Hvað eru litíumjónarafhlöður?

1. Hvað eru litíumjónarafhlöður?

Rafhlaða er raforkugjafi sem samanstendur af einum eða fleiri rafefnafrumur með ytri tengingum til að knýja raftæki. Lithium-ion eða Li-ion rafhlaða er tegund endurhlaðanlegrar rafhlöðu sem notar afturkræf minnkun litíumjóna til að geyma orku og er frægur hár þeirra orkuþéttleiki.

2. Uppbygging litíumjónarafhlöður

Yfirleitt nota flestar Li-ion rafhlöður í atvinnuskyni blöndunarsambönd sem virk efni. Þau samanstanda venjulega af nokkrum lögum af efnum sem eru 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, afköst og endingu rafhlöðunnar. Við hleðslu er grafítskautið ber ábyrgð á að taka við og geyma litíumjónir. Þegar rafhlaðan er losað, færast litíumjónirnar frá rafskautinu til bakskautsins þannig að an rafstraumur myndast. Almennt algengasta rafskautið sem er notað í atvinnuskyni er grafít, sem í fullkomlega lithiated ástandi LiC6 samsvarar hámarki getu 1339 C/g (372 mAh/g). En með þróun tækni, ný efni eins og sílikon hafa verið rannsökuð til að bæta orkuþéttleikann fyrir litíumjónarafhlöður.

Hvað er bakskaut?

Bakskaut vinnur að því að taka við og losa jákvætt hlaðnar litíumjónir á meðan núverandi lotur. Það samanstendur venjulega af lagskiptri uppbyggingu lagskipts oxíðs (eins og litíum kóbaltoxíð), 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 að fara á milli rafskautsins og bakskautsins við hleðslu og losun.

Hvað er skiljari?

Sem þunn himna eða lag af óleiðandi efni, virkar skiljur til koma í veg fyrir að rafskaut (neikvætt rafskaut) og bakskaut (jákvæð rafskaut) komi í veg fyrir skammhlaup, þar sem þetta lag er gegndræpt fyrir litíumjónum en ekki rafeindum. Það getur einnig tryggt stöðugt flæði jóna milli rafskautanna meðan á hleðslu stendur og losun. Þess vegna getur rafhlaðan haldið stöðugri spennu og minnkað hætta á ofhitnun, bruna eða sprengingu.

Hvað er núverandi safnari?

Straumsafnari er hannaður til að safna straumnum sem framleiddur er af rafskaut rafhlöðunnar og flytur hana til ytri hringrásarinnar, sem er mikilvægt til að tryggja hámarksafköst og langlífi rafhlöðunnar. Og venjulega er það gert úr þunnu ál- eða koparblaði.

3. Þróunarsaga litíumjónarafhlöður

Rannsóknir á endurhlaðanlegum Li-ion rafhlöðum eru frá 1960, ein af þeim Elstu dæmin eru CuF2/Li rafhlaða þróuð af NASA árið 1965. Og olíukreppa sló í gegn um heiminn á áttunda áratugnum, sneru vísindamenn sjónum sínum að valkostum orkugjafa, svo byltingin sem framleiddi elsta form af nútíma Li-ion rafhlaða var gerð vegna léttrar þyngdar og mikillar orku þéttleiki litíum jón rafhlöður. Á sama tíma, Stanley Whittingham frá Exxon uppgötvaði að hægt væri að setja litíumjónir í efni eins og TiS2 til búa til endurhlaðanlega rafhlöðu 

Svo hann reyndi að markaðssetja þetta batterí en mistókst vegna mikils kostnaðar og tilvistar litíums úr málmi í frumunum. Árið 1980 fannst nýtt efni bjóða upp á hærri spennu og var miklu meira stöðugt í lofti, sem síðar átti að nota í fyrstu auglýsingunni Li-ion rafhlöðu, þó að það hafi ekki út af fyrir sig leyst hið viðvarandi mál um eldfimi. Sama ár fann Rachid Yazami upp litíum grafítið rafskaut (skaut). Og svo árið 1991, fyrsta endurhlaðanlega litíum-jón í heimi rafhlöður fóru að koma inn á markaðinn 

Árið 2000, eftirspurn eftir litíum-jón rafhlöður jukust eftir því sem færanleg rafeindatæki urðu vinsæl, sem keyra litíum jón rafhlöður til að vera öruggari og endingargóðari. Rafknúin farartæki voru kynnt árið 2010, sem skapaði nýjan markað fyrir litíumjónarafhlöður. The þróun nýrra framleiðsluferla og efna, svo sem kísilskauta og raflausnar í föstu formi, héldu áfram að bæta árangur og öryggi litíum-jón rafhlöður. Nú á dögum eru litíumjónarafhlöður orðnar nauðsynlegar í daglegu lífi okkar, þannig að rannsóknir og þróun nýrra efna og tækni er í gangi til að bæta árangur, skilvirkni og öryggi þessar rafhlöður.

4. Tegundir litíumjónarafhlöðu

Lithium-ion rafhlöður koma í ýmsum stærðum og gerðum, og ekki allar þeir eru gerðir jafnir. Venjulega eru fimm tegundir af litíumjónarafhlöðum.

l Litíum kóbaltoxíð

Litíum kóbalt oxíð rafhlöður eru framleiddar úr litíum karbónati og kóbalt og eru einnig þekkt sem litíum kóbalt eða litíum jón kóbalt rafhlöður. Þeir hafa kóbaltoxíð bakskaut og grafít kolefnisskaut og litíumjónir flytjast frá rafskautinu til bakskautsins meðan á losun stendur og flæðið snýst við þegar rafhlaðan er hlaðin. Eins og fyrir notkun þess, eru þau notuð í flytjanlegum rafeindatæki, rafknúin farartæki og endurnýjanleg orkugeymslukerfi vegna mikillar sértækrar orku, lágs sjálfsafhleðsluhraða, mikillar vinnslu spenna og breitt hitastig. En gaum að öryggissjónarmiðum tengist möguleikum á hitauppstreymi og óstöðugleika í hámarki hitastig.

l Litíum manganoxíð

Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4) er bakskautsefni sem er almennt notað í litíumjónarafhlöðum. Tæknin fyrir þessa tegund af rafhlöðum var upphaflega uppgötvað á níunda áratugnum, með fyrstu birtingu í efnisrannsóknum Fréttablaðið 1983. Einn af kostum LiMn2O4 er að hann hefur góða hitauppstreymi stöðugleika, sem þýðir að það er ólíklegra að upplifa hitauppstreymi, sem eru einnig öruggari en aðrar litíumjónarafhlöður. Að auki er mangan mikið og víða fáanlegt, sem gerir það að sjálfbærari valkosti í samanburði til bakskautsefna sem innihalda takmarkaðar auðlindir eins og kóbalt. Þar af leiðandi, þau finnast oft í lækningatækjum og tækjum, rafmagnsverkfærum, rafmagni mótorhjól og önnur forrit. Þrátt fyrir kosti þess er LiMn2O4 lakari hjólreiðastöðugleiki miðað við LiCoO2, sem þýðir að það gæti þurft meira tíð skipti, þannig að það gæti ekki verið eins hentugur fyrir langtíma orkugeymslu kerfi.

l litíum járnfosfat (LFP)

Fosfat er oft notað sem bakskaut í litíum járnfosfat rafhlöðum þekktar sem li-fosfat rafhlöður. Lágt viðnám þeirra hefur bætt varma þeirra stöðugleika og öryggi. Þeir eru einnig frægir fyrir endingu og langan líftíma, sem gera þá að hagkvæmasta kostinum fyrir aðrar tegundir litíumjóna rafhlöður. Þess vegna eru þessar rafhlöður oft notaðar í rafmagnshjól og önnur forrit sem krefjast langrar líftíma og mikils öryggis. En ókostir þess gera það að verkum að erfitt er að þróast hratt. Í fyrsta lagi miðað við aðrar tegundir af litíumjónarafhlöðum, þær kosta meira vegna þess að þær nota sjaldgæfar og dýrt hráefni. Að auki hafa litíum járnfosfat rafhlöður a lægri rekstrarspenna, sem þýðir að þeir henta kannski ekki sumum forrit sem krefjast hærri spennu. Lengri hleðslutími gerir það að verkum að það er a 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 litíum-jón rafhlöður. Bakskaut smíðað úr blöndu af nikkeli, mangani og kóbalt er innifalið. Hár orkuþéttleiki þess, góð hjólreiðaframmistaða og a langur líftími hefur gert það að fyrsta vali í rafknúnum ökutækjum, netgeymslu kerfi og önnur afkastamikil forrit, sem hefur enn frekar lagt sitt af mörkum til vaxandi vinsælda rafknúinna farartækja og endurnýjanlegra orkukerfa. Til auka getu, ný raflausn og aukaefni eru notuð til að gera það kleift hleðsla í 4,4V/klefa og hærra 

Það er þróun í átt að NMC-blönduðu Li-jón síðan kerfið er hagkvæmt og skilar góðum árangri. Nikkel, mangan, og kóbalt eru þrjú virk efni sem auðvelt er að sameina til að henta víða úrval af bíla- og orkugeymslukerfum (EES) forritum sem krefjast tíðar hjólreiðar. Þaðan getum við séð að NMC fjölskyldan er að verða fleiri fjölbreytt Hins vegar aukaverkanir þess af hitauppstreymi, eldhættu og umhverfis áhyggjur geta hamlað frekari þróun þess.

l Lithium Titanate

Lithium titanate, oft þekkt sem li-titanate, er tegund rafhlöðu sem hefur a vaxandi fjölda notkunar. Vegna yfirburða nanótækni er það fær um það hleðsla og afhleðsla hratt á sama tíma og stöðugri spennu er haldið, sem gerir það hentar vel fyrir aflmikil notkun eins og rafknúin farartæki, atvinnuhúsnæði og orkugeymslukerfi í iðnaði og geymsla á neti 

Ásamt því öryggi og áreiðanleika, þessar rafhlöður gætu verið notaðar fyrir her og loftrými forrit, auk þess að geyma vind- og sólarorku og smíða snjall rist. Ennfremur, samkvæmt Battery Space, gætu þessar rafhlöður verið notað í afritum sem eru mikilvægar fyrir raforkukerfi. Engu að síður, litíum titanat rafhlöður hafa tilhneigingu til að vera dýrari en hefðbundnar litíumjónarafhlöður vegna til þess flókna framleiðsluferlis sem þarf til að framleiða þau.

5. Þróunarþróun litíumjónarafhlöður

Vöxtur endurnýjanlegrar orku á heimsvísu hefur aukist með hléum orkuframleiðslu, sem skapar ójafnvægi. Þetta hefur leitt til a eftirspurn eftir rafhlöðum. á meðan áhersla er lögð á núll kolefnislosun og þarf að færa til fjarri jarðefnaeldsneyti, nefnilega kolum, til orkuframleiðslu hvetja meira ríkisstjórnir til að hvetja sólar- og vindorkuvirki. Þessar innsetningar henta rafhlöðugeymslukerfum sem geyma umframafl myndast 

Þess vegna hvetja stjórnvöld til að hvetja Li-ion rafhlöðu uppsetningar knýja einnig áfram þróun litíumjónarafhlöðu. Til dæmis, Áætlað er að markaðsstærð NMC litíumjónarafhlöður á heimsvísu muni vaxa úr Bandaríkjadal milljónir árið 2022 í milljónir Bandaríkjadala árið 2029; Búist er við að það vaxi við CAGR upp á % frá 2023 til 2029. Og auknar þarfir forrita sem krefjast þungra Álag er spáð að gera litíumjónarafhlöður upp á 3000-10000 hraðskreiðastar vaxandi hluti á spátímabilinu (2022-2030).

6. Fjárfestingargreining á litíumjónarafhlöðum

Gert er ráð fyrir að markaðsiðnaðurinn fyrir litíumjónarafhlöður muni vaxa úr 51,16 USD milljarða árið 2022 í 118,15 milljarða Bandaríkjadala árið 2030, sem sýnir samsett árlega 4,72% hagvöxtur á spátímabilinu (2022-2030), sem veltur á nokkrir þættir.

l Greining notenda

Uppsetningar veitusviðs eru lykildrifkraftar fyrir geymslu rafhlöðuorku kerfi (BESS). Gert er ráð fyrir að þessi hluti muni vaxa úr 2,25 milljörðum dala árið 2021 til 5,99 milljarðar dala árið 2030 við CAGR upp á 11,5%. Li-ion rafhlöður sýna hærri 34,4% CAGR vegna lágs vaxtargrunns þeirra. Orkugeymsla fyrir íbúðarhúsnæði og atvinnuhúsnæði hlutar eru önnur svæði með mikla markaðsmöguleika upp á 5,51 milljarð Bandaríkjadala árið 2030, úr 1,68 milljörðum dala árið 2021. Iðnaðargeirinn heldur áfram göngu sinni í átt að engin kolefnislosun, þar sem fyrirtæki gefa nettó núll loforð í næstu tveimur áratugi. Fjarskipta- og gagnaverafyrirtæki eru í fararbroddi í að draga úr kolefnislosun með aukinni áherslu á endurnýjanlega orkugjafa. Allt sem mun stuðla að hraðri þróun litíum jón rafhlöður sem fyrirtæki finna leiðir til að tryggja áreiðanlega öryggisafritun og netjafnvægi.

l Vörutegundagreining

Vegna hás verðs á kóbalti er kóbaltlaus rafhlaða ein af þeim þróunarþróun litíumjónarafhlöðu. Háspenna LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) með háum fræðilegum orkuþéttleika er einn sá efnilegasti Co-free bakskaut efni í lengra. Ennfremur sönnuðu tilraunaniðurstöðurnar það hjólreiðar og C-hlutfall árangur LNMO rafhlöðunnar er bætt með því að nota hálffast raflausn. Þetta er hægt að leggja til að anjónísk COF sé fær um gleypir sterkt Mn3+/Mn2+ og Ni2+ í gegnum Coulomb víxlverkun, hindra eyðileggjandi flutning þeirra til rafskautsins. Þess vegna mun þessi vinna vera gagnleg fyrir markaðssetningu LNMO bakskautsefnis.

l Svæðisgreining

Asíu-Kyrrahaf verður stærsti kyrrstæður litíumjónarafhlöðumarkaður eftir 2030, knúin áfram af veitum og iðnaði. Það mun ná Norður-Ameríku og Evrópa með 7,07 milljarða dala markað árið 2030, sem stækkar úr 1,24 milljörðum dala í 2021 með CAGR upp á 21,3%. Norður-Ameríka og Evrópa verða næst stærstu mörkuðum vegna markmiða þeirra um að kolefnislosa hagkerfi þeirra og net á næstunni tvo áratugi. LATAM mun sjá hæsta vöxtinn á CAGR upp á 21,4% vegna þess af minni stærð og lágum grunni.

7. Atriði sem þarf að huga að fyrir hágæða litíumjónarafhlöður

Þegar þú kaupir optískan sólarorku inverter verður ekki aðeins verð og gæði að vera í huga ber einnig 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 hleðslu hringrásir.

l Öryggi

Öryggi er annar mikilvægur þáttur í litíumjónarafhlöðum eftir sprengingar og eldsvoða sem geta komið upp við hleðslu eða losun, svo það er nauðsynlegt að veldu rafhlöður með bættum öryggisbúnaði, svo sem hitaskynjara og hamlandi efni.

l Tegund

Ein af nýjustu tískunni í litíumjónarafhlöðuiðnaðinum er þróun á solid-state rafhlöðum, sem býður upp á ýmsa kosti eins og meiri orkuþéttleiki og lengri líftíma. Til dæmis, notkun á solid-state rafhlöður í rafbílum munu auka drægni þeirra verulega getu og öryggi.

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 gildistímann dagsetningu áður en kaupin eru gerð. Lithium ion rafhlöður hafa meðfæddan lengri tíma líf vegna efnafræðinnar en hver rafhlaða er frábrugðin hver annarri eftir því gerð, forskriftir og hvernig þær eru gerðar. Hágæða rafhlöður munu endast lengur þar sem þeir eru úr fínu efni að innan.