Hvað er litíumjónarafhlöður

1 Hvað er litíumjónarafhlöður？

Rafhlaða er raforkugjafi sem samanstendur af einni eða fleiri rafefnafræðilegum frumum með ytri tengingum til að knýja raftæki Lithium-ion eða Li-ion rafhlaða er tegund endurhlaðanlegrar rafhlöðu sem notar afturkræfa minnkun litíumjóna til að geyma orku og er fræg fyrir mikla orkuþéttleika þeirra.

2 Uppbygging litíumjónarafhlöður

Yfirleitt nota flestar Li-ion rafhlöður í atvinnuskyni innsetningarsambönd sem virk efni. Þau samanstanda venjulega af nokkrum lögum af efnum sem er raðað í ákveðinni röð til að auðvelda rafefnafræðilega ferlið sem gerir rafhlöðunni kleift að geyma og losa orku - rafskaut, bakskaut, raflausn, skilju og straumsafnari.

Hvað er rafskaut?

Sem hluti af rafhlöðunni gegnir rafskaut mikilvægu hlutverki í getu, afköstum og endingu rafhlöðunnar. Við hleðslu er grafítskautið ábyrgt fyrir að taka við og geyma litíumjónir. Þegar rafhlaðan er tæmd fara litíumjónirnar frá rafskautinu til bakskautsins þannig að rafstraumur myndast. Almennt er algengasta rafskautið sem er notað í atvinnuskyni grafít, sem í fullkomlega lithiated ástandi LiC6 samsvarar hámarksgetu 1339 C/g (372 mAh/g) En með þróun tækni hafa ný efni eins og sílikon verið rannsökuð til að bæta orkuþéttleika litíumjónarafhlöður.

Hvað er bakskaut?

Bakskaut vinnur að því að taka við og losa jákvætt hlaðnar litíumjónir meðan á núverandi hringrás stendur. Það samanstendur venjulega af lagskiptri uppbyggingu lagskipts oxíðs (eins og litíum kóbaltoxíðs), pólýanjón (eins og litíum járnfosfat) eða spínel (eins og litíum mangan oxíð) húðað á hleðslu safnara (venjulega úr áli) 

Hvað er raflausn?

Sem litíumsalt í lífrænum leysi þjónar raflausnin sem miðill fyrir litíumjónir til að fara á milli rafskautsins og bakskautsins við hleðslu og losun.

Hvað er skiljari?

Sem þunn himna eða lag af óleiðandi efni vinnur aðskilnaðurinn til að koma í veg fyrir að rafskaut (neikvæð rafskaut) og bakskaut (jákvæð rafskaut) skemmist, þar sem þetta lag er gegndræpt fyrir litíumjónum en ekki rafeindum. Það getur einnig tryggt stöðugt flæði jóna milli rafskautanna meðan á hleðslu og afhleðslu stendur. Þess vegna getur rafhlaðan haldið stöðugri spennu og dregið úr hættu á ofhitnun, bruna eða sprengingu.

Hvað er núverandi safnari?

Straumsafnari er hannaður til að safna straumnum sem rafskaut rafhlöðunnar framleiðir og flytja hann til ytri hringrásarinnar, sem er mikilvægt til að tryggja hámarksafköst og langlífi rafhlöðunnar. Og venjulega er það venjulega gert úr þunnt lak af áli eða kopar.

3 Þróunarsaga litíumjónarafhlöður

Rannsóknir á endurhlaðanlegum Li-ion rafhlöðum eru frá 1960, eitt af elstu dæmunum er CuF2/Li rafhlaða þróuð af NASA í 1965 Og olíukreppa skall á heiminum á áttunda áratugnum, vísindamenn beindust að öðrum orkugjöfum, þannig að byltingin sem framleiddi elstu gerð nútíma Li-ion rafhlöðu var gerð vegna léttar og mikillar orkuþéttleika litíumjónarafhlöðu. Á sama tíma uppgötvaði Stanley Whittingham frá Exxon að hægt væri að setja litíumjónir í efni eins og TiS2 til að búa til endurhlaðanlega rafhlöðu 

Svo hann reyndi að markaðssetja þessa rafhlöðu en mistókst vegna mikils kostnaðar og tilvistar litíums úr málmi í frumunum. Árið 1980 kom í ljós að nýtt efni býður upp á hærri spennu og var mun stöðugra í lofti, sem síðar átti að vera notað í fyrstu Li-ion rafhlöðunni í atvinnuskyni, þó að það hafi ekki ein og sér leyst viðvarandi vandamálið um eldfimi. sama ár fann Rachid Yazami upp litíum grafít rafskautið (skaut). Og svo árið 1991 fóru fyrstu endurhlaðanlegu litíumjónarafhlöður heimsins að koma á markaðinn. Árið 2000 jókst eftirspurn eftir litíumjónarafhlöðum eftir því sem flytjanlegur rafeindabúnaður varð vinsæll, sem knýr litíumjónarafhlöður til að vera öruggari og endingargóðari. Rafbílar voru kynntir á 2010, sem skapaði nýjan markað fyrir litíumjónarafhlöður 

Þróun nýrra framleiðsluferla og efna, eins og kísilskauta og raflausna í föstu formi, hélt áfram að bæta árangur og öryggi litíumjónarafhlöðu. Nú á dögum eru litíumjónarafhlöður orðnar nauðsynlegar í daglegu lífi okkar, þannig að rannsóknir og þróun nýrra efna og tækni eru í gangi til að bæta afköst, skilvirkni og öryggi þessara rafhlaðna.

4. Tegundir litíumjónarafhlöðu

Lithium-ion rafhlöður koma í ýmsum stærðum og gerðum og eru ekki allar jafnar. Venjulega eru fimm tegundir af litíumjónarafhlöðum.

l Litíum kóbaltoxíð

Litíum kóbalt oxíð rafhlöður eru framleiddar úr litíum karbónati og kóbalti og eru einnig þekktar sem litíum kóbalt rafhlöður eða litíum jón kóbalt rafhlöður Þau eru með kóbaltoxíð bakskaut og grafít kolefnisskaut og litíumjónir flytjast frá skautinu til bakskautsins meðan á losun stendur og flæðið snýst við þegar rafhlaðan er hlaðin. Að því er varðar notkun þess eru þau notuð í flytjanlegum rafeindatækjum, rafknúnum ökutækjum og endurnýjanlegri orkugeymslukerfum vegna mikillar sértækrar orku, lágs sjálfsafhleðsluhraða, hárrar rekstrarspennu og breitt hitastigssvið. En gaum að öryggisvandamálum tengdum til möguleika á hitauppstreymi og óstöðugleika við háan hita.

l Litíum manganoxíð

Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4) er bakskautsefni sem er almennt notað í litíumjónarafhlöður. Tæknin fyrir þessa tegund rafhlöðu var upphaflega uppgötvað á níunda áratugnum, með fyrstu birtingu í Materials Research Bulletin árið 1983. Einn af kostum LiMn2O4 er að hann hefur góðan hitastöðugleika, sem þýðir að það er ólíklegra að hann verði fyrir hitauppstreymi, sem eru einnig öruggari en aðrar litíumjónarafhlöður. Að auki er mangan mikið og víða fáanlegt, sem gerir það að sjálfbærari valkosti samanborið við bakskautsefni sem innihalda takmarkaðar auðlindir eins og kóbalt. Þess vegna finnast þau oft í lækningatækjum og tækjum, rafmagnsverkfærum, rafmótorhjólum og öðrum forritum. Þrátt fyrir kosti þess er LiMn2O4 lakari hjólreiðastöðugleiki samanborið við LiCoO2, sem þýðir að það gæti þurft að skipta um það oftar, svo það hentar kannski ekki eins vel fyrir langtíma orkugeymslukerfi.

l litíum járnfosfat (LFP)

Fosfat er notað sem bakskaut í litíum járnfosfat rafhlöðum, oft þekkt sem li-fosfat rafhlöður. Lágt viðnám þeirra hefur bætt hitastöðugleika þeirra og öryggi Þeir eru einnig frægir fyrir endingu og langan líftíma, sem gerir þá að hagkvæmasta kostinum fyrir aðrar gerðir af litíumjónarafhlöðum. Þess vegna eru þessar rafhlöður oft notaðar í rafhjólum og öðrum forritum sem krefjast langrar líftíma og mikils öryggis. En ókostir þess gera það að verkum að erfitt er að þróast hratt. Í fyrsta lagi, samanborið við aðrar tegundir af litíumjónarafhlöðum, kosta þær meira vegna þess að þær nota sjaldgæft og dýrt hráefni. Að auki hafa litíum járnfosfat rafhlöður lægri rekstrarspennu, sem þýðir að þær henta kannski ekki fyrir sum forrit sem krefjast hærri spennu. Lengri hleðslutími þess gerir það að verkum að það er ókostur í forritum sem krefjast skjótrar endurhleðslu.

l Lithium Nikkel Mangan Cobalt Oxide (NMC)

Lithium Nikkel Mangan Cobalt Oxide rafhlöður, oft þekktar sem NMC rafhlöður, eru smíðaðar úr ýmsum efnum sem eru alhliða í litíumjónarafhlöðum. Bakskaut smíðuð úr blöndu af nikkeli, mangani og kóbalti fylgir Mikil orkuþéttleiki þess, góð hjólreiðaframmistaða og langur líftími hefur gert það að fyrsta vali í rafknúnum ökutækjum, netgeymslukerfum og öðrum afkastamiklum forritum, sem hefur enn frekar stuðlað að vaxandi vinsældum rafknúinna ökutækja og endurnýjanlegra orkukerfa. Til að auka afkastagetu eru ný raflausn og aukefni notuð til að gera það kleift að hlaða upp í 4,4V/klefa og hærra. Það er þróun í átt að NMC-blönduðu Li-ion þar sem kerfið er hagkvæmt og gefur góða frammistöðu. Nikkel, mangan og kóbalt eru þrjú virk efni sem auðvelt er að sameina til að passa við fjölbreytt úrval bíla- og orkugeymslukerfa (EES) sem krefjast tíðar hjólreiða.

 Þaðan sem við getum séð NMC fjölskyldan er að verða fjölbreyttari

Hins vegar geta aukaverkanir þess vegna hitauppstreymis, eldhættu og umhverfisáhyggjur hamlað frekari þróun þess.

l Lithium Titanate

Lithium titanate, oft þekkt sem li-titanate, er tegund rafhlöðu sem hefur vaxandi fjölda notkunar. Vegna yfirburðar nanótækni sinnar er það fær um að hlaða og afhlaða hratt á meðan það heldur stöðugri spennu, sem gerir það vel til þess fallið fyrir háa orkunotkun eins og rafknúin farartæki, orkugeymslukerfi í atvinnuskyni og iðnaðar og geymslu á neti. Ásamt öryggi og áreiðanleika gæti þessar rafhlöður verið notaðar í hernaðar- og geimferðanotkun, auk þess að geyma vind- og sólarorku og smíða snjallnet. Ennfremur, samkvæmt Battery Space, gætu þessar rafhlöður verið notaðar í afritum sem eru mikilvægar fyrir raforkukerfi Engu að síður hafa lithium titanate rafhlöður tilhneigingu til að vera dýrari en hefðbundnar lithium-ion rafhlöður vegna flókins framleiðsluferlis sem þarf til að framleiða þær.

5. Þróunarþróun litíumjónarafhlöður

Vöxtur endurnýjanlegrar orku á heimsvísu hefur aukið orkuframleiðslu með hléum og skapað ójafnvægi. Þetta hefur leitt til eftirspurnar eftir rafhlöðum. Á meðan áhersla á núll kolefnislosun og þörf á að hverfa frá jarðefnaeldsneyti, nefnilega kolum, til orkuframleiðslu hvetur fleiri stjórnvöld til að hvetja sólar- og vindorkuvirkjanir. Þessar uppsetningar henta fyrir rafhlöðugeymslukerfi sem geymir umframafl sem myndast. Þess vegna ýta hvatar stjórnvalda til að hvetja Li-ion rafhlöðuuppsetningar einnig áfram þróun litíumrafhlöðu Til dæmis er spáð að markaðsstærð NMC litíumjónarafhlöður á heimsvísu muni vaxa úr milljónum Bandaríkjadala árið 2022 í milljónir Bandaríkjadala árið 2029; Gert er ráð fyrir að það vaxi við CAGR upp á % frá 2023 til 2029  Og auknar þarfir forrita sem krefjast mikils álags er spáð að litíumjónarafhlöður upp á 3000-10000 verði að ört vaxandi hlutanum á spátímabilinu (2022-2030).

6 Fjárfestingargreining á litíumjónarafhlöðum

Gert er ráð fyrir að markaðsiðnaðurinn fyrir litíumjónarafhlöður muni vaxa úr 51,16 milljörðum Bandaríkjadala árið 2022 í 118,15 milljarða Bandaríkjadala árið 2030, sem sýnir samsettan árlegan vöxt upp á 4,72% á spátímabilinu (2022-2030), sem fer eftir nokkrum þáttum.

l Greining notenda

Uppsetningar veitugeirans eru lykildrifkraftar fyrir rafhlöðuorkugeymslukerfi (BESS). Búist er við að þessi hluti muni vaxa úr 2,25 milljörðum dala árið 2021 í 5,99 milljarða dala árið 2030 við CAGR upp á 11,5%.  Li-ion rafhlöður sýna hærra 34,4% CAGR vegna lágs vaxtargrunns. Orkugeymsluhluti íbúða og atvinnuhúsnæðis eru önnur svæði með mikla markaðsmöguleika upp á 5,51 milljarð dala árið 2030, úr 1,68 milljörðum dala árið 2021. Iðnaðargeirinn heldur áfram göngu sinni í átt að núlli kolefnislosun, þar sem fyrirtæki gefa nettó-núlloforð á næstu tveimur áratugum. Fjarskipta- og gagnaverafyrirtæki eru í fararbroddi í að draga úr kolefnislosun með aukinni áherslu á endurnýjanlega orkugjafa Allt sem mun stuðla að hraðri þróun  litíumjónarafhlöður þar sem fyrirtæki finna leiðir til að tryggja áreiðanlega öryggisafritun og jafnvægi á neti.

l Vörutegundagreining

Vegna hás verðs á kóbalti er kóbaltlaus rafhlaða ein af þróunarþróun litíumjónarafhlöðu. Háspennu LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) með háum fræðilegri orkuþéttleika er eitt af efnilegustu Co-frjáls bakskautsefnum í lengra lagi. Ennfremur sönnuðu tilraunaniðurstöðurnar að hjólreiðar og C-hraða árangur LNMO rafhlöðunnar er bættur með því að nota hálfföstu raflausnina. Þetta er hægt að leggja til að anjónísk COF sé fær um að taka sterkt í sig Mn3+/Mn2+ og Ni2+ í gegnum Coulomb víxlverkun, og hindra eyðileggjandi flutning þeirra til rafskautsins. Þess vegna mun þessi vinna vera gagnleg fyrir markaðssetningu LNMO bakskautsefnis.

l Svæðisgreining

Asíu-Kyrrahaf verður stærsti kyrrstæður litíumjónarafhlöðumarkaðurinn árið 2030, knúinn áfram af veitum og iðnaði. Það mun taka fram úr Norður-Ameríku og Evrópu með 7,07 milljarða dala markað árið 2030, vaxa úr 1,24 milljörðum dala árið 2021 á CAGR upp á 21,3%. Norður-Ameríka og Evrópa verða næststærstu markaðir vegna markmiða þeirra um að kolefnislosa hagkerfi þeirra og net á næstu tveimur áratugum. LATAM mun sjá hæsta vaxtarhraða á CAGR upp á 21,4% vegna smærri stærðar og lágs grunns.

7 Atriði sem þarf að huga að fyrir hágæða litíumjónarafhlöður

Þegar þú kaupir optískan sólarorkubreytir þarf ekki aðeins að hafa verð og gæði í huga, einnig ætti að hafa aðra þætti í huga.

l Orkuþéttleiki

Orkuþéttleiki er magn orku sem er geymt á rúmmálseiningu. Hærri orkuþéttleiki með minni þyngd og stærð er umfangsmeiri á milli hleðslulota.

l  Öryggi

Öryggi er annar mikilvægur þáttur í litíumjónarafhlöðum þar sem sprengingar og eldar geta orðið við hleðslu eða afhleðslu, svo það er nauðsynlegt að velja rafhlöður með bættum öryggisbúnaði, svo sem hitaskynjara og hamlandi efni.

l Tegund

Ein nýjasta þróunin í litíumjónarafhlöðuiðnaðinum er þróun solid-state rafhlöður, sem býður upp á margvíslega kosti eins og meiri orkuþéttleika og lengri líftíma. Til dæmis mun notkun solid-state rafhlöður í rafbílum auka drægni þeirra og öryggi verulega.

l Hleðsluhlutfall

Hleðsluhraði fer eftir því hversu hratt rafhlaðan hleðst á öruggan hátt. Stundum tekur rafhlaðan langan tíma að hlaða áður en hægt er að nota hana.

l Líftími

 Engin rafhlaða keyrir alla ævi en hefur fyrningardagsetningu. Athugaðu fyrningardagsetningu áður en þú kaupir. Lithium ion rafhlöður hafa innbyggt lengri endingu vegna efnafræðinnar en hver rafhlaða er frábrugðin hver annarri eftir gerð, forskriftum og hvernig þær eru gerðar. Hágæða rafhlöður endast lengur þar sem þær eru gerðar úr fínu efni að innan.