Литий-иондук батарейкалар деген эмне

1 Литий-иондук батарейкалар деген эмне?

Батарея - электрдик түзүлүштөрдү кубаттандыруу үчүн тышкы байланыштары бар бир же бир нече электрохимиялык элементтерден турган электр энергиясынын булагы. Литий-ион же литий-иондук батарейка - бул энергияны сактоо үчүн литий иондорунун кайра азайышын колдонгон кайра заряддалуучу батареянын бир түрү жана энергиянын жогорку тыгыздыгы менен белгилүү.

2 Литий-иондук батарейкалардын түзүлүшү

Негизинен көпчүлүк коммерциялык литий-иондук батарейкалар активдүү материалдар катары интеркалация кошулмаларын колдонушат. Алар, адатта, батареяга энергияны сактоого жана чыгарууга мүмкүндүк берүүчү электрохимиялык процессти жеңилдетүү үчүн белгилүү бир тартипте жайгаштырылган материалдардын бир нече катмарларынан турат - анод, катод, электролит, сепаратор жана ток коллектор.

анод деген эмне?

Батареянын курамдык бөлүгү катары анод батареянын кубаттуулугунда, иштешинде жана туруктуулугунда маанилүү ролду ойнойт. Заряддоодо графит аноду литий иондорун кабыл алуу жана сактоо үчүн жооптуу. Батарея заряды түгөнгөндө литий иондору аноддон катодго өтөт, ошону менен электр тогу пайда болот. Көбүнчө коммерциялык максатта эң кеңири колдонулган анод графит болуп саналат, ал LiC6 толук литий абалында 1339 С/г (372 мАч/г) максималдуу кубаттуулукка туура келет. Бирок технологиялардын өнүгүшү менен кремний сыяктуу жаңы материалдар литий-иондук батарейкалар үчүн энергиянын тыгыздыгын жакшыртуу үчүн изилденген.

Катод деген эмне?

Катод учурдагы цикл учурунда оң заряддалган литий иондорун кабыл алуу жана чыгаруу үчүн иштейт. Ал, адатта, катмарлуу оксиддин (мисалы, литий кобальт кычкылынын), полианиондун (мисалы, литий темир фосфаты) же заряд коллекторунун (көбүнчө алюминийден жасалган) капталган шпинелдин (мисалы, литий марганец оксиди) катмарлуу структурасынан турат. 

электролит деген эмне?

Органикалык эриткичте литий тузу катары электролит заряддоо жана разряддоо учурунда литий иондорунун анод менен катоддун ортосунда кыймылы үчүн чөйрө болуп кызмат кылат.

Сепаратор деген эмне?

Ичке мембрана же өткөргүч эмес материал катмары катары сепаратор аноддун (терс электрод) жана катоддун (оң электрод) кыска иштөөсүнө жол бербөө үчүн иштейт, анткени бул катмар электрондорду эмес, литий иондорун өткөрөт. Ошондой эле заряддоо жана разряддоо учурунда электроддордун ортосундагы иондордун туруктуу агымын камсыздай алат. Ошондуктан, батарея туруктуу чыңалууну кармап, ысып кетүү, күйүү же жарылуу коркунучун азайта алат.

Учурдагы коллектор деген эмне?

Ток коллектору батареянын электроддору чыгарган токту чогултуу жана аны тышкы чынжырга жеткирүү үчүн иштелип чыккан, бул батареянын оптималдуу иштешин жана узак иштөөсүн камсыз кылуу үчүн маанилүү. Ал эми, адатта, ал, адатта, алюминий же жез жука барактан жасалган.

3 Литий-иондук батарейкалардын өнүгүү тарыхы

Кайра заряддоого болгон Li-ion батареялары боюнча изилдөөлөр 1960-жылдарга таандык, эң алгачкы мисалдардын бири НАСА тарабынан иштелип чыккан CuF2/Li батарейкасы. 1965 Ал эми мунай кризиси 1970-жылдары дүйнөнү каптап, изилдөөчүлөр энергиянын альтернативдүү булактарына көңүл бурушкан, ошондуктан заманбап литий-иондук батарейканын эң алгачкы түрүн чыгарган ачылыш литий-иондук батарейкалардын жеңил салмагы жана жогорку энергия тыгыздыгынан улам жасалган. Ошол эле учурда, Exxon компаниясынан Стэнли Уиттингем литий иондорун TiS2 сыяктуу материалдарга киргизип, кайра заряддалуучу батарейканы жасоого болорун аныктаган. 

Ошентип, ал бул аккумуляторду коммерциялаштырууга аракет кылды, бирок кымбатка жана клеткаларда металл литийдин болушуна байланыштуу ишке ашпай калды. 1980-жылы жаңы материал жогорку чыңалууну сунуштайт жана абада бир топ туруктуураак болгон, ал кийинчерээк биринчи коммерциялык Li-ion аккумуляторунда колдонула турган, бирок ал өз алдынча жалындуулуктун туруктуу маселесин чече албаса да. Ошол эле жылы Рачид Язами литий графит электродду (анод) ойлоп тапкан. Анан 1991-жылы дүйнөдөгү биринчи кайра заряддалуучу литий-иондук батарейкалар рыногуна чыга баштады. 2000-жылдары литий-иондук батарейкаларга суроо-талап көбөйгөн, анткени портативдүү электрондук шаймандар популярдуу болуп, литий-иондук батарейкалар коопсуз жана бышык болушуна түрткү берген. 2010-жылдары электр унаалары пайда болгон, бул литий-иондук батарейкалар үчүн жаңы рынокту түзгөн. 

Кремний аноддору жана катуу абалдагы электролиттер сыяктуу жаңы өндүрүш процесстерин жана материалдарды иштеп чыгуу литий-иондук батареялардын иштешин жана коопсуздугун жакшыртууну улантты. Бүгүнкү күндө литий-иондук батарейкалар биздин күнүмдүк жашообузда маанилүү болуп калды, ошондуктан бул батареялардын иштешин, натыйжалуулугун жана коопсуздугун жогорулатуу үчүн жаңы материалдарды жана технологияларды изилдөө жана иштеп чыгуу уланууда.

4. Литий-иондук батарейкалардын түрлөрү

Литий-иондук батарейкалар ар кандай формада жана өлчөмдөрдө болот жана алардын баары бирдей эмес. Адатта литий-иондук батарейкалардын беш түрү бар.

l Литий кобальт оксиди

Литий кобальт оксид батарейкалар литий карбонат жана кобальттан өндүрүлгөн жана ошондой эле литий кобальтат же литий-ион кобальт батареялары катары белгилүү Аларда кобальттын оксидинин катоду жана графит көмүртек аноду бар жана литий иондору разряд учурунда аноддон катодго өтөт, батарея заряддалганда агымы тескери карай өзгөрөт. Анын колдонулушуна келсек, алар портативдик электрондук шаймандарда, электр унааларында жана энергиянын кайра жаралуучу булактарында сакталуучу системаларда колдонулат, анткени алардын өзгөчө энергиясы, өзүн-өзү разряддын аздыгы, жогорку иштөө чыңалуусу жана кең температура диапазону. Бирок коопсуздук маселелерине көңүл буруңуз. жогорку температурада термикалык качуу жана туруксуздук потенциалына.

l Литий марганец оксиди

Литий-марганец кычкылы (LiMn2O4) – литий-иондук батарейкаларда көбүнчө колдонулган катод материалы. Мындай батареянын технологиясы алгач 1980-жылдары ачылган жана 1983-жылы Материалдарды изилдөө бюллетенинде биринчи басылып чыккан. LiMn2O4 артыкчылыктарынын бири - бул жакшы жылуулук туруктуулугуна ээ, башкача айтканда, башка литий-иондук батарейканын түрлөрүнө караганда коопсузураак. Кошумчалай кетсек, марганец мол жана кеңири жеткиликтүү, бул кобальт сыяктуу чектелген ресурстарды камтыган катоддук материалдарга салыштырмалуу аны туруктуураак вариант кылат. Натыйжада, алар медициналык жабдууларда жана шаймандарда, электр шаймандарында, электр мотоциклдеринде жана башка колдонмолордо көп кездешет. Артыкчылыктарына карабастан, LiMn2O4 LiCoO2ге салыштырмалуу велосипеддин туруктуулугу начарыраак, демек ал тез-тез алмаштырууну талап кылышы мүмкүн, ошондуктан ал энергияны узак мөөнөттүү сактоо системалары үчүн ылайыктуу эмес.

л Литий темир фосфаты (LFP)

Фосфат литий темир фосфат батареяларында катод катары колдонулат, көбүнчө ли-фосфаттык батареялар деп аталат. Алардын аз каршылыгы алардын жылуулук туруктуулугун жана коопсуздугун жакшыртат Алар ошондой эле литий-иондук батарейкалардын башка түрлөрү үчүн эң үнөмдүү вариант болуп саналган бышыктыгы жана узак өмүр цикли менен белгилүү. Демек, бул батарейкалар электр велосипеддеринде жана узак өмүр циклин жана коопсуздуктун жогорку деңгээлин талап кылган башка колдонмолордо көп колдонулат. Бирок анын кемчиликтери аны тез өнүктүрүүнү кыйындатат. Биринчиден, литий-иондук батарейкалардын башка түрлөрүнө салыштырмалуу, алар сейрек кездешүүчү жана кымбат чийки затты колдонгондуктан кымбатыраак. Мындан тышкары, литий темир фосфат батарейкаларынын иштөө чыңалуусу төмөн, демек алар жогорку чыңалууну талап кылган кээ бир колдонмолорго ылайыктуу эмес. Анын кубаттоо убактысынын узактыгы аны тез заряддоону талап кылган колдонмолордо кемчилик кылат.

l Литий никель марганец кобальт оксиди (NMC)

Литий-никель марганец кобальт оксидинин батареялары, көбүнчө NMC батарейкалары катары белгилүү, литий-иондук батарейкаларда универсалдуу болгон ар кандай материалдардан жасалган. Никелдин, марганецтин жана кобальттын аралашмасынан жасалган катод камтылган Анын энергиянын жогорку тыгыздыгы, велосипед тебүүнүн жакшы көрсөткүчтөрү жана узак иштөө мөөнөтү аны электр транспортторунда, электр тармактарын сактоо тутумдарында жана башка жогорку өндүрүмдүүлүктөгү колдонмолордо биринчи тандоого айландырды, бул мындан ары электр унааларынын жана кайра жаралуучу энергия системаларынын популярдуулугун арттырууга көмөктөштү. Кубаттуулугун жогорулатуу үчүн жаңы электролиттер жана кошумчалар аны 4,4V/клеткага жана андан жогору заряддоо үчүн колдонулат. Система үнөмдүү жана жакшы өндүрүмдүүлүктү камсыз кылгандыктан, NMC аралашкан Li-ionго тенденция бар. Никель, марганец жана кобальт үч активдүү материал болуп саналат, алар тез-тез велосипед тебүүнү талап кылган автомобиль жана энергия сактоо тутумдарынын (EES) кеңири спектрин шайкеш келтирүү үчүн оңой айкалыштырылышы мүмкүн.

 Мындан биз NMC үй-бүлөсүнүн ар түрдүү болуп жатканын көрө алабыз

Бирок, анын термикалык качуунун терс таасирлери, өрт коркунучу жана экологиялык көйгөйлөр анын андан ары өнүгүшүнө тоскоол болушу мүмкүн.

л Литий титанаты

Литий титанат, көбүнчө ли-титанат катары белгилүү, батарейканын бир түрү, анын колдонулушу барган сайын көбөйөт. Жогорку нанотехнологиясынын аркасында ал стабилдүү чыңалууну кармап туруу менен тез кубаттоого жана кубаттоого жөндөмдүү, бул аны электр унаалары, коммерциялык жана өнөр жайлык энергияны сактоо системалары жана тармактык деңгээлдеги сактоо сыяктуу жогорку кубаттуулуктагы колдонмолорго ылайыктуу кылат. Коопсуздугу жана ишенимдүүлүгү менен бирге бул батареялар аскердик жана аэрокосмостук колдонмолор үчүн, ошондой эле шамал жана күн энергиясын сактоо жана акылдуу тармактарды куруу үчүн колдонулушу мүмкүн. Андан тышкары, Батарея мейкиндигине ылайык, бул батарейкалар энергия тутумунун критикалык резервдик көчүрмөлөрүндө колдонулушу мүмкүн. Ошого карабастан, литий титанаттын батарейкалары аларды өндүрүү үчүн талап кылынган татаал өндүрүш процессине байланыштуу салттуу литий-иондук батарейкаларга караганда кымбатыраак.

5. Литий-иондук батарейкалардын өнүгүү тенденциялары

Кайра жаралуучу энергия орнотууларынын глобалдык өсүшү тең салмактуу эмес тармакты түзүп, үзгүлтүксүз энергия өндүрүүнү көбөйттү. Бул батарейкаларга болгон суроо-талапка алып келди. Ал эми көмүртектин нөлдүк эмиссиясына көңүл буруу жана электр энергиясын өндүрүү үчүн казылып алынуучу отундардан, тактап айтканда, көмүрдөн баш тартуу зарылчылыгы көбүрөөк өкмөттөрдү күн жана шамал энергиясын орнотууларды стимулдаштырууга түрттү. Бул орнотуулар ашыкча өндүрүлгөн энергияны сактаган батарейканы сактоо тутумдарына жардам берет. Ошондуктан, литий-иондук батарейкаларды орнотууну стимулдаштыруу боюнча мамлекеттик стимулдар да литий-иондук батарейкалардын өнүгүшүнө түрткү берет. Мисалы, дүйнөлүк NMC литий-иондук батарейкаларынын рыногунун көлөмү 2022-жылы миллион АКШ долларынан 2029-жылы миллион АКШ долларына чейин өсөт деп болжолдонууда; ал 2023-жылдан тартып % CAGRде өсөт деп күтүлүүдө 2029  Ал эми оор жүктөрдү талап кылган тиркемелердин өсүп жаткан муктаждыктары 3000-10000 литий-иондук батарейкаларды болжолдонгон мезгилде (2022-2030) эң ылдам өсүүчү сегментке айландырат.

6 Литий-иондук батарейкалардын инвестициялык анализи

Литий-иондук батарейкалар рыногунун индустриясы 2022-жылы 51,16 миллиард доллардан 2030-жылга чейин 118,15 миллиард долларга чейин өсөт деп болжолдонууда, бул болжолдонгон мезгилде (2022-2030-жылдары) жылдык өсүү темпин 4,72% түзөт, бул бир нече факторлорго көз каранды.

l Акыркы колдонуучунун анализи

Коммуналдык сектордун орнотуулары батареянын энергияны сактоо тутумдары (BESS) үчүн негизги драйверлер болуп саналат. Бул сегмент 2021-жылы 2.25 миллиард доллардан 2030-жылы 11.5% CAGRде 5.99 миллиард долларга чейин өсүшү күтүлүүдө.  Ли-иондук батарейкалар өсүү базасы төмөн болгондуктан, 34,4% CAGR жогору көрсөтөт. Турак жай жана коммерциялык энергияны сактоо сегменттери 2021-жылы 1,68 миллиард доллардан 2030-жылы 5,51 миллиард долларды түзгөн чоң рынок потенциалы бар башка аймактар. Өнөр жай сектору нөлдүк көмүртек чыгарууну көздөй жүрүшүн улантууда, компаниялар кийинки жыйырма жылда таза нөлдүк убадаларды беришет. Телеком жана маалымат борборунун компаниялары энергиянын кайра жаралуучу булактарына көбүрөөк басым жасоо менен көмүртектин эмиссиясын азайтуунун алдыңкы сабында турушат. Мунун бардыгы нын тез енугушуне шарт тузет  литий-иондук батарейкалар компаниялар ишенимдүү резервдик көчүрмөнү жана тармак балансын камсыз кылуу жолдорун табышат.

l Продукциянын түрүн талдоо

Кобальттын баасы жогору болгондуктан, кобальтсыз батарея литий-иондук батарейкалардын өнүгүү тенденцияларынын бири болуп саналат. Жогорку вольттуу LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) жогорку теориялык энергия тыгыздыгы менен мындан ары абдан келечектүү Co-эркин катод материалдарынын бири болуп саналат. Андан ары, эксперименталдык натыйжалар жарым-катуу электролит колдонуу менен LNMO батарейкасынын C-курсунун иштеши жакшырганын далилдеди. Бул аниондук COF кулондук өз ара аракеттенүү аркылуу Mn3+/Mn2+ жана Ni2+ күчтүү сиңирүүгө жөндөмдүү, алардын анодго кыйратуучу миграциясын токтото алат деп сунуш кылууга болот. Ошондуктан, бул иш LNMO катоддук материалды коммерциялаштыруу үчүн пайдалуу болот.

l Регионалдык талдоо

Азия-Тынч океан 2030-жылга чейин коммуналдык кызматтар жана өнөр жай ишканалары менен шартталган эң чоң стационардык литий-иондук батарея рыногу болот. Ал 2030-жылы 21,3% CAGRде 1,24 миллиард доллардан 2021-жылы өскөн рынок менен Түндүк Американы жана Европаны басып өтөт. Түндүк Америка жана Европа кийинки эки он жылдыкта өз экономикаларын жана тармактарын декарбонизациялоо максаттарынан улам кийинки ири базарлар болот. LATAM 21.4% CAGRде эң чоң өсүш темпин көрөт, анткени анын көлөмү аз жана базасы төмөн.

7 Жогорку сапаттагы литий-иондук батарейкалар үчүн эмнелерди эске алуу керек

Оптикалык күн инверторун сатып алууда баасын жана сапатын гана эмес, башка факторлорду да эске алуу керек.

l Энергия тыгыздыгы

Энергия тыгыздыгы - бул көлөм бирдигине сакталган энергиянын көлөмү. Салмагы жана өлчөмү азыраак болгон энергиянын жогорку тыгыздыгы заряддоо циклдарынын ортосунда кеңири болот.

Л  Коопсуз

Коопсуздук литий-иондук батарейкалардын дагы бир маанилүү аспектиси болуп саналат, анткени кубаттоо же кубаттоо учурунда пайда болушу мүмкүн болгон жарылуулар жана өрттөр, андыктан температура сенсорлору жана бөгөт коюучу заттар сыяктуу жакшыртылган коопсуздук механизмдери бар батареяларды тандоо керек.

l Type

Литий-иондук батарейка тармагындагы акыркы тенденциялардын бири - бул энергиянын жогорку тыгыздыгы жана узак жашоо цикли сыяктуу бир катар артыкчылыктарды сунуш кылган катуу абалдагы батареяларды өнүктүрүү. Мисалы, электромобилдерде катуу абалдагы аккумуляторлорду колдонуу алардын диапазонунун мүмкүнчүлүктөрүн жана коопсуздугун бир топ жогорулатат.

l Заряддоо ылдамдыгы

Заряддоо ылдамдыгы батарейканын канчалык тез заряддалышынан көз каранды. Кээде аларды колдонууга чейин батареянын заряды көп убакытты талап кылат.

l Өмүр

 Батарея бүткүл өмүр бою иштебейт, бирок жарактуулук мөөнөтү бар. Сатып алуудан мурун жарактуулук мөөнөтүн текшериңиз. Литий-иондук батарейкалардын химиялык курамына байланыштуу узак мөөнөткө ээ, бирок ар бир батарейка түрүнө, спецификациясына жана жасалуу жолуна жараша бири-биринен айырмаланат. Жогорку сапаттагы батарейкалар узакка созулат, анткени алар ичи жакшы материалдардан жасалган.