Mi az a lítium-ion akkumulátor

1 Mi az a lítium-ion akkumulátor?

Az akkumulátor olyan elektromos áramforrás, amely egy vagy több elektrokémiai cellából áll, külső csatlakozásokkal az elektromos eszközök táplálására A lítium-ion vagy lítium-ion akkumulátor egyfajta újratölthető akkumulátor, amely a lítium-ionok reverzibilis redukcióját használja az energia tárolására, és híres nagy energiasűrűségéről.

2 A lítium-ion akkumulátorok felépítése

Általában a legtöbb kereskedelmi forgalomban lévő Li-ion akkumulátor interkalációs vegyületeket használ aktív anyagként. Általában több réteg anyagból állnak, amelyek meghatározott sorrendben vannak elrendezve, hogy megkönnyítsék az elektrokémiai folyamatot, amely lehetővé teszi az akkumulátor számára az energia tárolását és felszabadítását – anód, katód, elektrolit, szeparátor és áramgyűjtő.

Mi az anód?

Az akkumulátor alkotóelemeként az anód fontos szerepet játszik az akkumulátor kapacitásában, teljesítményében és tartósságában. Töltéskor a grafit anód felelős a lítium ionok befogadásáért és tárolásáért. Amikor az akkumulátor lemerül, a lítium-ionok az anódról a katódra mozognak, így elektromos áram keletkezik. Általában a kereskedelemben leggyakrabban használt anód a grafit, amely teljesen lítiumos LiC6 állapotában 1339 C/g (372 mAh/g) maximális kapacitással korrelál. A technológiák fejlődésével azonban új anyagokat, például szilíciumot kutattak a lítium-ion akkumulátorok energiasűrűségének javítására.

Mi az a katód?

A katód a pozitív töltésű lítium-ionok befogadására és felszabadítására dolgozik az aktuális ciklusok során. Általában egy réteges oxid (például lítium-kobalt-oxid), egy polianion (például lítium-vas-foszfát) vagy egy spinel (például lítium-mangán-oxid) réteges szerkezetéből áll, amely egy (általában alumíniumból készült) töltésgyűjtőre van bevonva. 

Mi az elektrolit?

Szerves oldószerben lítium sóként az elektrolit közegként szolgál a lítium-ionok számára az anód és a katód közötti mozgáshoz a töltés és kisütés során.

Mi az a szeparátor?

Vékony membránként vagy nem vezető anyagú rétegként az elválasztó megakadályozza az anód (negatív elektróda) ​​és a katód (pozitív elektróda) ​​rövidre zárását, mivel ez a réteg áteresztő a lítium-ionok számára, de nem az elektronok számára. Ezenkívül biztosítja az ionok egyenletes áramlását az elektródák között a töltés és a kisütés során. Ezért az akkumulátor stabil feszültséget tud fenntartani, és csökkenti a túlmelegedés, az égés vagy a robbanás kockázatát.

Mi az az áramgyűjtő?

Az áramgyűjtőt úgy tervezték, hogy összegyűjtse az akkumulátor elektródái által termelt áramot, és azt a külső áramkörbe továbbítsa, ami fontos az akkumulátor optimális teljesítményének és hosszú élettartamának biztosításához. És általában jellemzően vékony alumínium- vagy rézlapból készül.

3 A lítium-ion akkumulátorok fejlesztési története

Az újratölthető Li-ion akkumulátorokkal kapcsolatos kutatások az 1960-as évekre nyúlnak vissza, az egyik legkorábbi példa a NASA által 2008-ban kifejlesztett CuF2/Li akkumulátor. 1965 Az olajválság pedig az 1970-es években sújtotta a világot, a kutatók figyelmüket az alternatív energiaforrások felé fordították, így a lítium-ion akkumulátorok könnyű súlya és nagy energiasűrűsége miatt megtörtént az áttörés, amely a modern Li-ion akkumulátor legkorábbi formáját hozta létre. Ugyanakkor Stanley Whittingham (Exxon) felfedezte, hogy lítium-ionokat lehet olyan anyagokba illeszteni, mint például a TiS2, hogy újratölthető akkumulátort hozzanak létre. 

Ezért megpróbálta kereskedelmi forgalomba hozni ezt az akkumulátort, de a magas költségek és a fémes lítium cellákban való jelenléte miatt kudarcot vallott. 1980-ban megállapították, hogy az új anyag magasabb feszültséget kínál, és sokkal stabilabb a levegőben, amelyet később az első kereskedelmi forgalomban lévő Li-ion akkumulátorban használtak, bár ez önmagában nem oldotta meg a tartós gyúlékonysági problémát. ugyanebben az évben Rachid Yazami feltalálta a lítium-grafit elektródát (anódot). Aztán 1991-ben megjelentek a világ első újratölthető lítium-ion akkumulátorai. A 2000-es években a lítium-ion akkumulátorok iránti kereslet megnőtt, mivel a hordozható elektronikai eszközök népszerűvé váltak, ami a lítium-ion akkumulátorokat biztonságosabbá és tartósabbá teszi. Az elektromos járműveket a 2010-es években vezették be, ami új piacot teremtett a lítium-ion akkumulátorok számára 

Az új gyártási eljárások és anyagok, például a szilícium anódok és a szilárdtest elektrolitok fejlesztése tovább javította a lítium-ion akkumulátorok teljesítményét és biztonságát. Napjainkban a lítium-ion akkumulátorok nélkülözhetetlenek mindennapi életünkben, ezért az új anyagok és technológiák kutatása és fejlesztése folyamatosan zajlik ezen akkumulátorok teljesítményének, hatékonyságának és biztonságának javítása érdekében.

4. A lítium-ion akkumulátorok típusai

A lítium-ion akkumulátorok változatos formában és méretben kaphatók, és nem mindegyik egyenlő. Általában ötféle lítium-ion akkumulátor létezik.

l Lítium-kobalt-oxid

A lítium-kobalt-oxid akkumulátorok lítium-karbonátból és kobaltból készülnek, és lítium-kobalt- vagy lítium-ion-kobalt-akkumulátorként is ismertek. Kobalt-oxid katódjuk és grafit szénanódjuk van, a lítium-ionok pedig a kisülés során az anódról a katódra vándorolnak, az áramlás megfordul az akkumulátor töltésekor. Alkalmazását tekintve hordozható elektronikai eszközökben, elektromos járművekben és megújuló energiatároló rendszerekben használják őket magas fajlagos energiájuk, alacsony önkisülési sebességük, magas üzemi feszültségük és széles hőmérsékleti tartományuk miatt. De ügyeljen a biztonsági szempontokra. a termikus kifutás és a magas hőmérsékleti instabilitás lehetőségére.

l lítium-mangán-oxid

A lítium-mangán-oxid (LiMn2O4) egy katódanyag, amelyet általában lítium-ion akkumulátorokban használnak. Az ilyen típusú akkumulátorok technológiáját először az 1980-as években fedezték fel, az első publikációt a Materials Research Bulletinben 1983-ban. A LiMn2O4 egyik előnye, hogy jó hőstabilitással rendelkezik, ami azt jelenti, hogy kevésbé valószínű, hogy hőkiesést tapasztal, ami biztonságosabb is, mint a többi lítium-ion akkumulátortípus. Ezenkívül a mangán bőséges és széles körben elérhető, ami fenntarthatóbb megoldássá teszi a korlátozott erőforrásokat, például a kobaltot tartalmazó katódanyagokhoz képest. Ennek eredményeként gyakran megtalálhatók orvosi berendezésekben és eszközökben, elektromos szerszámokban, elektromos motorkerékpárokban és egyéb alkalmazásokban. Előnyei ellenére a LiMn2O4 gyengébb kerékpározási stabilitása a LiCoO2-hoz képest, ami azt jelenti, hogy gyakoribb cserét igényelhet, így nem biztos, hogy olyan alkalmas hosszú távú energiatároló rendszerekhez.

l Lítium-vas-foszfát (LFP)

A foszfátot katódként használják a lítium-vas-foszfát akkumulátorokban, amelyeket gyakran lítium-foszfát akkumulátoroknak is neveznek. Alacsony ellenállásuk javítja hőstabilitásukat és biztonságukat Híresek a tartósságukról és a hosszú élettartamukról is, ami a legköltséghatékonyabb megoldást jelenti más típusú lítium-ion akkumulátorokhoz. Következésképpen ezeket az akkumulátorokat gyakran használják elektromos kerékpárokban és más alkalmazásokban, amelyek hosszú élettartamot és magas szintű biztonságot igényelnek. De hátrányai megnehezítik a gyors fejlődést. Először is, más típusú lítium-ion akkumulátorokhoz képest drágábbak, mivel ritka és drága nyersanyagokat használnak. Ezenkívül a lítium-vas-foszfát akkumulátorok alacsonyabb üzemi feszültséggel rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy előfordulhat, hogy nem alkalmasak bizonyos nagyobb feszültséget igénylő alkalmazásokhoz. Hosszabb töltési ideje hátrányt jelent a gyors újratöltést igénylő alkalmazásokban.

l Lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid (NMC)

A lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid akkumulátorok, amelyeket gyakran NMC-akkumulátorként is ismernek, különféle anyagokból készülnek, amelyek univerzálisak a lítium-ion akkumulátorokban. A katód nikkel, mangán és kobalt keverékéből készült Nagy energiasűrűsége, jó kerékpáros teljesítménye és hosszú élettartama miatt az első számú választás az elektromos járművek, hálózati tárolórendszerek és más nagy teljesítményű alkalmazások terén, ami tovább járult az elektromos járművek és a megújuló energiarendszerek növekvő népszerűségéhez. A kapacitás növelése érdekében új elektrolitokat és adalékokat használnak, amelyek lehetővé teszik a 4,4 V/cella vagy magasabb töltést. A tendencia az NMC-kevert Li-ion felé mutat, mivel a rendszer költséghatékony és jó teljesítményt nyújt. A nikkel, a mangán és a kobalt három aktív anyag, amelyek könnyen kombinálhatók, hogy megfeleljenek a gyakori kerékpározást igénylő autóipari és energiatároló rendszerek (EES) széles skálájának.

 Ebből láthatjuk, hogy az NMC család egyre változatosabb

Azonban mellékhatásai a termikus menekülés, a tűzveszély és a környezeti aggályok hátráltathatják további fejlődését.

l Lítium-titanát

A lítium-titanát, amelyet gyakran lítium-titanát néven is ismernek, egy olyan típusú akkumulátor, amelyet egyre több felhasználási körben használnak. Kiváló nanotechnológiájának köszönhetően képes gyorsan feltölteni és kisütni, miközben stabil feszültséget tart fenn, így kiválóan alkalmas nagy teljesítményű alkalmazásokhoz, mint például elektromos járművek, kereskedelmi és ipari energiatároló rendszerek, valamint hálózati szintű tárolás Biztonságukkal és megbízhatóságukkal együtt ezek az akkumulátorok katonai és űrkutatási alkalmazásokra, valamint szél- és napenergia tárolására és intelligens hálózatok építésére is használhatók. Ezenkívül a Battery Space szerint ezek az akkumulátorok felhasználhatók az energiaellátó rendszer szempontjából kritikus biztonsági mentésekhez Ennek ellenére a lítium-titanát akkumulátorok általában drágábbak, mint a hagyományos lítium-ion akkumulátorok az előállításukhoz szükséges összetett gyártási folyamat miatt.

5. A lítium-ion akkumulátorok fejlesztési trendjei

A megújulóenergia-létesítmények globális növekedése megnövelte az időszakos energiatermelést, kiegyensúlyozatlan hálózatot teremtve. Ez az akkumulátorok iránti kereslethez vezetett. Miközben a nulla szén-dioxid-kibocsátásra való összpontosítás és a fosszilis tüzelőanyagoktól, nevezetesen a széntől való eltávolodás az energiatermelésben több kormányt késztet arra, hogy ösztönözze a nap- és szélerőműveket. Ezek a telepítések alkalmasak akkumulátortároló rendszerekre, amelyek tárolják a többletenergiát. Ezért a Li-ion akkumulátorok telepítésének ösztönzésére irányuló kormányzati ösztönzők a lítium-ion akkumulátorok fejlesztését is ösztönzik. Például az NMC lítium-ion akkumulátorok globális piacának mérete az előrejelzések szerint a 2022-es millió dollárról 2029-re millió dollárra nő; várhatóan %-os CAGR-rel fog növekedni 2023-tól 2029  A nagy terhelést igénylő alkalmazások növekvő igényei pedig az előrejelzések szerint a 3000-10000 darabos lítium-ion akkumulátorokat a leggyorsabban növekvő szegmenssé teszik az előrejelzési időszakban (2022-2030).

6 A lítium-ion akkumulátorok befektetési elemzése

A lítium-ion akkumulátorok piaca az előrejelzések szerint a 2022-es 51,16 milliárd USD-ról 2030-ra 118,15 milliárd USD-ra fog növekedni, és az előrejelzési időszakban (2022-2030) 4,72%-os összetett éves növekedési rátát mutat, ami több tényezőtől is függ.

l Végfelhasználói elemzés

A közüzemi létesítmények az akkumulátoros energiatároló rendszerek (BESS) kulcsfontosságú mozgatórugói. Ez a szegmens a 2021-es 2,25 milliárd dollárról 2030-ra 5,99 milliárd dollárra nő 11,5%-os CAGR mellett.  A Li-ion akkumulátorok alacsony növekedési bázisuk miatt magasabb, 34,4%-os CAGR-t mutatnak. A lakossági és kereskedelmi energiatárolási szegmensek további nagy piaci potenciállal rendelkeznek, 2030-ban 5,51 milliárd dollár, szemben a 2021-es 1,68 milliárd dollárral. Az ipari szektor tovább halad a nulla szén-dioxid-kibocsátás felé, és a vállalatok nettó nulla kötelezettséget tesznek a következő két évtizedben. A távközlési és adatközponti cégek élen járnak a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésében, fokozott figyelmet fordítva a megújuló energiaforrásokra Mindez elősegíti a gyors fejlődést  lítium-ion akkumulátorok, mivel a vállalatok megtalálják a módját a megbízható biztonsági mentés és a hálózat kiegyensúlyozásának.

l Terméktípus elemzés

A kobalt magas ára miatt a kobaltmentes akkumulátor a lítium-ion akkumulátorok egyik fejlesztési iránya. A nagyfeszültségű LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) nagy elméleti energiasűrűséggel az egyik legígéretesebb Co-free katódanyag a jövőben. Továbbá a kísérleti eredmények bebizonyították, hogy a félszilárd elektrolit használata javítja az LNMO akkumulátor ciklus- és C-teljesítményét. Feltételezhető, hogy az anionos COF Coulomb-kölcsönhatáson keresztül képes erősen elnyelni az Mn3+/Mn2+ és Ni2+ anyagokat, visszatartva azok destruktív migrációját az anód felé. Ezért ez a munka előnyös lesz az LNMO katódanyag kereskedelmi forgalomba hozatalához.

l Regionális elemzés

Ázsia-csendes-óceáni térség lesz a legnagyobb helyhez kötött lítium-ion akkumulátorok piaca 2030-ra, a közművek és az iparágak által vezérelve. 2030-ban 7,07 milliárd dolláros piaccal megelőzi Észak-Amerikát és Európát, a 2021-es 1,24 milliárd dollárról 21,3%-os CAGR mellett. Észak-Amerika és Európa lesz a következő legnagyobb piac, mivel céljaik gazdaságuk és hálózatuk szén-dioxid-mentesítésére irányulnak a következő két évtizedben. A LATAM a legnagyobb növekedési rátát 21,4%-os CAGR-ral fogja elérni kisebb mérete és alacsony bázisa miatt.

7 Jó minőségű lítium-ion akkumulátorok, amelyeket figyelembe kell venni

Optikai szoláris inverter vásárlásakor nem csak az árat és a minőséget kell figyelembe venni, hanem egyéb tényezőket is szem előtt kell tartani.

l Energiasűrűség

Az energiasűrűség az egységnyi térfogatban tárolt energia mennyisége. A nagyobb energiasűrűség kisebb súly és méret mellett kiterjedtebb a töltési ciklusok között.

l  Biztonság

A biztonság a lítium-ion akkumulátorok másik kritikus szempontja, mivel a töltés vagy kisütés során előfordulhatnak robbanások és tüzek, ezért olyan akkumulátorokat kell választani, amelyek fokozott biztonsági mechanizmussal rendelkeznek, például hőmérséklet-érzékelők és gátló anyagok.

l Típus

A lítium-ion akkumulátorok iparának egyik legújabb trendje a szilárdtest akkumulátorok fejlesztése, amely számos előnnyel jár, mint például a nagyobb energiasűrűség és a hosszabb élettartam. Például a szilárdtest akkumulátorok használata az elektromos autókban jelentősen növeli a hatótávolságot és a biztonságot.

l Töltési sebesség

A töltés sebessége attól függ, hogy az akkumulátor milyen gyorsan töltődik biztonságosan. Néha az akkumulátorok hosszú ideig töltődnek, mielőtt használhatók.

l Élettartam

 Az akkumulátor nem működik a teljes élettartam alatt, de van egy lejárati ideje. Vásárlás előtt ellenőrizze a lejárati dátumot. A lítium-ion akkumulátorok kémiájának köszönhetően hosszabb élettartammal rendelkeznek, de minden akkumulátor típustól, specifikációtól és gyártási módtól függően különbözik egymástól. A kiváló minőségű akkumulátorok tovább tartanak, mivel belül finom anyagokból készültek.