Литий-иондық батареялар дегеніміз не

1 Литий-иондық батареялар дегеніміз не?

Батарея – электр құрылғыларын қуаттандыруға арналған сыртқы қосылымдары бар бір немесе бірнеше электрохимиялық элементтерден тұратын электр қуатының көзі Литий-ионды немесе литий-ионды батарея - энергияны сақтау үшін литий иондарының қайтымды азаюын пайдаланатын және олардың жоғары энергия тығыздығымен танымал қайта зарядталатын батарея түрі.

2 Литий-иондық батареялардың құрылымы

Әдетте коммерциялық литий-ионды батареялардың көпшілігі белсенді материал ретінде интеркалация қосылыстарын пайдаланады. Олар әдетте батареяға энергияны сақтауға және босатуға мүмкіндік беретін электрохимиялық процесті жеңілдету үшін белгілі бір ретпен орналастырылған материалдардың бірнеше қабаттарынан тұрады - анод, катод, электролит, сепаратор және ток жинағыш.

Анод дегеніміз не?

Аккумулятордың құрамдас бөлігі ретінде анод батареяның сыйымдылығында, өнімділігінде және беріктігінде маңызды рөл атқарады. Зарядтау кезінде графит анод литий иондарын қабылдауға және сақтауға жауап береді. Батарея зарядсызданған кезде литий иондары анодтан катодқа жылжиды, осылайша электр тогы пайда болады. Әдетте коммерциялық мақсатта қолданылатын ең кең таралған анод графит болып табылады, ол LiC6 толық литийленген күйінде 1339 С/г (372 мАч/г) максималды сыйымдылыққа сәйкес келеді. Бірақ технологиялардың дамуымен литий-иондық батареялар үшін энергия тығыздығын жақсарту үшін кремний сияқты жаңа материалдар зерттелді.

Катод дегеніміз не?

Катод ағымдағы циклдар кезінде оң зарядталған литий иондарын қабылдау және босату үшін жұмыс істейді. Ол әдетте заряд жинағышқа (әдетте алюминийден жасалған) қапталған қабатталған оксидтің (мысалы, литий кобальт оксиді), полианионның (мысалы, литий темір фосфаты) немесе шпинельдің (литий марганец оксиді сияқты) қабатты құрылымынан тұрады. 

Электролит дегеніміз не?

Органикалық еріткіштегі литий тұзы ретінде электролит зарядтау және разрядтау кезінде литий иондарының анод пен катод арасында қозғалуы үшін орта ретінде қызмет етеді.

Бөлгіш дегеніміз не?

Жұқа мембрана немесе өткізбейтін материал қабаты ретінде сепаратор анодтың (теріс электрод) және катодтың (оң электрод) тұйықталуын болдырмау үшін жұмыс істейді, өйткені бұл қабат литий иондарын өткізеді, бірақ электрондарды өткізбейді. Ол сондай-ақ зарядтау және разрядтау кезінде электродтар арасындағы иондардың тұрақты ағынын қамтамасыз ете алады. Сондықтан аккумулятор тұрақты кернеуді сақтай алады және қызып кету, жану немесе жарылыс қаупін азайтады.

Ағымдағы коллектор дегеніміз не?

Ток коллекторы батареяның электродтары шығаратын токты жинауға және оны сыртқы тізбекке тасымалдауға арналған, бұл батареяның оңтайлы өнімділігі мен ұзақ қызмет ету мерзімін қамтамасыз ету үшін маңызды. Әдетте ол жұқа алюминий немесе мыс парағынан жасалады.

3 Литий-иондық батареялардың даму тарихы

Қайта зарядталатын литий-ионды аккумуляторлар туралы зерттеулер 1960 жылдарға жатады, ең алғашқы мысалдардың бірі NASA жылы жасаған CuF2/Li батареясы. 1965 Ал мұнай дағдарысы 1970 жылдары әлемді шарпыды, зерттеушілер энергияның баламалы көздеріне назар аударды, сондықтан заманауи литий-ионды аккумулятордың ең ерте түрін шығаратын серпіліс литий-ионды батареялардың жеңіл салмағы мен жоғары энергия тығыздығына байланысты жасалды. Сонымен бірге Exxon қызметкері Стэнли Уиттингем қайта зарядталатын батарея жасау үшін литий иондарын TiS2 сияқты материалдарға енгізуге болатынын анықтады. 

Сондықтан ол бұл аккумуляторды коммерцияландыруға тырысты, бірақ жоғары баға мен ұяшықтарда металл литийдің болуына байланысты сәтсіз болды. 1980 жылы жаңа материал жоғары кернеуді ұсынатын және ауада әлдеқайда тұрақты болатыны анықталды, ол кейінірек бірінші коммерциялық литий-ионды аккумуляторда қолданылатын болады, бірақ ол өздігінен тұтанғыштық туралы тұрақты мәселені шеше алмады. сол жылы Рачид Язами литий графит электродты (анод) ойлап тапты. Содан кейін 1991 жылы әлемдегі алғашқы қайта зарядталатын литий-иондық батареялар нарыққа шыға бастады. 2000 жылдары литий-ионды аккумуляторларға сұраныс литий-ионды аккумуляторларды қауіпсіз және берік етуге мүмкіндік беретін портативті электрондық құрылғылар танымал болған сайын өсті. 2010 жылдары электромобильдер пайда болды, бұл литий-иондық аккумуляторлар үшін жаңа нарықты құрды. 

Кремний анодтары мен қатты күйдегі электролиттер сияқты жаңа өндірістік процестер мен материалдарды әзірлеу литий-ионды батареялардың өнімділігі мен қауіпсіздігін жақсартуды жалғастырды. Қазіргі уақытта литий-иондық аккумуляторлар күнделікті өмірімізде маңызды орын алды, сондықтан осы батареялардың өнімділігін, тиімділігін және қауіпсіздігін жақсарту үшін жаңа материалдар мен технологияларды зерттеу және әзірлеу жалғасуда.

4. Литий-иондық батареялардың түрлері

Литий-иондық батареялар әртүрлі пішіндер мен өлшемдерде келеді және олардың барлығы бірдей емес. Әдетте литий-иондық батареялардың бес түрі бар.

l Литий кобальт оксиді

Литий кобальт оксиді батареялары литий карбонат пен кобальттан жасалған және литий кобальт немесе литий-ион кобальт батареялары ретінде де белгілі. Оларда кобальт оксиді катоды және графит көміртегі аноды бар және литий иондары зарядсыздану кезінде анодтан катодқа ауысады, батарея зарядталған кезде ағыны кері өзгереді. Оның қолданылуына келетін болсақ, олар портативті электронды құрылғыларда, электр көліктерінде және жаңартылатын энергияны сақтау жүйелерінде қолданылады, өйткені олардың жоғары меншікті энергиясы, төмен өздігінен разряд жылдамдығы, жоғары жұмыс кернеуі және кең температура диапазоны. Бірақ қауіпсіздік мәселелеріне назар аударыңыз. жоғары температурада термиялық қашу және тұрақсыздық потенциалына.

l Литий марганец оксиді

Литий марганец оксиді (LiMn2O4) – литий-иондық аккумуляторларда жиі қолданылатын катодты материал. Мұндай аккумулятордың технологиясы алғашында 1980 жылдары ашылған, ал 1983 жылы Materials Research Bulletin журналында бірінші жарияланған. LiMn2O4 артықшылықтарының бірі оның жақсы термиялық тұрақтылығы болып табылады, яғни оның термиялық қашу ықтималдығы аз, бұл басқа литий-ионды батарея түрлеріне қарағанда қауіпсіз. Сонымен қатар, марганец мол және кеңінен қол жетімді, бұл оны кобальт сияқты шектеулі ресурстары бар катодты материалдармен салыстырғанда тұрақтырақ етеді. Нәтижесінде олар медициналық жабдықтар мен құрылғыларда, электр құралдарында, электр мотоциклдерінде және басқа қолданбаларда жиі кездеседі. Артықшылықтарына қарамастан, LiMn2O4 LiCoO2-мен салыстырғанда төмен циклдік тұрақтылық, бұл оны жиі ауыстыруды қажет етуі мүмкін, сондықтан ол ұзақ мерзімді энергия сақтау жүйелеріне сәйкес келмеуі мүмкін.

l Литий темір фосфаты (LFP)

Фосфат көбінесе ли-фосфатты батареялар деп аталатын литий темір фосфатты батареяларда катод ретінде пайдаланылады. Олардың төмен қарсылығы олардың термиялық тұрақтылығы мен қауіпсіздігін жақсартады Олар сонымен қатар ұзақ мерзімділігімен және ұзақ қызмет ету циклімен танымал, бұл оларды литий-ионды батареялардың басқа түрлері үшін ең үнемді нұсқа етеді. Демек, бұл батареялар электрлік велосипедтерде және ұзақ қызмет ету циклін және қауіпсіздіктің жоғары деңгейін талап ететін басқа қолданбаларда жиі пайдаланылады. Бірақ оның кемшіліктері оның тез дамуын қиындатады. Біріншіден, литий-ионды аккумуляторлардың басқа түрлерімен салыстырғанда, олар сирек және қымбат шикізатты пайдаланатындықтан қымбатырақ. Сонымен қатар, литий темір фосфатты батареялардың жұмыс кернеуі төмен, яғни олар жоғары кернеуді қажет ететін кейбір қолданбаларға жарамсыз болуы мүмкін. Оның ұзағырақ зарядтау уақыты оны жылдам зарядтауды қажет ететін қолданбаларда кемшілік етеді.

l Литий никель марганец кобальт оксиді (NMC)

Литий-никель марганец кобальт оксиді батареялары, көбінесе NMC батареялары ретінде белгілі, литий-ионды батареяларда әмбебап болып табылатын әртүрлі материалдардан жасалған. Никель, марганец және кобальт қоспасынан жасалған катодты қамтиды Оның жоғары энергия тығыздығы, жақсы велосипед өнімділігі және ұзақ қызмет ету мерзімі оны электрлік көліктерде, желілік сақтау жүйелерінде және басқа да жоғары өнімді қолданбаларда бірінші таңдауға айналдырды, бұл электрлі көліктер мен жаңартылатын энергия жүйелерінің танымал болуына одан әрі ықпал етті. Сыйымдылықты арттыру үшін жаңа электролиттер мен қоспалар оны 4,4 В/клеткаға және одан жоғары зарядтауға мүмкіндік береді. Жүйе үнемді және жақсы өнімділікті қамтамасыз ететіндіктен, NMC-аралас литий-ионға тенденция бар. Никель, марганец және кобальт үш белсенді материал болып табылады, оларды жиі велосипедпен жүруді қажет ететін автомобиль және энергия сақтау жүйелерінің (EES) кең ауқымына сәйкес келтіру үшін оңай біріктіруге болады.

 Осыдан біз NMC отбасының әртүрлі болып келе жатқанын көреміз

Дегенмен, оның жанама әсерлері термиялық қашу, өрт қаупі және қоршаған ортаға қатысты мәселелер оның одан әрі дамуына кедергі келтіруі мүмкін.

l Литий титанаты

Литий титанаты, көбінесе ли-титанат ретінде белгілі, пайдалану саны артып келе жатқан батарея түрі. Өзінің жоғары нанотехнологиясының арқасында ол тұрақты кернеуді сақтай отырып, тез зарядтауға және разрядтауға қабілетті, бұл оны электрлік көліктер, коммерциялық және өнеркәсіптік энергия сақтау жүйелері және желі деңгейіндегі сақтау сияқты жоғары қуатты қолданбалар үшін өте қолайлы етеді. Қауіпсіздігі мен сенімділігімен бірге бұл батареяларды әскери және аэроғарыштық қолданбалар үшін, сондай-ақ жел мен күн энергиясын сақтау және смарт желілерді салу үшін пайдалануға болады. Сонымен қатар, Battery Space мәліметтері бойынша, бұл батареяларды қуат жүйесінің маңызды резервтік көшірмелері үшін пайдалануға болады. Соған қарамастан, литий титанатты аккумуляторлар, оларды өндіруге қажетті күрделі өндіру процесіне байланысты дәстүрлі литий-ионды батареяларға қарағанда қымбатырақ болады.

5. Литий-иондық батареялардың даму тенденциялары

Жаңартылатын энергия қондырғыларының жаһандық өсуі теңгерімсіз желіні құра отырып, үзіліссіз энергия өндіруді арттырды. Бұл батареяларға деген сұранысты тудырды. Ал көміртегінің нөлдік шығарындыларына назар аудару және электр қуатын өндіру үшін қазба отындарынан, атап айтқанда көмірден бас тарту қажеттілігі үкіметтерді күн және жел электр қондырғыларын ынталандыруға итермелейді. Бұл қондырғылар өндірілген артық қуатты сақтайтын аккумуляторлық сақтау жүйелеріне беріледі. Сондықтан, литий-иондық аккумуляторларды орнатуды ынталандыру үшін үкіметтің ынталандыруы литий-иондық аккумуляторлардың дамуына ықпал етеді. Мысалы, NMC литий-иондық батареяларының жаһандық нарығының көлемі 2022 жылы миллион АҚШ долларынан 2029 жылы миллион АҚШ долларына дейін өседі деп болжануда; ол 2023 жылдан бастап % CAGR деңгейінде өседі деп күтілуде 2029  Ауыр жүктемелерді қажет ететін қосымшалардың өсіп келе жатқан қажеттіліктері 3000-10000 литий-иондық батареяларды болжамды кезеңде (2022-2030) ең жылдам дамып келе жатқан сегментке айналдырады деп болжануда.

6 Литий-иондық батареялардың инвестициялық талдауы

Литий-иондық аккумуляторлар нарығының индустриясы 2022 жылы 51,16 миллиард доллардан 2030 жылға қарай 118,15 миллиард долларға дейін өседі деп болжануда, бұл болжамды кезеңде (2022-2030 ж.) күрделі жылдық өсу қарқыны 4,72% құрайды, бұл бірнеше факторларға байланысты.

l Соңғы пайдаланушы талдауы

Коммуналдық сектордың қондырғылары батарея қуатын сақтау жүйелерінің (BESS) негізгі драйверлері болып табылады. Бұл сегмент 2021 жылы 2,25 миллиард доллардан 2030 жылы 5,99 миллиард долларға дейін CAGR 11,5% өседі деп күтілуде.  Ли-ионды батареялар өсу негізі төмен болғандықтан 34,4% жоғары CAGR көрсетеді. Тұрғын және коммерциялық энергияны сақтау сегменттері 2021 жылы 1,68 миллиард доллардан 2030 жылы 5,51 миллиард долларды құрайтын үлкен нарықтық әлеуеті бар басқа салалар болып табылады. Өнеркәсіптік сектор нөлдік көміртегі шығарындыларына қарай қадамын жалғастыруда, компаниялар алдағы екі онжылдықта таза нөлдік міндеттеме алады. Телекоммуникация және деректер орталығы компаниялары жаңартылатын энергия көздеріне көбірек назар аудара отырып, көміртегі шығарындыларын азайтудың алдыңғы қатарында. Осының барлығы қарқынды дамуына ықпал етеді  литий-иондық аккумуляторлар, өйткені компаниялар сенімді резервтік көшірмелерді және торды теңгерімдеуді қамтамасыз ету жолдарын табады.

l Өнім түрін талдау

Кобальттың жоғары бағасына байланысты кобальтсыз аккумулятор литий-иондық аккумуляторлардың даму тенденцияларының бірі болып табылады. Жоғары теориялық энергия тығыздығы жоғары вольтты LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) болашақта ең перспективалы Co-free катодты материалдардың бірі болып табылады. Әрі қарай, эксперименттік нәтижелер LNMO батареясының циклдік және C жылдамдығының өнімділігі жартылай қатты электролитті пайдалану арқылы жақсаратынын дәлелдеді. Бұл аниондық КОФ кулондық әрекеттесу арқылы Mn3+/Mn2+ және Ni2+ күшті жұтып, олардың анодқа деструктивті миграциясын тежей алады деп ұсынуға болады. Сондықтан бұл жұмыс LNMO катодты материалын коммерцияландыруға пайдалы болады.

l Аймақтық талдау

Азия-Тынық мұхиты аймағы 2030 жылға қарай коммуналдық қызметтер мен өнеркәсіптер басқаратын ең үлкен стационарлық литий-ионды батареялар нарығы болады. Ол 2030 жылы 21,3% CAGR бойынша 1,24 миллиард доллардан 2021 жылы өсетін 7,07 миллиард долларлық нарықпен Солтүстік Америка мен Еуропаны басып озады. Солтүстік Америка мен Еуропа алдағы екі онжылдықта өз экономикалары мен желілерін көміртексіздендіру мақсаттарына байланысты келесі ең үлкен нарықтар болады. LATAM CAGR-де ең жоғары өсу қарқынын 21.4% құрайды, өйткені оның өлшемі кішірек және базасы төмен.

7 Жоғары сапалы литий-иондық аккумуляторлар үшін қарастырылатын нәрселер

Оптикалық күн инверторын сатып алғанда, баға мен сапаны ғана емес, басқа факторларды да ескеру қажет.

l Энергия тығыздығы

Энергия тығыздығы - көлем бірлігіне жинақталған энергия мөлшері. Салмағы мен өлшемі азырақ жоғары энергия тығыздығы зарядтау циклдері арасында кеңірек болады.

л  Қауіпсіздік

Қауіпсіздік литий-ионды батареялардың тағы бір маңызды аспектісі болып табылады, өйткені зарядтау немесе зарядсыздандыру кезінде пайда болуы мүмкін жарылыстар мен өрттер, сондықтан температура сенсорлары мен тежегіш заттар сияқты қауіпсіздік механизмдері жақсартылған батареяларды таңдау қажет.

l Теріңіз

Литий-ионды аккумуляторлар өнеркәсібіндегі соңғы трендтердің бірі жоғары энергия тығыздығы және ұзағырақ қызмет ету циклі сияқты бірқатар артықшылықтарды ұсынатын қатты күйдегі батареяларды дамыту болып табылады. Мысалы, электромобильдерде қатты күйдегі аккумуляторларды пайдалану олардың диапазон мүмкіндіктері мен қауіпсіздігін айтарлықтай арттырады.

l Зарядтау жылдамдығы

Зарядтау жылдамдығы аккумулятордың қаншалықты қауіпсіз зарядталатынына байланысты. Кейде батареяны пайдалану үшін зарядтау үшін көп уақыт қажет.

l Өмір сүру ұзақтығы

 Батареяның қызмет ету мерзімі бойы жұмыс істемейді, бірақ жарамдылық мерзімі бар. Сатып алу алдында жарамдылық мерзімін тексеріңіз. Литий-ионды аккумуляторлар оның химиясына байланысты ұзақ қызмет етеді, бірақ әр батарея түріне, техникалық сипаттамаларына және жасалу жолына байланысты бір-бірінен ерекшеленеді. Жоғары сапалы батареялар ұзақ қызмет етеді, өйткені олар ішкі материалдардан жасалған.