Ինչ է լիթիումի իոնային մարտկոցները

1 Ի՞նչ են լիթիումի իոնային մարտկոցները:

Մարտկոցը էլեկտրական էներգիայի աղբյուր է, որը բաղկացած է մեկ կամ մի քանի էլեկտրաքիմիական բջիջներից՝ արտաքին միացումներով էլեկտրական սարքերը սնուցելու համար Lithium-ion կամ Li-ion մարտկոցը վերալիցքավորվող մարտկոցի տեսակ է, որն օգտագործում է լիթիումի իոնների շրջելի կրճատումը էներգիա պահելու համար և հայտնի է դրանց բարձր էներգիայի խտությամբ:

2 Լիթիումի իոնային մարտկոցների կառուցվածքը

Ընդհանուր առմամբ առևտրային Li-ion մարտկոցների մեծ մասը որպես ակտիվ նյութեր օգտագործում է ինտերկալացիոն միացություններ: Դրանք սովորաբար բաղկացած են նյութերի մի քանի շերտերից, որոնք դասավորված են հատուկ կարգով, որպեսզի հեշտացնեն էլեկտրաքիմիական գործընթացը, որը թույլ է տալիս մարտկոցին պահել և ազատել էներգիա՝ անոդ, կաթոդ, էլեկտրոլիտ, տարանջատող և ընթացիկ կոլեկտոր:

Ինչ է անոդը:

Որպես մարտկոցի բաղադրիչ, անոդը կարևոր դեր է խաղում մարտկոցի հզորության, կատարողականության և ամրության մեջ: Լիցքավորելիս գրաֆիտի անոդը պատասխանատու է լիթիումի իոնների ընդունման և պահպանման համար։ Երբ մարտկոցը լիցքաթափվում է, լիթիումի իոնները շարժվում են անոդից դեպի կաթոդ, որպեսզի էլեկտրական հոսանք առաջանա։ Ընդհանրապես, առևտրային ոլորտում օգտագործվող ամենատարածված անոդը գրաֆիտն է, որն իր ամբողջությամբ լիթիացված վիճակում՝ LiC6, փոխկապակցված է 1339 C/g (372 mAh/g) առավելագույն հզորությամբ: Սակայն տեխնոլոգիաների զարգացման հետ մեկտեղ ուսումնասիրվել են նոր նյութեր, ինչպիսին է սիլիցիումը, որպեսզի բարելավեն լիթիում-իոնային մարտկոցների էներգիայի խտությունը:

Ի՞նչ է կաթոդը:

Կաթոդն աշխատում է ընթացիկ ցիկլերի ընթացքում դրական լիցքավորված լիթիումի իոնների ընդունման և ազատման համար: Այն սովորաբար բաղկացած է շերտավոր օքսիդի (օրինակ՝ լիթիումի կոբալտի օքսիդի), պոլիանիոնի (օրինակ՝ լիթիումի երկաթի ֆոսֆատի) կամ սպինելի (օրինակ՝ լիթիումի մանգանի օքսիդի) շերտավոր կառուցվածքից, որը պատված է լիցքավորիչի վրա (սովորաբար պատրաստված ալյումինից) 

Ի՞նչ է էլեկտրոլիտը:

Որպես օրգանական լուծիչում լիթիումի աղ, էլեկտրոլիտը ծառայում է որպես միջավայր, որպեսզի լիթիումի իոնները շարժվեն անոդի և կաթոդի միջև լիցքավորման և լիցքաթափման ժամանակ:

Ի՞նչ է բաժանարարը:

Որպես ոչ հաղորդիչ նյութի բարակ թաղանթ կամ շերտ, տարանջատիչն աշխատում է անոդի (բացասական էլեկտրոդի) և կաթոդի (դրական էլեկտրոդի) կարճացումից կանխելու համար, քանի որ այս շերտը թափանցելի է լիթիումի իոնների, բայց ոչ էլեկտրոնների համար: Այն կարող է նաև ապահովել իոնների կայուն հոսքը էլեկտրոդների միջև լիցքավորման և լիցքաթափման ժամանակ: Հետեւաբար, մարտկոցը կարող է պահպանել կայուն լարումը եւ նվազեցնել գերտաքացման, այրման կամ պայթյունի վտանգը:

Ի՞նչ է ներկայիս կոլեկցիոները:

Ընթացիկ կոլեկտորը նախատեսված է մարտկոցի էլեկտրոդների կողմից արտադրված հոսանքը հավաքելու և այն արտաքին միացում տեղափոխելու համար, ինչը կարևոր է մարտկոցի օպտիմալ աշխատանքի և երկարակեցության ապահովման համար: Եվ սովորաբար այն սովորաբար պատրաստված է ալյումինի կամ պղնձի բարակ թերթիկից:

3 Լիթիումի իոնային մարտկոցների զարգացման պատմությունը

Վերալիցքավորվող Li-ion մարտկոցների վերաբերյալ հետազոտությունները թվագրվում են 1960-ականներին, ամենավաղ օրինակներից մեկը CuF2/Li մարտկոցն է, որը մշակվել է NASA-ի կողմից: 1965 Իսկ նավթային ճգնաժամը հարվածեց աշխարհին 1970-ականներին, հետազոտողները իրենց ուշադրությունը դարձրին էներգիայի այլընտրանքային աղբյուրների վրա, ուստի բեկումը, որն ստեղծեց ժամանակակից Li-ion մարտկոցի ամենավաղ ձևը, տեղի ունեցավ լիթիումի իոնային մարտկոցների թեթև քաշի և էներգիայի բարձր խտության պատճառով: Միևնույն ժամանակ Exxon-ից Սթենլի Ուիթինգհեմը հայտնաբերեց, որ լիթիումի իոնները կարող են տեղադրվել այնպիսի նյութերի մեջ, ինչպիսին է TiS2-ը՝ վերալիցքավորվող մարտկոց ստեղծելու համար։ 

Այսպիսով, նա փորձեց առևտրայնացնել այս մարտկոցը, բայց ձախողվեց բարձր գնի և բջիջներում մետաղական լիթիումի առկայության պատճառով: 1980 թվականին հայտնաբերվեց նոր նյութ, որն առաջարկում էր ավելի բարձր լարում և շատ ավելի կայուն էր օդում, որը հետագայում կօգտագործվեր առաջին առևտրային Li-ion մարտկոցում, թեև այն ինքնուրույն չլուծեց դյուրավառության մշտական ​​խնդիրը: Նույն թվականին Ռաչիդ Յազամին հայտնագործեց լիթիումի գրաֆիտի էլեկտրոդը (անոդ): Իսկ հետո 1991 թվականին շուկա սկսեցին հայտնվել աշխարհում առաջին վերալիցքավորվող լիթիում-իոնային մարտկոցները։ 2000-ականներին լիթիում-իոնային մարտկոցների պահանջարկը մեծացավ, քանի որ շարժական էլեկտրոնային սարքերը հայտնի դարձան, ինչը մղում է լիթիում-իոնային մարտկոցների ավելի անվտանգ և դիմացկուն լինելուն: Էլեկտրական մեքենաները ներկայացվեցին 2010-ականներին, որոնք ստեղծեցին լիթիում-իոնային մարտկոցների նոր շուկա։ 

Նոր արտադրական գործընթացների և նյութերի զարգացումը, ինչպիսիք են սիլիկոնային անոդները և պինդ վիճակում գտնվող էլեկտրոլիտները, շարունակեցին բարելավել լիթիում-իոնային մարտկոցների աշխատանքը և անվտանգությունը: Մեր օրերում լիթիում-իոնային մարտկոցները դարձել են կարևոր մեր առօրյա կյանքում, ուստի նոր նյութերի և տեխնոլոգիաների հետազոտությունն ու զարգացումը շարունակվում են՝ բարելավելու այդ մարտկոցների աշխատանքը, արդյունավետությունը և անվտանգությունը:

4. Լիթիումի իոնային մարտկոցների տեսակները

Լիթիում-իոնային մարտկոցները լինում են տարբեր ձևերի և չափերի, և ոչ բոլորն են հավասարազոր: Սովորաբար կան հինգ տեսակի լիթիում-իոնային մարտկոցներ:

լ Լիթիումի կոբալտի օքսիդ

Լիթիումի կոբալտ օքսիդի մարտկոցները արտադրվում են լիթիումի կարբոնատից և կոբալտից և հայտնի են նաև որպես լիթիումի կոբալտատ կամ լիթիում-իոն կոբալտ մարտկոցներ։ Նրանք ունեն կոբալտի օքսիդի կաթոդ և գրաֆիտի ածխածնային անոդ, և լիթիումի իոնները լիցքաթափման ժամանակ անոդից ներգաղթում են կաթոդ, իսկ մարտկոցը լիցքավորելիս հոսքը փոխվում է։ Ինչ վերաբերում է դրա կիրառմանը, դրանք օգտագործվում են դյուրակիր էլեկտրոնային սարքերում, էլեկտրական մեքենաներում և վերականգնվող էներգիայի պահպանման համակարգերում՝ իրենց բարձր հատուկ էներգիայի, ցածր ինքնալիցքաթափման արագության, բարձր աշխատանքային լարման և ջերմաստիճանի լայն տիրույթի պատճառով: Բայց ուշադրություն դարձրեք անվտանգության հետ կապված մտահոգություններին: բարձր ջերմաստիճաններում ջերմային փախուստի և անկայունության պոտենցիալը:

լ Լիթիումի մանգանի օքսիդ

Լիթիումի մանգանի օքսիդը (LiMn2O4) կաթոդային նյութ է, որը սովորաբար օգտագործվում է լիթիում-իոնային մարտկոցներում: Այս տեսակի մարտկոցների տեխնոլոգիան ի սկզբանե հայտնաբերվել է 1980-ական թվականներին, իսկ Նյութերի հետազոտական ​​տեղեկագրում առաջին հրապարակումը կատարվել է 1983 թվականին: LiMn2O4-ի առավելություններից մեկն այն է, որ այն ունի լավ ջերմային կայունություն, ինչը նշանակում է, որ այն ավելի քիչ հավանական է ջերմային փախուստի ենթարկվի, որոնք նաև ավելի անվտանգ են, քան լիթիում-իոնային մարտկոցների այլ տեսակներ: Բացի այդ, մանգանն առատ է և լայնորեն հասանելի, ինչը այն դարձնում է ավելի կայուն տարբերակ՝ համեմատած կաթոդային նյութերի հետ, որոնք պարունակում են սահմանափակ ռեսուրսներ, ինչպիսիք են կոբալտը: Արդյունքում, դրանք հաճախ հանդիպում են բժշկական սարքավորումների և սարքերի, էլեկտրական գործիքների, էլեկտրական մոտոցիկլետների և այլ ծրագրերում: Չնայած իր առավելություններին, LiMn2O4-ն ավելի վատ է հեծանվային կայունությունը՝ համեմատած LiCoO2-ի հետ, ինչը նշանակում է, որ այն կարող է ավելի հաճախակի փոխարինում պահանջել, ուստի այն կարող է այնքան էլ հարմար չլինել երկարաժամկետ էներգիայի պահպանման համակարգերի համար:

լ Լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ (LFP)

Ֆոսֆատն օգտագործվում է որպես կաթոդ լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ մարտկոցներում, որոնք հաճախ հայտնի են որպես լիֆոսֆատ մարտկոցներ։ Նրանց ցածր դիմադրությունը բարելավել է նրանց ջերմային կայունությունը և անվտանգությունը Նրանք նաև հայտնի են երկարակեցությամբ և երկար կյանքի ցիկլով, ինչը նրանց դարձնում է ամենաարդյունավետ տարբերակը լիթիում-իոնային մարտկոցների այլ տեսակների համար: Հետևաբար, այս մարտկոցները հաճախ օգտագործվում են էլեկտրական հեծանիվներում և այլ ծրագրերում, որոնք պահանջում են երկար կյանքի ցիկլ և անվտանգության բարձր մակարդակ։ Բայց դրա թերությունները դժվարացնում են արագ զարգացումը: Նախ, լիթիում-իոնային մարտկոցների այլ տեսակների համեմատ, դրանք ավելի թանկ են, քանի որ օգտագործում են հազվագյուտ և թանկ հումք: Բացի այդ, լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ մարտկոցներն ունեն ավելի ցածր աշխատանքային լարում, ինչը նշանակում է, որ դրանք կարող են հարմար չլինել որոշ ծրագրերի համար, որոնք պահանջում են ավելի բարձր լարում: Ավելի երկար լիցքավորման ժամանակը այն դարձնում է թերություն այն ծրագրերում, որոնք պահանջում են արագ լիցքավորում:

լ լիթիում նիկել մանգան կոբալտ օքսիդ (NMC)

Լիթիում նիկել մանգան կոբալտ օքսիդի մարտկոցները, որոնք հաճախ հայտնի են որպես NMC մարտկոցներ, կառուցված են մի շարք նյութերից, որոնք ունիվերսալ են լիթիում-իոնային մարտկոցներում: Ներառված է կաթոդ, որը կառուցված է նիկելի, մանգանի և կոբալտի խառնուրդից Բարձր էներգիայի խտությունը, լավ հեծանվային կատարումը և երկար կյանքն այն դարձրել են առաջին ընտրությունը էլեկտրական մեքենաների, ցանցային պահեստավորման համակարգերի և բարձր արդյունավետության այլ ծրագրերում, ինչը հետագայում նպաստել է էլեկտրական մեքենաների և վերականգնվող էներգիայի համակարգերի ժողովրդականության աճին: Հզորությունը մեծացնելու համար օգտագործվում են նոր էլեկտրոլիտներ և հավելումներ, որոնք հնարավորություն են տալիս լիցքավորել մինչև 4,4 Վ/բջջ և ավելի բարձր: Միտում կա դեպի NMC-ի խառնուրդ Li-ion, քանի որ համակարգը ծախսարդյունավետ է և ապահովում է լավ կատարում: Նիկելը, մանգանը և կոբալտը երեք ակտիվ նյութեր են, որոնք կարող են հեշտությամբ համակցվել ավտոմոբիլային և էներգիայի պահպանման համակարգերի (EES) լայն շրջանակի համար, որոնք պահանջում են հաճախակի հեծանվավազք:

 Որից մենք կարող ենք տեսնել, որ NMC ընտանիքը դառնում է ավելի բազմազան

Այնուամենայնիվ, ջերմային փախուստի կողմնակի ազդեցությունները, հրդեհային վտանգները և բնապահպանական մտահոգությունները կարող են խոչընդոտել դրա հետագա զարգացմանը:

լ Լիթիումի տիտանատ

Լիթիումի տիտանատը, որը հաճախ հայտնի է որպես լի-տիտանատ, մարտկոցների տեսակ է, որն ավելի ու ավելի շատ օգտագործում է: Իր բարձրակարգ նանոտեխնոլոգիայի շնորհիվ այն ի վիճակի է արագ լիցքավորվել և լիցքաթափվել՝ պահպանելով կայուն լարումը, ինչը այն դարձնում է լավ պիտանի բարձր էներգիայի օգտագործման համար, ինչպիսիք են էլեկտրական մեքենաները, առևտրային և արդյունաբերական էներգիայի պահեստավորման համակարգերը և ցանցի մակարդակի պահեստավորումը: Իր անվտանգության և հուսալիության հետ մեկտեղ՝ այս մարտկոցները կարող են օգտագործվել ռազմական և օդատիեզերական կիրառումների, ինչպես նաև քամու և արևի էներգիայի պահպանման և խելացի ցանցերի կառուցման համար: Ավելին, ըստ Battery Space-ի, այս մարտկոցները կարող են օգտագործվել էներգահամակարգի համար կարևոր պահուստավորման մեջ: Այնուամենայնիվ, լիթիումի տիտանատ մարտկոցները հակված են ավելի թանկ լինել, քան ավանդական լիթիում-իոնային մարտկոցները, քանի որ դրանք արտադրելու համար պահանջվում է բարդ արտադրական գործընթաց:

5. Լիթիումի իոնային մարտկոցների զարգացման միտումները

Վերականգնվող էներգիայի կայանքների համաշխարհային աճը մեծացրել է ընդհատվող էներգիայի արտադրությունը՝ ստեղծելով անհավասարակշիռ ցանց: Սա հանգեցրել է մարտկոցների պահանջարկի։ Մինչդեռ կենտրոնացումը ածխածնի զրոյական արտանետումների վրա և էլեկտրաէներգիայի արտադրության համար հանածո վառելիքներից, մասնավորապես՝ ածուխից հեռացնելու անհրաժեշտությունը, ավելի շատ կառավարությունների դրդում է խրախուսել արևային և հողմային էներգիայի կայանքները։ Այս կայանքները տրամադրվում են մարտկոցների պահեստավորման համակարգերին, որոնք պահպանում են արտադրված ավելորդ էներգիան: Հետևաբար, Լիթիումի իոնային մարտկոցների տեղադրումը խթանելու կառավարության դրդապատճառները նույնպես խթանում են լիթիումի իոնային մարտկոցների զարգացումը։ Օրինակ, կանխատեսվում է, որ NMC լիթիում-իոնային մարտկոցների համաշխարհային շուկայի չափը կաճի 2022 թվականին միլիոն ԱՄՆ դոլարից մինչև 2029 թվականին միլիոն ԱՄՆ դոլար; Ակնկալվում է, որ այն կաճի CAGR տոկոսով 2023 թվականից մինչև 2029  Իսկ ծանր բեռներ պահանջող հավելվածների աճող կարիքները կանխատեսվում է, որ 3000-10000 լիթիումի իոնային մարտկոցները կդարձնեն ամենաարագ աճող հատվածը կանխատեսվող ժամանակահատվածում (2022-2030):

6 Լիթիումի իոնային մարտկոցների ներդրումային վերլուծություն

Կանխատեսվում է, որ լիթիումի իոնային մարտկոցների շուկայի արդյունաբերությունը կաճի 51,16 միլիարդ ԱՄՆ դոլարից 2022 թվականին մինչև 118,15 միլիարդ ԱՄՆ դոլար մինչև 2030 թվականը, կանխատեսվող ժամանակահատվածում (2022-2030) ցուցադրելով 4,72% տարեկան աճ, ինչը կախված է մի քանի գործոններից:

l Վերջնական օգտագործողի վերլուծություն

Կոմունալ ծառայությունների ոլորտի տեղակայումները հիմնական շարժիչ ուժն են մարտկոցների էներգիայի պահպանման համակարգերի համար (BESS): Ակնկալվում է, որ այս հատվածը կաճի 2.25 միլիարդ դոլարից 2021 թվականին մինչև 5.99 միլիարդ դոլար 2030 թվականին 11.5% CAGR-ի դեպքում:  Li-ion մարտկոցները ցույց են տալիս ավելի բարձր 34,4% CAGR՝ իրենց ցածր աճի բազայի պատճառով: Բնակելի և առևտրային էներգիայի պահեստավորման սեգմենտները 2030 թվականին 5,51 միլիարդ դոլարի մեծ շուկայական ներուժ ունեցող այլ ոլորտներ են՝ 2021 թվականի 1,68 միլիարդ դոլարից: Արդյունաբերական ոլորտը շարունակում է իր երթը դեպի ածխածնի զրոյական արտանետումներ, ընդ որում ընկերությունները հաջորդ երկու տասնամյակում զուտ զրոյական խոստումներ են տալիս: Հեռահաղորդակցության և տվյալների կենտրոնների ընկերությունները ածխածնի արտանետումների կրճատման առաջատարն են՝ կենտրոնանալով վերականգնվող էներգիայի էներգիայի աղբյուրների վրա: Այս ամենը կնպաստի արագ զարգացմանը  Լիթիումի իոնային մարտկոցներ, քանի որ ընկերությունները ուղիներ են գտնում ապահովելու հուսալի պահուստավորում և ցանցի հավասարակշռում:

l Ապրանքի տեսակի վերլուծություն

Կոբալտի բարձր գնի պատճառով կոբալտ չպարունակող մարտկոցը լիթիում-իոնային մարտկոցների զարգացման միտումներից մեկն է: Բարձր լարման LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) բարձր էներգիայի տեսական խտությամբ առավել խոստումնալից Co-free կաթոդ նյութերից մեկն է հետագա: Այնուհետև, փորձարարական արդյունքներն ապացուցեցին, որ LNMO մարտկոցի հեծանվային և C մակարդակի կատարումը բարելավվում է կիսապինդ էլեկտրոլիտի օգտագործմամբ: Կարելի է ենթադրել, որ անիոնային COF-ն ունակ է ուժեղ կլանել Mn3+/Mn2+ և Ni2+ Կուլոնյան փոխազդեցության միջոցով՝ զսպելով դրանց կործանարար միգրացիան դեպի անոդ: Հետևաբար, այս աշխատանքը օգտակար կլինի LNMO կաթոդային նյութի առևտրայնացման համար:

l Տարածաշրջանային վերլուծություն

Ասիական-Խաղաղօվկիանոսյան տարածաշրջանը մինչև 2030 թվականը կլինի անշարժ լիթիում-իոնային մարտկոցների ամենամեծ շուկան՝ հիմնված կոմունալ ծառայությունների և արդյունաբերության ոլորտների վրա: Այն 2030 թվականին կգերազանցի Հյուսիսային Ամերիկային և Եվրոպային՝ 7,07 միլիարդ դոլար շուկայով՝ 2021 թվականի 1,24 միլիարդ դոլարից աճելով 21,3% CAGR-ով: Հյուսիսային Ամերիկան ​​և Եվրոպան կլինեն հաջորդ խոշորագույն շուկաները՝ պայմանավորված իրենց նպատակներով՝ ածխաթթվացնելու իրենց տնտեսությունները և ցանցը առաջիկա երկու տասնամյակների ընթացքում: LATAM-ը կտեսնի ամենաբարձր աճի տեմպերը CAGR-ով 21.4%՝ իր ավելի փոքր չափի և ցածր բազայի պատճառով:

7 Բաներ, որոնք պետք է հաշվի առնել բարձրորակ լիթիումի իոնային մարտկոցների համար

Օպտիկական արևային ինվերտոր գնելիս պետք է հաշվի առնել ոչ միայն գինը և որակը, այլ նաև պետք է հաշվի առնել այլ գործոններ:

լ Էներգիայի խտություն

Էներգիայի խտությունը միավորի ծավալով պահվող էներգիայի քանակն է: Ավելի մեծ էներգիայի խտությունը ավելի քիչ քաշով և չափերով ավելի ընդարձակ է լիցքավորման ցիկլերի միջև:

Ս  Անվտանգությունը

Անվտանգությունը լիթիում-իոնային մարտկոցների ևս մեկ կարևոր կողմ է, քանի որ պայթյունները և հրդեհները կարող են առաջանալ լիցքավորման կամ լիցքաթափման ժամանակ, ուստի անհրաժեշտ է ընտրել բարելավված անվտանգության մեխանիզմներով մարտկոցներ, ինչպիսիք են ջերմաստիճանի տվիչները և արգելակող նյութերը:

l Տեսակ

Լիթիում-իոնային մարտկոցների արդյունաբերության վերջին միտումներից մեկը պինդ վիճակում մարտկոցների զարգացումն է, որն առաջարկում է մի շարք առավելություններ, ինչպիսիք են էներգիայի բարձր խտությունը և կյանքի ավելի երկար ցիկլը: Օրինակ, էլեկտրական մեքենաներում պինդ մարտկոցների օգտագործումը զգալիորեն կբարձրացնի դրանց հեռահարության հնարավորությունը և անվտանգությունը:

l Լիցքավորման արագություն

Լիցքավորման արագությունը կախված է մարտկոցի անվտանգ լիցքավորման արագությունից: Երբեմն մարտկոցը երկար ժամանակ է պահանջում լիցքավորման համար, նախքան դրանք օգտագործելը:

l Կյանքի տևողությունը

 Ոչ մի մարտկոց չի աշխատում ամբողջ կյանքի ընթացքում, բայց ունի պիտանելիության ժամկետ: Գնումը կատարելուց առաջ ստուգեք պիտանելիության ժամկետը: Լիթիումի իոնային մարտկոցներն ունեն բնական ավելի երկար կյանք՝ շնորհիվ իր քիմիայի, բայց յուրաքանչյուր մարտկոց տարբերվում է միմյանցից՝ կախված տեսակից, բնութագրերից և դրանց պատրաստման եղանակից: Բարձրորակ մարտկոցները կծառայեն ավելի երկար, քանի որ դրանք պատրաստված են նուրբ նյութերից ներսում: