Kas yra ličio jonų baterijos

1 Kas yra ličio jonų baterijos?

Baterija yra elektros energijos šaltinis, sudarytas iš vieno ar kelių elektrocheminių elementų su išorinėmis jungtimis elektros prietaisams maitinti Ličio jonų arba ličio jonų akumuliatorius yra įkraunamas akumuliatorius, kuris naudoja grįžtamąjį ličio jonų redukciją energijai kaupti ir garsėja dideliu energijos tankiu.

2 Ličio jonų baterijų sandara

Paprastai daugumoje komercinių ličio jonų baterijų kaip aktyvios medžiagos naudojami interkalavimo junginiai. Paprastai juos sudaro keli medžiagų sluoksniai, kurie yra išdėstyti tam tikra tvarka, kad būtų palengvintas elektrocheminis procesas, leidžiantis akumuliatoriui kaupti ir išleisti energiją – anodas, katodas, elektrolitas, separatorius ir srovės kolektorius.

Kas yra anodas?

Kaip akumuliatoriaus sudedamoji dalis, anodas vaidina svarbų vaidmenį nustatant akumuliatoriaus talpą, našumą ir ilgaamžiškumą. Įkraunant grafito anodas yra atsakingas už ličio jonų priėmimą ir saugojimą. Išsikrovus akumuliatoriui, ličio jonai juda iš anodo į katodą ir susidaro elektros srovė. Paprastai komerciškai dažniausiai naudojamas anodas yra grafitas, kuris visiškai sulitintame LiC6 būsenoje koreliuoja su maksimalia 1339 C/g (372 mAh/g) talpa. Tačiau tobulėjant technologijoms, buvo tiriamos naujos medžiagos, tokios kaip silicis, siekiant pagerinti ličio jonų baterijų energijos tankį.

Kas yra katodas?

Katodas priima ir išleidžia teigiamai įkrautus ličio jonus srovės ciklų metu. Paprastai jį sudaro sluoksniuotos oksido (pvz., ličio kobalto oksido), polianiono (pvz., ličio geležies fosfato) arba špinelio (pvz., ličio mangano oksido) struktūros, padengtos krūvio kolektoriaus (paprastai pagaminto iš aliuminio). 

Kas yra elektrolitas?

Kaip ličio druska organiniame tirpiklyje, elektrolitas tarnauja kaip terpė ličio jonams judėti tarp anodo ir katodo įkrovimo ir iškrovimo metu.

Kas yra separatorius?

Kaip plona membrana arba nelaidžios medžiagos sluoksnis, separatorius apsaugo nuo anodo (neigiamo elektrodo) ir katodo (teigiamojo elektrodo) trumpojo jungimo, nes šis sluoksnis yra pralaidus ličio jonams, bet ne elektronams. Jis taip pat gali užtikrinti pastovų jonų srautą tarp elektrodų įkrovimo ir iškrovimo metu. Todėl akumuliatorius gali išlaikyti stabilią įtampą ir sumažinti perkaitimo, užsidegimo ar sprogimo riziką.

Kas yra dabartinis kolektorius?

Srovės kolektorius skirtas surinkti akumuliatoriaus elektrodų generuojamą srovę ir pernešti ją į išorinę grandinę, o tai svarbu siekiant užtikrinti optimalų akumuliatoriaus veikimą ir ilgaamžiškumą. Ir paprastai jis paprastai yra pagamintas iš plono aliuminio arba vario lakšto.

3 Ličio jonų baterijų kūrimo istorija

Įkraunamų ličio jonų baterijų tyrimai datuojami septintajame dešimtmetyje, vienas iš pirmųjų pavyzdžių yra NASA sukurta CuF2/Li baterija 1965 Ir aštuntajame dešimtmetyje pasaulį ištiko naftos krizė, tyrėjai atkreipė dėmesį į alternatyvius energijos šaltinius, todėl proveržis, kurio metu buvo sukurta seniausia šiuolaikinė ličio jonų baterija, buvo padaryta dėl ličio jonų baterijų lengvo svorio ir didelio energijos tankio. Tuo pačiu metu Stanley Whittinghamas iš Exxon atrado, kad į tokias medžiagas kaip TiS2 galima įterpti ličio jonų, kad būtų sukurta įkraunama baterija. 

Taigi jis bandė komercializuoti šią bateriją, bet nepavyko dėl didelių sąnaudų ir metalinio ličio elementų. 1980 m. buvo nustatyta, kad nauja medžiaga turi didesnę įtampą ir buvo daug stabilesnė ore, kuri vėliau buvo panaudota pirmoje komercinėje ličio jonų baterijoje, nors ji viena neišsprendė nuolatinio degumo problemos. tais pačiais metais Rachidas Yazami išrado ličio grafito elektrodą (anodą). Ir tada 1991 m. į rinką pradėjo patekti pirmosios pasaulyje įkraunamos ličio jonų baterijos. 2000-aisiais ličio jonų baterijų paklausa išaugo, nes išpopuliarėjo nešiojamieji elektroniniai prietaisai, todėl ličio jonų akumuliatoriai tampa saugesni ir patvaresni. Elektrinės transporto priemonės buvo pristatytos 2010 m., o tai sukūrė naują ličio jonų akumuliatorių rinką 

Naujų gamybos procesų ir medžiagų, tokių kaip silicio anodai ir kietojo kūno elektrolitai, kūrimas ir toliau gerino ličio jonų baterijų veikimą ir saugą. Šiais laikais ličio jonų baterijos tapo būtinos mūsų kasdieniame gyvenime, todėl vyksta naujų medžiagų ir technologijų tyrimai ir plėtra, siekiant pagerinti šių baterijų veikimą, efektyvumą ir saugumą.

4. Ličio jonų baterijų tipai

Ličio jonų akumuliatoriai būna įvairių formų ir dydžių, ir ne visi jie yra vienodi. Paprastai yra penkių rūšių ličio jonų baterijos.

l Ličio kobalto oksidas

Ličio kobalto oksido baterijos gaminamos iš ličio karbonato ir kobalto, taip pat žinomos kaip ličio kobaltato arba ličio jonų kobalto baterijos. Jie turi kobalto oksido katodą ir grafito anglies anodą, o iškrovimo metu ličio jonai migruoja iš anodo į katodą, o srautas pasikeičia, kai akumuliatorius įkraunamas. Kalbant apie taikymą, jie naudojami nešiojamuose elektroniniuose prietaisuose, elektrinėse transporto priemonėse ir atsinaujinančios energijos kaupimo sistemose dėl didelės specifinės energijos, mažo savaiminio išsikrovimo greičio, didelės darbinės įtampos ir plataus temperatūros diapazono. Tačiau atkreipkite dėmesį į su sauga susijusias problemas. dėl galimo terminio nutekėjimo ir nestabilumo esant aukštai temperatūrai.

l Ličio mangano oksidas

Ličio mangano oksidas (LiMn2O4) yra katodo medžiaga, dažniausiai naudojama ličio jonų baterijose. Tokio tipo baterijų technologija iš pradžių buvo atrasta devintajame dešimtmetyje, pirmą kartą paskelbus Medžiagų tyrimų biuletenį 1983 m. Vienas iš LiMn2O4 privalumų yra geras šiluminis stabilumas, o tai reiškia, kad mažiau tikėtina, kad jis patirs šiluminį nutekėjimą, kuris taip pat yra saugesnis nei kitų tipų ličio jonų baterijos. Be to, mangano yra daug ir jis plačiai prieinamas, todėl jis yra tvaresnis pasirinkimas, palyginti su katodinėmis medžiagomis, kurių ištekliai yra riboti, pavyzdžiui, kobaltas. Todėl jie dažnai randami medicinos įrangoje ir prietaisuose, elektriniuose įrankiuose, elektriniuose motocikluose ir kitose srityse. Nepaisant savo privalumų, LiMn2O4 prastesnis dviračio stabilumas lyginant su LiCoO2, o tai reiškia, kad jį gali reikėti dažniau keisti, todėl jis gali būti netinkamas ilgalaikėms energijos kaupimo sistemoms.

l Ličio geležies fosfatas (LFP)

Fosfatas naudojamas kaip katodas ličio geležies fosfato baterijose, dažnai vadinamose ličio fosfato baterijomis. Jų mažas atsparumas pagerino jų šiluminį stabilumą ir saugumą Jie taip pat garsėja ilgaamžiškumu ir ilgu gyvavimo ciklu, todėl jie yra ekonomiškiausias pasirinkimas kitų tipų ličio jonų akumuliatoriams. Todėl šios baterijos dažnai naudojamos elektriniuose dviračiuose ir kitose srityse, kurioms reikalingas ilgas gyvavimo ciklas ir aukštas saugos lygis. Tačiau dėl jo trūkumų sunku greitai vystytis. Pirma, palyginti su kitų tipų ličio jonų akumuliatoriais, jie kainuoja daugiau, nes naudoja retas ir brangias žaliavas. Be to, ličio geležies fosfato baterijos turi mažesnę darbinę įtampą, o tai reiškia, kad jos gali netikti kai kurioms programoms, kurioms reikalinga didesnė įtampa. Dėl ilgesnio įkrovimo laiko jis yra trūkumas tose programose, kurias reikia greitai įkrauti.

l Ličio nikelio mangano kobalto oksidas (NMC)

Ličio nikelio mangano kobalto oksido baterijos, dažnai žinomos kaip NMC baterijos, yra pagamintos iš įvairių medžiagų, kurios yra universalios ličio jonų baterijose. Komplekte yra katodas, pagamintas iš nikelio, mangano ir kobalto mišinio Didelis energijos tankis, geras važiavimas dviračiu ir ilga eksploatavimo trukmė tapo pirmuoju pasirinkimu elektrinėse transporto priemonėse, tinklelio saugojimo sistemose ir kitose didelio našumo srityse, o tai dar labiau prisidėjo prie augančio elektrinių transporto priemonių ir atsinaujinančios energijos sistemų populiarumo. Norint padidinti talpą, naudojami nauji elektrolitai ir priedai, leidžiantys įkrauti iki 4,4 V/ląst ir daugiau. Yra tendencija naudoti NMC sumaišytus ličio jonus, nes sistema yra ekonomiška ir užtikrina gerą našumą. Nikelis, manganas ir kobaltas yra trys aktyvios medžiagos, kurias galima lengvai sujungti, kad tiktų įvairioms automobilių ir energijos kaupimo sistemoms (EES), kurioms reikia dažnai važiuoti dviračiu.

 Iš to matome, kad NMC šeima darosi vis įvairesnė

Tačiau jo šalutinis terminis bėgimas, gaisro pavojus ir susirūpinimas aplinka gali trukdyti tolesniam jo vystymuisi.

l Ličio titanatas

Ličio titanatas, dažnai žinomas kaip li-titanatas, yra baterijų tipas, kuris vis dažniau naudojamas. Dėl savo puikios nanotechnologijos jis gali greitai įkrauti ir iškrauti, išlaikant stabilią įtampą, todėl puikiai tinka didelės galios reikmėms, pvz., elektrinėms transporto priemonėms, komercinėms ir pramoninėms energijos kaupimo sistemoms ir tinklo lygio saugojimui. Kartu su savo saugumu ir patikimumu šios baterijos gali būti naudojamos karinėms ir kosmoso reikmėms, taip pat vėjo ir saulės energijai kaupti bei išmaniųjų tinklų kūrimui. Be to, pasak Battery Space, šios baterijos gali būti naudojamos kuriant svarbias energijos sistemos atsargines kopijas Nepaisant to, ličio titanato baterijos paprastai yra brangesnės nei tradicinės ličio jonų baterijos, nes joms gaminti reikalingas sudėtingas gamybos procesas.

5. Ličio jonų baterijų plėtros tendencijos

Pasaulinis atsinaujinančios energijos įrenginių augimas padidino energijos gamybą su pertrūkiais, sukurdamas nesubalansuotą tinklą. Dėl to atsirado baterijų paklausa. Nors dėmesys nuliniam anglies dvideginio išmetimui ir būtinybė atsisakyti iškastinio kuro, būtent anglies, energijos gamybai paskatino daugiau vyriausybių skatinti saulės ir vėjo jėgaines. Šie įrenginiai tinka akumuliatorių saugojimo sistemoms, kurios kaupia perteklinę generuojamą energiją. Todėl vyriausybės paskatos skatinti ličio jonų akumuliatorių įrengimą taip pat skatina ličio jonų baterijų kūrimą. Pavyzdžiui, prognozuojama, kad pasaulinės NMC ličio jonų baterijų rinkos dydis išaugs nuo mln. USD 2022 m. iki mln. USD 2029 m.; tikimasi, kad nuo 2023 m. CAGR augs % 2029  Prognozuojama, kad dėl didėjančių programų, reikalaujančių didelių apkrovų, poreikiai, prognozuojamu laikotarpiu (2022–2030 m.) 3000–10000 talpos ličio jonų baterijos taps greičiausiai augančiu segmentu.

6 Investicijų į ličio jonų baterijas analizė

Numatoma, kad ličio jonų baterijų rinkos pramonė išaugs nuo 51,16 mlrd. USD 2022 m. iki 118,15 mlrd. USD iki 2030 m., o prognozuojamu laikotarpiu (2022–2030 m.) bendras metinis augimas bus 4,72 %, o tai priklauso nuo kelių veiksnių.

l Galutinio vartotojo analizė

Komunalinių paslaugų sektoriaus įrenginiai yra pagrindiniai akumuliatorių energijos kaupimo sistemų (BESS) varikliai. Tikimasi, kad šis segmentas išaugs nuo 2,25 mlrd. USD 2021 m. iki 5,99 mlrd. USD 2030 m., kai CAGR bus 11,5%.  Ličio jonų baterijos rodo didesnį 34,4% CAGR dėl mažo augimo pagrindo. Gyvenamieji ir komerciniai energijos kaupimo segmentai yra kitos sritys, turinčios didelį rinkos potencialą – 5,51 mlrd. USD 2030 m., palyginti su 1,68 mlrd. USD 2021 m. Pramonės sektorius tęsia žygį link nulinio anglies dvideginio išmetimo, o įmonės per ateinančius du dešimtmečius prisiims įsipareigojimus, kad jie būtų nuliniai. Telekomunikacijų ir duomenų centrų įmonės yra priešakyje mažindamos anglies dvideginio išmetimą, daugiau dėmesio skirdamos atsinaujinantiems energijos šaltiniams Visa tai skatins sparčią plėtrą  ličio jonų baterijos, nes įmonės randa būdų, kaip užtikrinti patikimą atsarginę kopiją ir tinklo balansavimą.

l Produkto tipo analizė

Dėl aukštos kobalto kainos kobalto neturinti baterija yra viena iš ličio jonų baterijų plėtros tendencijų. Aukštos įtampos LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) su dideliu teoriniu energijos tankiu yra viena iš perspektyviausių belaidžio katodo medžiagų ateityje. Be to, eksperimentiniai rezultatai įrodė, kad naudojant pusiau kietą elektrolitą, LNMO baterijos cikliškumas ir C-rate gerėja. Galima manyti, kad anijoninis COF gali stipriai sugerti Mn3+/Mn2+ ir Ni2+ per Kulono sąveiką, apribodamas jų destruktyvią migraciją į anodą. Todėl šis darbas bus naudingas LNMO katodo medžiagos komercializavimui.

l Regioninė analizė

Azijos ir Ramiojo vandenyno regionas iki 2030 m. bus didžiausia stacionarių ličio jonų baterijų rinka, kurią skatins komunalinės paslaugos ir pramonė. 2030 m. ji aplenks Šiaurės Ameriką ir Europą, kurios rinka sieks 7,07 mlrd. USD, o 2021 m. ji išaugs nuo 1,24 mlrd. Šiaurės Amerika ir Europa bus kitos didžiausios rinkos dėl jų tikslų per ateinančius du dešimtmečius sumažinti savo ekonomiką ir tinklą. Dėl mažesnio dydžio ir žemos bazės LATAM pasieks didžiausią CAGR augimo tempą – 21,4%.

7 Į ką reikia atsižvelgti, norint įsigyti aukštos kokybės ličio jonų baterijas

Perkant optinį saulės keitiklį, reikia atsižvelgti ne tik į kainą ir kokybę, bet nepamiršti ir kitų faktorių.

l Energijos tankis

Energijos tankis yra energijos kiekis, sukauptas tūrio vienete. Didesnis energijos tankis, esant mažesniam svoriui ir dydžiui, yra didesnis tarp įkrovimo ciklų.

l  Sauga

Saugumas yra dar vienas svarbus ličio jonų akumuliatorių aspektas, nes kraunant ar iškraunant gali kilti sprogimų ir gaisrų, todėl būtina rinktis baterijas su patobulintais saugos mechanizmais, tokiais kaip temperatūros jutikliai ir slopinančios medžiagos.

l Tipas

Viena iš naujausių ličio jonų baterijų pramonės tendencijų yra kietojo kūno baterijų kūrimas, suteikiantis daugybę privalumų, tokių kaip didesnis energijos tankis ir ilgesnis gyvavimo ciklas. Pavyzdžiui, kietojo kūno baterijų naudojimas elektromobiliuose žymiai padidins jų nuotolio galimybes ir saugumą.

l Įkrovimo greitis

Įkrovimo greitis priklauso nuo to, kaip greitai akumuliatorius įkraunamas saugiai. Kartais baterijos įkraunamos ilgai, kol jas galima naudoti.

l Gyvenimo trukmė

 Jokia baterija neveikia visą gyvenimą, tačiau turi galiojimo laiką. Prieš pirkdami patikrinkite galiojimo datą. Dėl savo chemijos ličio jonų baterijos tarnauja ilgiau, tačiau kiekviena baterija skiriasi viena nuo kitos, priklausomai nuo tipo, specifikacijų ir pagaminimo būdo. Aukštos kokybės baterijos tarnaus ilgiau, nes jos viduje pagamintos iš puikių medžiagų.