci i zrakoplovstvu primjene, kao i skladištenje energije vjetra i sunca i pametna gradnja rešetke. Nadalje, prema Battery Spaceu, ove baterije bi mogle biti zaposleni u sigurnosnim kopijama kritičnim za sustav elektroenergetskog sustava. Ipak, litij titanat baterije su zbog toga obično skuplje od tradicionalnih litij-ionskih baterija na složeni proces izrade potreban za njihovu proizvodnju.

5. Trendovi razvoja litij-ionskih baterija

Globalni rast instalacija obnovljive energije je povećan povremena proizvodnja energije, stvarajući neuravnoteženu mrežu. To je dovelo do a potražnja za baterijama.dok je fokus na nultu emisiju ugljika i potrebu za kretanjem dalje od fosilnih goriva, točnije ugljena, za proizvodnju električne energije vlade za poticanje solarnih i vjetroelektrana. ove instalacije su pogodne za sustave skladištenja baterija koji pohranjuju višak energije generiran 

Stoga, državni poticaji za poticanje Li-ion baterija instalacije također pokreću razvoj litij-ionskih baterija. Na primjer, predviđa se da će globalno tržište NMC litij-ionskih baterija porasti s US$ milijuna 2022. na milijune USD 2029.; očekuje se rast po CAGR od % od 2023. do 2029. godine. I sve veće potrebe aplikacija koje zahtijevaju teške predviđa se da će litij-ionske baterije od 3000-10000 biti najbrže rastući segment tijekom predviđenog razdoblja (2022.-2030.).

6. Analiza ulaganja u litij-ionske baterije

Predviđa se da će industrija tržišta litij-ionskih baterija rasti s 51,16 USD milijardi 2022. na 118,15 milijardi USD do 2030., pokazujući složeni godišnji stopa rasta od 4,72% tijekom predviđenog razdoblja (2022.-2030.), što ovisi o nekoliko faktora.

l Analiza krajnjeg korisnika

Instalacije u komunalnom sektoru ključni su pokretači za pohranu baterije sustavi (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-ion baterije pokazuju viših 34,4% CAGR zbog njihove niske baze rasta. Stambeno i komercijalno skladištenje energije segmenti su druga područja s velikim tržišnim potencijalom od 5,51 milijardi dolara u 2030. sa 1,68 milijardi dolara u 2021. Industrijski sektor nastavlja marš prema nultu emisiju ugljika, s tvrtkama koje obećavaju neto nultu emisiju u sljedeća dva desetljeća. Telekom i podatkovni centri prednjače u smanjenju emisije ugljika s povećanim fokusom na obnovljive izvore energije. Sve od kojih će promicati brzi razvoj litij-ionskih baterija kao tvrtke pronalaze načine da osiguraju pouzdanu sigurnosnu kopiju i balansiranje mreže.

l Analiza vrste proizvoda

Zbog visoke cijene kobalta, baterija bez kobalta jedna je od trendovi razvoja litij-ionskih baterija. Visokonaponski LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) s visokom teoretskom gustoćom energije jedan je od najperspektivnijih Co-free katodni materijali u daljnjem. Nadalje, eksperimentalni rezultati su to dokazali ciklusi i performanse C-rate LNMO baterije poboljšane su upotrebom polukruti elektrolit. Za ovo se može pretpostaviti da je anionski COF sposoban snažno apsorbirajući Mn3+/Mn2+ i Ni2+ kroz Coulombovu interakciju, obuzdavajući njihovu destruktivnu migraciju na anodu. Stoga će ovo djelo biti od koristi za komercijalizaciju LNMO katodnog materijala.

l Regionalna analiza

Azijsko-pacifičko područje bit će najveće tržište stacionarnih litij-ionskih baterija 2030., potaknut komunalnim uslugama i industrijom. Prestići će Sjevernu Ameriku i Europa s tržištem od 7,07 milijardi dolara u 2030., rastući s 1,24 milijarde dolara u 2021. uz CAGR od 21,3%. Sjeverna Amerika i Europa bit će sljedeće po veličini tržišta zbog svojih ciljeva da dekarboniziraju svoja gospodarstva i umreže se preko sljedećeg dva desetljeća. LATAM će zabilježiti najveću stopu rasta uz CAGR od 21,4% jer njegove manje veličine i niske baze.

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

Pri kupnji optičkog solarnog pretvarača ne moraju biti važni samo cijena i kvaliteta potrebno je uzeti u obzir i druge čimbenike.

l Gustoća energije

Gustoća energije je količina energije pohranjene po jedinici volumena. viši Gustoća energije s manjom težinom i veličinom veća je između punjenja ciklusi.

l Sigurnost

Sigurnost je još jedan kritičan aspekt litij-ionskih baterija od eksplozija te požara koji mogu nastati tijekom punjenja ili pražnjenja pa je potrebno odaberite 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 poluprovodničkih baterija, koje nude niz prednosti kao što su veća gustoća energije i duži životni ciklus. Na primjer, korištenje solid-state baterije u električnim automobilima znatno će povećati njihov domet sposobnost 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. Provjerite rok trajanja datum prije kupnje. Litij-ionske baterije imaju inherentno dulje vijek trajanja zbog svoje kemije, ali svaka se baterija razlikuje ovisno o tome tip, specifikacije i način na koji su napravljeni. Visokokvalitetne baterije će traju dulje jer su iznutra izrađene od finih materijala.