Kas ir litija jonu akumulatori?

1. Kas ir litija jonu akumulatori?

Akumulators ir elektroenerģijas avots, kas sastāv no viena vai vairākiem elektroķīmiskās šūnas ar ārējiem savienojumiem elektrisko ierīču barošanai. Litija jonu vai litija jonu akumulators ir atkārtoti uzlādējams akumulators, kas izmanto atgriezeniska litija jonu samazināšana, lai uzglabātu enerģiju, un ir slavena ar to augsto līmeni enerģijas blīvums.

2. Litija jonu akumulatoru uzbūve

Parasti lielākajā daļā komerciālo litija jonu akumulatoru tiek izmantoti interkalācijas savienojumi kā aktīvie materiāli. Tie parasti sastāv no vairākiem materiālu slāņiem, kas ir sakārtoti noteiktā secībā, lai atvieglotu elektroķīmisko procesu, kas ļauj akumulatoram uzkrāt un atbrīvot enerģiju — anodu, katods, elektrolīts, separators un strāvas savācējs.

Kas ir anods?

Kā akumulatora sastāvdaļa anodam ir svarīga loma kapacitātē, akumulatora veiktspēju un izturību. Uzlādējot, grafīta anods ir atbild par litija jonu pieņemšanu un uzglabāšanu. Kad akumulators ir izlādējoties, litija joni pārvietojas no anoda uz katodu tā, ka an tiek radīta elektriskā strāva. Parasti komerciāli visbiežāk izmantotais anods ir grafīts, kas pilnībā litētā LiC6 stāvoklī korelē ar maksimumu jauda 1339 C/g (372 mAh/g). Bet, attīstoties tehnoloģijām, jauns ir pētīti tādi materiāli kā silīcijs, lai uzlabotu enerģijas blīvumu litija jonu akumulatoriem.

Kas ir katods?

Katods darbojas, lai laikā pieņemtu un atbrīvotu pozitīvi lādētus litija jonus pašreizējie cikli. Tas parasti sastāv no slāņveida oksīda struktūras (piemēram, litija kobalta oksīds), polianjonu (piemēram, litija dzelzs fosfātu) vai spinelis (piemēram, litija mangāna oksīds), kas pārklāts uz lādiņa kolektora (parasti izgatavots no alumīnija).

Kas ir elektrolīts?

Kā litija sāls organiskā šķīdinātājā elektrolīts kalpo kā barotne lai litija joni uzlādes laikā pārvietotos starp anodu un katodu un izlādēšanās.

Kas ir atdalītājs?

Atdalītājs darbojas kā plāna membrāna vai nevadoša materiāla slānis novērstu anodu (negatīvo elektrodu) un katodu (pozitīvo elektrodu) no īssavienojums, jo šis slānis ir caurlaidīgs litija joniem, bet ne elektroniem. Tas var arī nodrošināt vienmērīgu jonu plūsmu starp elektrodiem uzlādes laikā un izlādēšanās. Tāpēc akumulators var uzturēt stabilu spriegumu un samazināt pārkaršanas, aizdegšanās vai eksplozijas risks.

Kas ir pašreizējais savācējs?

Strāvas kolektors ir paredzēts, lai savāktu strāvu, ko rada akumulatora elektrodus un transportē to 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

Pētījumi par atkārtoti uzlādējamām litija jonu baterijām ir datēti ar 1960. gadiem, viens no Agrākie piemēri ir CuF2/Li akumulators, ko NASA izstrādāja 1965. gadā. Un naftas krīze 70. gados, pētnieki pievērsa uzmanību alternatīvām enerģijas avoti, tāpēc izrāviens, kas radīja agrāko formu modernais litija jonu akumulators tika izgatavots vieglā svara un lielās enerģijas dēļ litija jonu akumulatoru blīvums. Tajā pašā laikā Stenlijs Vitingems no Exxon atklāja, ka litija jonus var ievietot tādos materiālos kā TiS2 izveidot uzlādējamu akumulatoru 

Tāpēc viņš mēģināja komercializēt šo akumulatoru, bet neizdevās augsto izmaksu un metāliskā litija klātbūtnes dēļ šūnās. 1980. gadā tika atklāts jauns materiāls, kas piedāvā augstāku spriegumu un bija daudz vairāk stabils gaisā, ko vēlāk izmantos pirmajā komerciālajā litija jonu akumulatorā, lai gan tas pats par sevi neatrisināja pastāvīgo problēmu uzliesmojamība.Tajā pašā gadā Rahids Jazami izgudroja litija grafītu elektrods (anods). Un tad 1991. gadā pasaulē pirmais uzlādējamais litija jonu akumulators akumulatori sāka ienākt tirgū 

2000. gados pieprasījums pēc litija jonu baterijas palielinājās, jo populāras kļuva pārnēsājamas elektroniskās ierīces, kuras vada litija jonu baterijas, lai tās būtu drošākas un izturīgākas. Elektriskie transportlīdzekļi bija tika ieviests 2010. gados, kas radīja jaunu tirgu litija jonu akumulatoriem. The jaunu ražošanas procesu un materiālu, piemēram, silīcija anodu, izstrāde un cietvielu elektrolīti, turpināja uzlabot veiktspēju un drošību litija jonu akumulatori. Mūsdienās litija jonu akumulatori ir kļuvuši ļoti svarīgi mūsu ikdienas dzīvi, tāpēc jaunu materiālu izpēte un izstrāde un tehnoloģijas tiek turpinātas, lai uzlabotu veiktspēju, efektivitāti un drošību šīs baterijas.

4. Litija jonu akumulatoru veidi

Litija jonu akumulatoriem ir dažādas formas un izmēri, un ne visi tie tiek padarīti vienādi. Parasti ir piecu veidu litija jonu akumulatori.

l Litija kobalta oksīds

Litija kobalta oksīda baterijas tiek ražotas no litija karbonāta un kobalta un ir pazīstami arī kā litija kobalta vai litija jonu kobalta akumulatori. Tiem ir kobalta oksīda katods un grafīta oglekļa anods un litija joni migrē no anoda uz katodu izlādes laikā, plūsmai mainoties kad akumulators ir uzlādēts. Kas attiecas uz tā pielietojumu, tos izmanto pārnēsājamos elektroniskās ierīces, elektriskie transportlīdzekļi un atjaunojamās enerģijas uzglabāšanas sistēmas to augstās īpatnējās enerģijas, zemā pašizlādes ātruma un augstās darbības dēļ spriegums un plašs temperatūras diapazons. Taču pievērsiet uzmanību drošības apsvērumiem saistībā ar termiskā bēguma un nestabilitātes potenciālu augstā līmenī temperatūras.

l Litija mangāna oksīds

Litija mangāna oksīds (LiMn2O4) ir katoda materiāls, ko parasti izmanto litija jonu akumulatoros. Šāda veida akumulatoru tehnoloģija sākotnēji bija atklāja 1980. gados, pirmo reizi publicējot materiālu pētniecībā Biļetens 1983. gadā. Viena no LiMn2O4 priekšrocībām ir laba termiskā īpašība stabilitāte, kas nozīmē, ka ir mazāka iespēja piedzīvot termisku aizbēgšanu, kas ir arī drošāki par citiem litija jonu akumulatoru veidiem. Turklāt mangāns ir bagātīgs un plaši pieejams, kas padara to par ilgtspējīgāku iespēju salīdzinājumā katoda materiāliem, kas satur ierobežotus resursus, piemēram, kobaltu. Rezultātā tie bieži atrodami medicīnas iekārtās un ierīcēs, elektroinstrumentos, elektriskajos motocikliem un citiem lietojumiem. Neskatoties uz priekšrocībām, LiMn2O4 ir nabadzīgāks riteņbraukšanas stabilitāte salīdzinājumā ar LiCoO2, kas nozīmē, ka tam var būt nepieciešams vairāk bieža nomaiņa, tāpēc tā var nebūt tik piemērota ilgstošai enerģijas uzglabāšanai sistēmas.

l Litija dzelzs fosfāts (LFP)

Fosfātu bieži izmanto kā katodu litija dzelzs fosfāta baterijās pazīstamas kā litija fosfāta baterijas. To zemā pretestība ir uzlabojusi to termisko izturību stabilitāte un drošība. Tie ir arī slaveni ar izturību un ilgu dzīves ciklu, kas padara tos par visrentablāko iespēju salīdzinājumā ar citiem litija jonu veidiem baterijas. Līdz ar to šīs baterijas bieži izmanto elektriskajos velosipēdos un citiem lietojumiem, kam nepieciešams ilgs dzīves cikls un augsts drošības līmenis. Taču tā trūkumi apgrūtina strauju attīstību. Pirmkārt, salīdzinot ar cita veida litija jonu akumulatori, tie maksā vairāk, jo tajos izmanto retu un dārgas izejvielas. Turklāt litija dzelzs fosfāta akumulatoriem ir a zemāks darba spriegums, kas nozīmē, ka dažiem tie var nebūt piemēroti lietojumprogrammas, kurām nepieciešams lielāks spriegums. Tā ilgāks uzlādes laiks padara to a trūkums lietojumprogrammās, kurām nepieciešama ātra uzlāde.

l Litija niķeļa mangāna kobalta oksīds (NMC)

Litija niķeļa mangāna kobalta oksīda baterijas, bieži pazīstamas kā NMC baterijas, ir izgatavotas no dažādiem materiāliem, kas ir universāli litija jonu akumulatori. Katods, kas izgatavots no niķeļa, mangāna un kobalts ir iekļauts. Tā augstais enerģijas blīvums, laba riteņbraukšanas veiktspēja un a ilgs kalpošanas laiks ir padarījis to par pirmo izvēli elektriskajos transportlīdzekļos, tīkla uzglabāšanai sistēmas un citas augstas veiktspējas lietojumprogrammas, kas ir vēl vairāk veicinājušas pieaugošo elektrisko transportlīdzekļu un atjaunojamās enerģijas sistēmu popularitāti. Uz lai palielinātu jaudu, tiek izmantoti jauni elektrolīti un piedevas uzlāde līdz 4,4 V/šūna un augstāka 

Kopš tā laika ir tendence uz NMC sajauktu litija jonu sistēma ir rentabla un nodrošina labu veiktspēju. Niķelis, mangāns, un kobalts ir trīs aktīvie materiāli, kurus var viegli apvienot, lai tie būtu piemēroti plašam automobiļu un enerģijas uzglabāšanas sistēmu (EES) lietojumu klāsts, kam nepieciešams bieža riteņbraukšana. No kā mēs varam redzēt, NMC saime kļūst arvien vairāk daudzveidīga Tomēr tās blakusparādības ir termiskās bēgšanas, ugunsbīstamības un vides bažas var kavēt tās turpmāko attīstību.

l Litija titanāts

Litija titanāts, bieži pazīstams kā litija titanāts, ir akumulatora veids, kam ir a pieaugošais lietojumu skaits. Pateicoties savām izcilajām nanotehnoloģijām, tas spēj ātri uzlādējas un izlādējas, vienlaikus saglabājot stabilu spriegumu, kas to padara labi piemērots lieljaudas lietojumiem, piemēram, elektriskajiem transportlīdzekļiem, komerciāliem un rūpnieciskās enerģijas uzglabāšanas sistēmas, un tīkla līmeņa uzglabāšana 

Kopā ar to drošību un uzticamību, šīs baterijas varētu izmantot militārām un kosmosa vajadzībām lietojumprogrammas, kā arī vēja un saules enerģijas uzglabāšanu un viedo būvniecību režģi. Turklāt saskaņā ar Battery Space šīs baterijas varētu būt izmanto energosistēmas sistēmai kritisko dublējumkopijās. Tomēr litija titanāts akumulatori mēdz būt dārgāki nekā tradicionālie litija jonu akumulatori to ražošanai nepieciešamajam sarežģītajam ražošanas procesam.

5. Litija jonu akumulatoru attīstības tendences

Atjaunojamās enerģijas iekārtu globālais pieaugums ir palielinājies neregulāra enerģijas ražošana, radot nelīdzsvarotu tīklu. Tas ir novedis pie a pieprasījums pēc akumulatoriem.kamēr fokuss uz nulles oglekļa emisiju un nepieciešamību pārvietoties prom no fosilā kurināmā, proti, oglēm, elektroenerģijas ražošanai valdības stimulē saules un vēja enerģijas iekārtas. Šie instalācijas ir piemērotas akumulatoru uzglabāšanas sistēmām, kas uzglabā lieko jaudu radīts 

Tāpēc valdības stimuli stimulēt litija jonu akumulatoru iekārtas arī veicina litija jonu akumulatoru izstrādi. Piemēram, tiek prognozēts, ka pasaules NMC litija jonu akumulatoru tirgus apjoms pieaugs no ASV dolāriem miljoniem ASV dolāru 2022. gadā līdz miljoniem ASV dolāru 2029. gadā; sagaidāms, ka CAGR pieaugs par % no 2023. līdz 2029. gadam. Un pieaugošās vajadzības pēc smagiem lietojumiem Tiek prognozēts, ka slodzes padarīs litija jonu akumulatorus ar 3000-10000 ātrākajiem augošais segments prognozes periodā (2022-2030).

6. Litija jonu akumulatoru investīciju analīze

Tiek prognozēts, ka litija jonu akumulatoru tirgus nozare pieaugs no USD 51,16 miljardu 2022. gadā līdz USD 118,15 miljardiem līdz 2030. gadam, uzrādot saliktu ikgadēju pieauguma temps 4,72% prognozētajā periodā (2022-2030), kas ir atkarīgs no vairāki faktori.

l Galalietotāja analīze

Komunālo pakalpojumu nozares iekārtas ir galvenais akumulatoru enerģijas uzkrāšanas virzītājspēks sistēmas (BESS). Paredzams, ka šis segments pieaugs no USD 2,25 miljardiem 2021. gadā līdz 5,99 miljardi ASV dolāru 2030. gadā ar 11,5% CAGR. Li-ion akumulatori uzrāda augstāku par 34,4% CAGR to zemās izaugsmes bāzes dēļ. Dzīvojamās un komerciālās enerģijas uzglabāšana segmenti ir citas jomas ar lielu tirgus potenciālu — USD 5,51 miljards 2030. gadā, no USD 1,68 miljardiem 2021. gadā. Rūpniecības nozare turpina savu gājienu uz nulles oglekļa emisijas, uzņēmumiem nākamajos divos uzņemoties neto nulles apņemšanos gadu desmitiem. Telekomunikāciju un datu centru uzņēmumi ir samazināšanas priekšgalā oglekļa emisijas, lielāku uzmanību pievēršot atjaunojamiem enerģijas avotiem. Visi no kuriem veicinās litija jonu akumulatoru strauju attīstību kā uzņēmumi atrod veidus, kā nodrošināt uzticamu dublējumu un tīkla balansēšanu.

l Produkta veida analīze

Tā kā kobalta cena ir augsta, kobaltu nesaturošs akumulators ir viens no litija jonu akumulatoru attīstības tendences. Augstsprieguma LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) ar augstu teorētisko enerģijas blīvumu ir viens no daudzsološākajiem Co-free katoda materiāli tālāk. Turklāt eksperimentālie rezultāti to pierādīja LNMO akumulatora riteņbraukšanas un C ātruma veiktspēja tiek uzlabota, izmantojot pusciets elektrolīts. To var ierosināt, ka anjonu COF spēj spēcīgi absorbējot Mn3+/Mn2+ un Ni2+ caur Kulona mijiedarbību, ierobežojot to destruktīvo migrāciju uz anodu. Tāpēc šis darbs būs būt labvēlīga LNMO katoda materiāla komercializācijai.

l Reģionālā analīze

Āzijas un Klusā okeāna reģionā būs lielākais stacionāro litija jonu akumulatoru tirgus 2030, ko veicina komunālie pakalpojumi un nozares. Tas apsteigs Ziemeļameriku un Eiropa ar 7,07 miljardu ASV dolāru tirgu 2030. gadā, pieaugot no 1,24 miljardiem ASV dolāru 2021 ar CAGR 21,3%. Ziemeļamerika un Eiropa būs nākamās lielākās tirgos, jo to mērķis ir nākamajā laikā dekarbonizēt savu ekonomiku un tīklu divas desmitgades. LATAM redzēs augstāko pieauguma tempu ar CAGR 21,4%, jo mazāka izmēra un zemās pamatnes.

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

Pērkot optisko saules invertoru, jābūt ne tikai cenai un kvalitātei jāņem vērā arī citi faktori.

l Enerģijas blīvums

Enerģijas blīvums ir enerģijas daudzums, kas uzkrāts tilpuma vienībā. Augstāks enerģijas blīvums ar mazāku svaru un izmēru ir lielāks starp uzlādi cikli.

l Drošība

Drošība ir vēl viens kritisks litija jonu akumulatoru aspekts kopš sprādzieniem un ugunsgrēki, kas var rasties uzlādes vai izlādes laikā, tāpēc tas ir nepieciešams izvēlieties baterijas ar uzlabotiem drošības mehānismiem, piemēram, temperatūras sensoriem un inhibējošās vielas.

l Tips

Viena no jaunākajām tendencēm litija jonu akumulatoru nozarē ir cietvielu bateriju izstrāde, kas piedāvā virkni priekšrocību, piemēram, lielāks enerģijas blīvums un ilgāks dzīves cikls. Piemēram, lietošana cietvielu akumulatori elektromobiļos ievērojami palielinās to darbības rādiusu spējas un drošība.

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. Pārbaudiet derīguma termiņu datums pirms pirkuma veikšanas. Litija jonu akumulatoriem ir raksturīgs ilgāks kalpošanas laiks tās ķīmiskās sastāva dēļ, taču katrs akumulators atšķiras viens no otra atkarībā no veids, specifikācijas un to izgatavošanas veids. Būs augstas kvalitātes akumulatori kalpo ilgāk, jo iekšpusē tie ir izgatavoti no smalkiem materiāliem.