Kas ir litija jonu akumulatori

1 Kas ir litija jonu akumulatori?

Akumulators ir elektroenerģijas avots, kas sastāv no viena vai vairākiem elektroķīmiskiem elementiem ar ārējiem savienojumiem elektrisko ierīču barošanai Litija jonu vai litija jonu akumulators ir atkārtoti uzlādējams akumulators, kas izmanto litija jonu atgriezenisku samazināšanu, lai uzglabātu enerģiju, un ir slavens ar savu lielo enerģijas blīvumu.

2 Litija jonu akumulatoru uzbūve

Parasti lielākajā daļā komerciālo litija jonu akumulatoru kā aktīvos materiālus tiek izmantoti interkalācijas savienojumi. Tie parasti sastāv no vairākiem materiālu slāņiem, kas ir sakārtoti noteiktā secībā, lai atvieglotu elektroķīmisko procesu, kas ļauj akumulatoram uzkrāt un atbrīvot enerģiju — anoda, katoda, elektrolīta, separatora un strāvas kolektora.

Kas ir anods?

Kā akumulatora sastāvdaļai anodam ir svarīga loma akumulatora ietilpībā, veiktspējā un izturībā. Uzlādējot, grafīta anods ir atbildīgs par litija jonu pieņemšanu un uzglabāšanu. Kad akumulators ir izlādējies, litija joni pārvietojas no anoda uz katodu, tādējādi radot elektrisko strāvu. Parasti komerciāli visizplatītākais anods ir grafīts, kas pilnībā litētā LiC6 stāvoklī korelē ar maksimālo jaudu 1339 C/g (372 mAh/g). Taču, attīstoties tehnoloģijām, ir pētīti jauni materiāli, piemēram, silīcijs, lai uzlabotu litija jonu akumulatoru enerģijas blīvumu.

Kas ir katods?

Katods darbojas, lai pieņemtu un atbrīvotu pozitīvi lādētus litija jonus pašreizējo ciklu laikā. Tas parasti sastāv no slāņveida oksīda (piemēram, litija kobalta oksīda), polianjona (piemēram, litija dzelzs fosfāta) vai spineļa (piemēram, litija mangāna oksīda) struktūras, kas pārklāta uz lādiņu kolektora (parasti izgatavots no alumīnija). 

Kas ir elektrolīts?

Kā litija sāls organiskā šķīdinātājā elektrolīts kalpo kā vide litija jonu kustībai starp anodu un katodu uzlādes un izlādes laikā.

Kas ir atdalītājs?

Kā plānas membrānas vai nevadoša materiāla slānis separators darbojas, lai novērstu anoda (negatīvā elektroda) un katoda (pozitīvā elektroda) īssavienojumu, jo šis slānis ir caurlaidīgs litija joniem, bet ne elektroniem. Tas var arī nodrošināt vienmērīgu jonu plūsmu starp elektrodiem uzlādes un izlādes laikā. Tāpēc akumulators var uzturēt stabilu spriegumu un samazināt pārkaršanas, aizdegšanās vai eksplozijas risku.

Kas ir pašreizējais savācējs?

Strāvas savācējs ir paredzēts akumulatora elektrodu radītās strāvas savākšanai un novadīšanai uz ārējo ķēdi, kas ir svarīgi, lai nodrošinātu optimālu akumulatora veiktspēju un ilgmūžību. Un parasti tas parasti ir izgatavots no plānas alumīnija vai vara loksnes.

3 Litija jonu akumulatoru attīstības vēsture

Atkārtoti uzlādējamu litija jonu akumulatoru pētījumi datēti ar 1960. gadiem, viens no agrākajiem piemēriem ir NASA izstrādātais CuF2/Li akumulators. 1965 Un naftas krīze skāra pasauli 1970. gados, pētnieki pievērsa uzmanību alternatīviem enerģijas avotiem, tāpēc izrāviens, kas radīja agrāko moderno litija jonu akumulatoru veidu, tika veikts litija jonu akumulatoru vieglā svara un lielā enerģijas blīvuma dēļ. Tajā pašā laikā Stenlijs Vitingems no Exxon atklāja, ka litija jonus var ievietot tādos materiālos kā TiS2, lai izveidotu uzlādējamu akumulatoru. 

Tāpēc viņš mēģināja komercializēt šo akumulatoru, taču tas neizdevās augsto izmaksu un metāliskā litija klātbūtnes dēļ šūnās. 1980. gadā tika atklāts, ka jauns materiāls piedāvā augstāku spriegumu un bija daudz stabilāks gaisā, ko vēlāk izmantoja pirmajā komerciālajā litija jonu akumulatorā, lai gan tas pats par sevi neatrisināja pastāvīgo uzliesmojamības problēmu. tajā pašā gadā Rahids Jazami izgudroja litija grafīta elektrodu (anodu). Un tad 1991. gadā tirgū sāka ienākt pasaulē pirmās uzlādējamās litija jonu baterijas. 2000. gados pieprasījums pēc litija jonu akumulatoriem palielinājās, jo kļuva populāras pārnēsājamas elektroniskās ierīces, kas padara litija jonu akumulatorus drošākus un izturīgākus. Elektriskie transportlīdzekļi tika ieviesti 2010. gados, kas radīja jaunu tirgu litija jonu akumulatoriem 

Jaunu ražošanas procesu un materiālu, piemēram, silīcija anodu un cietvielu elektrolītu, izstrāde turpināja uzlabot litija jonu akumulatoru veiktspēju un drošību. Mūsdienās litija jonu baterijas ir kļuvušas par būtiskām mūsu ikdienas dzīvē, tāpēc turpinās jaunu materiālu un tehnoloģiju izpēte un izstrāde, lai uzlabotu šo akumulatoru veiktspēju, efektivitāti un drošību.

4. Litija jonu akumulatoru veidi

Litija jonu akumulatoriem ir dažādas formas un izmēri, un ne visi no tiem ir vienādi. Parasti ir piecu veidu litija jonu akumulatori.

l Litija kobalta oksīds

Litija kobalta oksīda akumulatori tiek ražoti no litija karbonāta un kobalta, un tos sauc arī par litija kobalta vai litija jonu kobalta akumulatoriem. Tiem ir kobalta oksīda katods un grafīta oglekļa anods, un litija joni migrē no anoda uz katodu izlādes laikā, plūsmai mainoties pretējā virzienā, kad akumulators ir uzlādēts. Kas attiecas uz to pielietojumu, tos izmanto pārnēsājamās elektroniskās ierīcēs, elektriskajos transportlīdzekļos un atjaunojamās enerģijas uzglabāšanas sistēmās, jo tām ir augsta īpatnējā enerģija, zems pašizlādes ātrums, augsts darba spriegums un plašs temperatūras diapazons. Taču pievērsiet uzmanību ar drošību saistītajām problēmām. termiskā bēguma un nestabilitātes iespējamība augstās temperatūrās.

l Litija mangāna oksīds

Litija mangāna oksīds (LiMn2O4) ir katoda materiāls, ko parasti izmanto litija jonu akumulatoros. Šāda veida akumulatoru tehnoloģija sākotnēji tika atklāta 1980. gados, pirmo reizi publicējot Materiālu izpētes biļetenā 1983. gadā. Viena no LiMn2O4 priekšrocībām ir tā, ka tai ir laba termiskā stabilitāte, kas nozīmē, ka ir mazāka iespēja piedzīvot termisku izplūdi, kas ir arī drošāka nekā citi litija jonu akumulatoru veidi. Turklāt mangāns ir bagātīgs un plaši pieejams, kas padara to par ilgtspējīgāku risinājumu salīdzinājumā ar katoda materiāliem, kas satur ierobežotus resursus, piemēram, kobaltu. Rezultātā tie bieži sastopami medicīnas iekārtās un ierīcēs, elektroinstrumentos, elektriskajos motociklos un citās lietojumprogrammās. Neskatoties uz priekšrocībām, LiMn2O4 ir sliktāka riteņbraukšanas stabilitāte salīdzinājumā ar LiCoO2, kas nozīmē, ka tas var būt jāmaina biežāk, tāpēc tas var nebūt tik piemērots ilgtermiņa enerģijas uzglabāšanas sistēmām.

l Litija dzelzs fosfāts (LFP)

Fosfātu izmanto kā katodu litija dzelzs fosfāta baterijās, ko bieži sauc par litija fosfāta baterijām. To zemā pretestība ir uzlabojusi to termisko stabilitāti un drošību Tie ir slaveni arī ar izturību un ilgu dzīves ciklu, kas padara tos par visrentablāko variantu cita veida litija jonu akumulatoriem. Līdz ar to šīs baterijas bieži izmanto elektriskajos velosipēdos un citos lietojumos, kam nepieciešams ilgs dzīves cikls un augsts drošības līmenis. Taču tā trūkumi apgrūtina strauju attīstību. Pirmkārt, salīdzinot ar citiem litija jonu akumulatoru veidiem, tie maksā vairāk, jo izmanto retas un dārgas izejvielas. Turklāt litija dzelzs fosfāta akumulatoriem ir zemāks darba spriegums, kas nozīmē, ka tie var nebūt piemēroti dažiem lietojumiem, kuriem nepieciešams lielāks spriegums. Tā ilgākais uzlādes laiks padara to par neizdevīgu lietojumprogrammām, kurām nepieciešama ātra uzlāde.

l Litija niķeļa mangāna kobalta oksīds (NMC)

Litija niķeļa mangāna kobalta oksīda akumulatori, bieži pazīstami kā NMC akumulatori, ir izgatavoti no dažādiem materiāliem, kas ir universāli litija jonu baterijās. Iekļauts katods, kas izgatavots no niķeļa, mangāna un kobalta maisījuma Tā augstais enerģijas blīvums, laba riteņbraukšanas veiktspēja un ilgs kalpošanas laiks ir padarījis to par pirmo izvēli elektriskajos transportlīdzekļos, tīkla uzglabāšanas sistēmās un citos augstas veiktspējas lietojumos, kas ir vēl vairāk veicinājis elektrisko transportlīdzekļu un atjaunojamās enerģijas sistēmu pieaugošo popularitāti. Lai palielinātu jaudu, tiek izmantoti jauni elektrolīti un piedevas, kas ļauj to uzlādēt līdz 4,4 V uz elementu un augstāku. Ir tendence uz NMC sajauktu litija jonu, jo sistēma ir rentabla un nodrošina labu veiktspēju. Niķelis, mangāns un kobalts ir trīs aktīvie materiāli, kurus var viegli apvienot, lai tie atbilstu plašam automobiļu un enerģijas uzglabāšanas sistēmu (EES) lietojumu klāstam, kam nepieciešama bieža braukšana ar velosipēdu.

 No tā mēs varam redzēt, ka NMC ģimene kļūst daudzveidīgāka

Tomēr tā blakusefekti, ko rada termiskā bēgšana, ugunsbīstamība un vides problēmas, var kavēt tā turpmāko attīstību.

l Litija titanāts

Litija titanāts, ko bieži sauc par litija titanātu, ir akumulatora veids, ko izmanto arvien vairāk. Pateicoties tās izcilajai nanotehnoloģijai, tas spēj ātri uzlādēt un izlādēties, vienlaikus saglabājot stabilu spriegumu, kas padara to labi piemērotu lieljaudas lietojumiem, piemēram, elektriskajiem transportlīdzekļiem, komerciālām un rūpnieciskām enerģijas uzglabāšanas sistēmām un tīkla līmeņa uzglabāšanai. Kopā ar drošību un uzticamību šīs baterijas varētu izmantot militāriem un kosmosa lietojumiem, kā arī vēja un saules enerģijas uzglabāšanai un viedo tīklu izbūvei. Turklāt, saskaņā ar Battery Space, šīs baterijas var izmantot energosistēmas sistēmai kritiskos dublējumkopijās Tomēr litija titanāta baterijas mēdz būt dārgākas nekā tradicionālās litija jonu baterijas, jo to ražošanai nepieciešams sarežģīts ražošanas process.

5. Litija jonu akumulatoru attīstības tendences

Atjaunojamās enerģijas iekārtu globālā izaugsme ir palielinājusi neregulāru enerģijas ražošanu, radot nelīdzsvarotu tīklu. Tas ir izraisījis pieprasījumu pēc akumulatoriem. Lai gan koncentrēšanās uz nulles oglekļa emisiju un nepieciešamība atteikties no fosilā kurināmā, proti, oglēm, elektroenerģijas ražošanā mudina vairākas valdības stimulēt saules un vēja enerģijas iekārtas. Šīs instalācijas ir piemērotas akumulatoru uzglabāšanas sistēmām, kas uzglabā pārmērīgu saražoto enerģiju. Tāpēc valdības stimuli stimulēt litija jonu akumulatoru uzstādīšanu arī veicina litija jonu akumulatoru izstrādi. Piemēram, tiek prognozēts, ka pasaules NMC litija jonu akumulatoru tirgus apjoms pieaugs no miljoniem ASV dolāru 2022. gadā līdz miljoniem ASV dolāru 2029. gadā; Paredzams, ka no 2023. gada līdz 2023. gadam tas pieaugs par % CAGR 2029  Tiek prognozēts, ka pieaugošās vajadzības lietojumprogrammām, kurām nepieciešama liela slodze, padarīs litija jonu akumulatorus ar 3000–10000 par visstraujāk augošo segmentu prognozētajā periodā (2022.–2030.).

6 Litija jonu akumulatoru investīciju analīze

Tiek prognozēts, ka litija jonu akumulatoru tirgus nozare pieaugs no 51,16 miljardiem USD 2022. gadā līdz USD 118,15 miljardiem līdz 2030. gadam, uzrādot salikto gada pieauguma tempu 4,72% apmērā prognozētajā periodā (2022–2030), kas ir atkarīgs no vairākiem faktoriem.

l Galalietotāja analīze

Komunālo pakalpojumu nozares iekārtas ir galvenais akumulatoru enerģijas uzglabāšanas sistēmu (BESS) virzītājspēks. Paredzams, ka šis segments pieaugs no 2,25 miljardiem ASV dolāru 2021. gadā līdz 5,99 miljardiem ASV dolāru 2030. gadā ar CAGR 11,5%.  Litija jonu akumulatori uzrāda augstāku 34,4% CAGR to zemās izaugsmes bāzes dēļ. Dzīvojamo un komerciālo enerģijas uzglabāšanas segmenti ir citas jomas ar lielu tirgus potenciālu — 5,51 miljardu USD 2030. gadā, salīdzinot ar USD 1,68 miljardiem 2021. gadā. Rūpniecības sektors turpina virzību uz nulles oglekļa emisiju līmeni, un uzņēmumi nākamo divu desmitgažu laikā uzņemsies saistības par nulles līmeni. Telekomunikāciju un datu centru uzņēmumi ir oglekļa emisiju samazināšanas priekšgalā, lielāku uzmanību pievēršot atjaunojamiem enerģijas avotiem Tas viss veicinās strauju attīstību  litija jonu akumulatori, jo uzņēmumi atrod veidus, kā nodrošināt uzticamu dublējumu un tīkla balansēšanu.

l Produkta veida analīze

Augstās kobalta cenas dēļ kobaltu nesaturošs akumulators ir viena no litija jonu akumulatoru attīstības tendencēm. Augstsprieguma LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) ar augstu teorētisko enerģijas blīvumu ir viens no daudzsološākajiem katoda materiāliem nākotnē. Turklāt eksperimentālie rezultāti pierādīja, ka LNMO akumulatora cikliskums un C ātruma veiktspēja tiek uzlabota, izmantojot puscieto elektrolītu. To var ierosināt, ka anjonu COF spēj spēcīgi absorbēt Mn3+/Mn2+ un Ni2+, izmantojot Kulona mijiedarbību, ierobežojot to destruktīvo migrāciju uz anodu. Tāpēc šis darbs būs izdevīgs LNMO katoda materiāla komercializēšanai.

l Reģionālā analīze

Āzijas un Klusā okeāna reģions līdz 2030. gadam būs lielākais stacionāro litija jonu akumulatoru tirgus, ko virzīs komunālie pakalpojumi un nozares. Tas apsteigs Ziemeļameriku un Eiropu ar 7,07 miljardu ASV dolāru tirgu 2030. gadā, pieaugot no 1,24 miljardiem ASV dolāru 2021. gadā un CAGR 21,3%. Ziemeļamerika un Eiropa būs nākamie lielākie tirgi, pateicoties to mērķiem nākamo divu desmitgažu laikā dekarbonizēt savu ekonomiku un tīklu. LATAM redzēs augstāko pieauguma tempu ar CAGR 21,4% mazāka izmēra un zemās bāzes dēļ.

7 Lietas, kas jāņem vērā, iegādājoties augstas kvalitātes litija jonu akumulatorus

Pērkot optisko saules invertoru, jāņem vērā ne tikai cena un kvalitāte, jāpatur prātā arī citi faktori.

l Enerģijas blīvums

Enerģijas blīvums ir enerģijas daudzums, kas uzkrāts tilpuma vienībā. Lielāks enerģijas blīvums ar mazāku svaru un izmēru ir plašāks starp uzlādes cikliem.

l  Drošība

Drošība ir vēl viens kritisks litija jonu akumulatoru aspekts, jo uzlādes vai izlādes laikā var rasties sprādzieni un ugunsgrēki, tāpēc ir jāizvēlas akumulatori ar uzlabotiem drošības mehānismiem, piemēram, temperatūras sensoriem un inhibējošām vielām.

l Tips

Viena no jaunākajām tendencēm litija jonu akumulatoru nozarē ir cietvielu akumulatoru izstrāde, kas piedāvā virkni priekšrocību, piemēram, lielāku enerģijas blīvumu un ilgāku dzīves ciklu. Piemēram, cietvielu akumulatoru izmantošana elektromobiļos ievērojami palielinās to darbības rādiusu un drošību.

l Uzlādes ātrums

Uzlādes ātrums ir atkarīgs no tā, cik ātri akumulators tiek droši uzlādēts. Dažreiz akumulatoru uzlāde prasa ilgu laiku, pirms tos var lietot.

l Dzīves ilgums

 Neviens akumulators nedarbojas visu mūžu, bet tam ir derīguma termiņš. Pirms pirkuma veikšanas pārbaudiet derīguma termiņu. Litija jonu akumulatoriem ir raksturīgs ilgāks kalpošanas laiks to ķīmiskās sastāva dēļ, taču katrs akumulators atšķiras atkarībā no veida, specifikācijām un izgatavošanas veida. Augstas kvalitātes akumulatori kalpos ilgāk, jo iekšpusē tie ir izgatavoti no smalkiem materiāliem.