Wat zijn lithium-ionbatterijen

1 Wat zijn lithium-ionbatterijen?

Een batterij is een elektrische energiebron die bestaat uit een of meer elektrochemische cellen met externe aansluitingen voor het voeden van elektrische apparaten Een lithium-ion- of Li-ion-batterij is een type oplaadbare batterij die de omkeerbare reductie van lithiumionen gebruikt om energie op te slaan en staat bekend om hun hoge energiedichtheid.

2 De structuur van lithium-ionbatterijen

Over het algemeen gebruiken de meeste commerciële Li-ionbatterijen intercalatieverbindingen als actieve materialen. Ze bestaan ​​doorgaans uit verschillende materiaallagen die in een specifieke volgorde zijn gerangschikt om het elektrochemische proces te vergemakkelijken dat de batterij in staat stelt energie op te slaan en vrij te geven: anode, kathode, elektrolyt, scheider en stroomcollector.

Wat is anode?

Als onderdeel van de batterij speelt de anode een belangrijke rol in de capaciteit, prestaties en duurzaamheid van de batterij. Tijdens het opladen is de grafietanode verantwoordelijk voor het accepteren en opslaan van lithiumionen. Wanneer de batterij leeg is, verplaatsen de lithiumionen zich van de anode naar de kathode, waardoor er een elektrische stroom ontstaat. Over het algemeen is de meest voorkomende commercieel gebruikte anode grafiet, dat in zijn volledig gelithieerde toestand van LiC6 correleert met een maximale capaciteit van 1339 C/g (372 mAh/g). Maar met de ontwikkeling van technologieën is er onderzoek gedaan naar nieuwe materialen zoals silicium om de energiedichtheid voor lithium-ionbatterijen te verbeteren.

Wat is kathode?

Kathode werkt om positief geladen lithiumionen te accepteren en vrij te geven tijdens huidige cycli. Het bestaat meestal uit een gelaagde structuur van een gelaagd oxide (zoals lithiumkobaltoxide), een polyanion (zoals lithiumijzerfosfaat) of een spinel (zoals lithiummangaanoxide) gecoat op een ladingscollector (meestal gemaakt van aluminium). 

Wat is elektrolyt?

Als lithiumzout in een organisch oplosmiddel dient de elektrolyt als medium voor lithiumionen om tijdens het laden en ontladen tussen de anode en kathode te bewegen.

Wat is afscheider?

Als een dun membraan of een laag niet-geleidend materiaal werkt de separator om te voorkomen dat de anode (negatieve elektrode) en kathode (positieve elektrode) kortsluiting veroorzaken, aangezien deze laag doorlaatbaar is voor lithiumionen maar niet voor elektronen. Het kan ook zorgen voor een gestage stroom van ionen tussen de elektroden tijdens het opladen en ontladen. Daarom kan de batterij een stabiele spanning behouden en het risico op oververhitting, verbranding of explosie verminderen.

Wat is stroomafnemer?

De stroomcollector is ontworpen om de stroom te verzamelen die door de elektroden van de batterij wordt geproduceerd en deze naar het externe circuit te transporteren, wat belangrijk is om optimale prestaties en een lange levensduur van de batterij te garanderen. En meestal is het meestal gemaakt van een dunne plaat aluminium of koper.

3 De ontwikkelingsgeschiedenis van lithium-ionbatterijen

Onderzoek naar oplaadbare Li-ion-batterijen dateert uit de jaren zestig; een van de eerste voorbeelden is een CuF2/Li-batterij die door NASA is ontwikkeld in 1965 Toen de oliecrisis de wereld in de jaren zeventig trof, richtten onderzoekers hun aandacht op alternatieve energiebronnen, dus de doorbraak die de vroegste vorm van de moderne Li-ionbatterij voortbracht, werd gemaakt vanwege het lichte gewicht en de hoge energiedichtheid van lithium-ionbatterijen. Tegelijkertijd ontdekte Stanley Whittingham van Exxon dat lithiumionen in materialen zoals TiS2 konden worden ingebracht om een ​​oplaadbare batterij te creëren. 

Dus probeerde hij deze batterij op de markt te brengen, maar dat mislukte vanwege de hoge kosten en de aanwezigheid van metallisch lithium in de cellen. In 1980 bleek nieuw materiaal een hogere spanning te bieden en veel stabieler te zijn in de lucht, wat later zou worden gebruikt in de eerste commerciële Li-ion-batterij, hoewel het op zichzelf het hardnekkige probleem van ontvlambaarheid niet oploste. hetzelfde jaar vond Rachid Yazami de lithiumgrafietelektrode (anode) uit. En in 1991 kwamen 's werelds eerste oplaadbare lithium-ionbatterijen op de markt. In de jaren 2000 nam de vraag naar lithium-ionbatterijen toe naarmate draagbare elektronische apparaten populair werden, waardoor lithium-ionbatterijen veiliger en duurzamer werden. In 2010 werden elektrische voertuigen geïntroduceerd, waardoor een nieuwe markt voor lithium-ionbatterijen ontstond 

De ontwikkeling van nieuwe productieprocessen en materialen, zoals siliciumanodes en vaste-stofelektrolyten, bleef de prestaties en veiligheid van lithium-ionbatterijen verbeteren. Tegenwoordig zijn lithium-ionbatterijen essentieel geworden in ons dagelijks leven, dus het onderzoek en de ontwikkeling van nieuwe materialen en technologieën gaan door om de prestaties, efficiëntie en veiligheid van deze batterijen te verbeteren.

4. De soorten lithium-ionbatterijen

Lithium-ionbatterijen zijn er in verschillende soorten en maten, en ze zijn niet allemaal gelijk. Normaal gesproken zijn er vijf soorten lithium-ionbatterijen.

l Lithiumkobaltoxide

Lithiumkobaltoxidebatterijen worden vervaardigd uit lithiumcarbonaat en kobalt en worden ook wel lithiumkobaltaat- of lithium-ion-kobaltbatterijen genoemd Ze hebben een kobaltoxide-kathode en een grafiet-koolstofanode, en lithiumionen migreren van de anode naar de kathode tijdens het ontladen, waarbij de stroom omkeert wanneer de batterij wordt opgeladen. Wat de toepassing ervan betreft, ze worden gebruikt in draagbare elektronische apparaten, elektrische voertuigen en opslagsystemen voor hernieuwbare energie vanwege hun hoge specifieke energie, lage zelfontlading, hoge bedrijfsspanning en breed temperatuurbereik. Maar let op de veiligheidsproblemen die hiermee verband houden op het potentieel voor thermal runaway en instabiliteit bij hoge temperaturen.

l Lithiummangaanoxide

Lithiummangaanoxide (LiMn2O4) is een kathodemateriaal dat veel wordt gebruikt in lithium-ionbatterijen. De technologie voor dit soort batterijen werd voor het eerst ontdekt in de jaren tachtig, met de eerste publicatie in het Materials Research Bulletin in 1983. Een van de voordelen van LiMn2O4 is dat het een goede thermische stabiliteit heeft, wat betekent dat er minder kans is op thermische runaway, wat ook veiliger is dan andere typen lithium-ionbatterijen. Bovendien is mangaan overvloedig aanwezig en overal verkrijgbaar, waardoor het een duurzamere optie is vergeleken met kathodematerialen die beperkte hulpbronnen bevatten, zoals kobalt. Als gevolg hiervan worden ze vaak aangetroffen in medische apparatuur en apparaten, elektrisch gereedschap, elektrische motorfietsen en andere toepassingen. Ondanks de voordelen heeft LiMn2O4 een slechtere cyclusstabiliteit vergeleken met LiCoO2, wat betekent dat het mogelijk vaker moet worden vervangen, waardoor het mogelijk niet zo geschikt is voor energieopslagsystemen op de lange termijn.

l Lithium-ijzerfosfaat (LFP)

Fosfaat wordt gebruikt als kathode in lithium-ijzerfosfaatbatterijen, ook wel bekend als li-fosfaatbatterijen. Hun lage weerstand heeft hun thermische stabiliteit en veiligheid verbeterd Ze staan ​​ook bekend om hun duurzaamheid en lange levensduur, waardoor ze de meest kosteneffectieve optie zijn voor andere typen lithium-ionbatterijen. Daarom worden deze batterijen vaak gebruikt in elektrische fietsen en andere toepassingen die een lange levensduur en een hoog veiligheidsniveau vereisen Maar de nadelen ervan maken het moeilijk om zich snel te ontwikkelen. Ten eerste kosten ze, vergeleken met andere soorten lithium-ionbatterijen, meer omdat ze zeldzame en dure grondstoffen gebruiken. Bovendien hebben lithium-ijzerfosfaatbatterijen een lagere bedrijfsspanning, wat betekent dat ze mogelijk niet geschikt zijn voor sommige toepassingen die een hogere spanning vereisen. De langere oplaadtijd maakt het een nadeel bij toepassingen waarbij snel opladen vereist is.

l Lithium-nikkel-mangaan-kobaltoxide (NMC)

Lithium-nikkel-mangaan-kobaltoxide-batterijen, ook wel NMC-batterijen genoemd, zijn gemaakt van een verscheidenheid aan materialen die universeel zijn in lithium-ionbatterijen. Er wordt een kathode meegeleverd die is opgebouwd uit een mengsel van nikkel, mangaan en kobalt De hoge energiedichtheid, goede fietsprestaties en een lange levensduur hebben ervoor gezorgd dat het de eerste keuze is geworden op het gebied van elektrische voertuigen, netwerkopslagsystemen en andere hoogwaardige toepassingen, wat verder heeft bijgedragen aan de groeiende populariteit van elektrische voertuigen en duurzame energiesystemen. Om de capaciteit te vergroten, worden nieuwe elektrolyten en additieven gebruikt om te kunnen opladen tot 4,4 V/cel en hoger. Er is een trend richting NMC-gemengde Li-ion, omdat het systeem kosteneffectief is en goede prestaties levert. Nikkel, mangaan en kobalt zijn drie actieve materialen die gemakkelijk kunnen worden gecombineerd voor een breed scala aan toepassingen in de auto- en energieopslagsystemen (EES) die regelmatig moeten worden gefietst.

 Hieruit kunnen we zien dat de NMC-familie diverser wordt

De bijwerkingen van thermische runaway, brandgevaar en milieuproblemen kunnen echter de verdere ontwikkeling ervan belemmeren.

l Lithiumtitanaat

Lithiumtitanaat, ook wel bekend als li-titanaat, is een type batterij dat steeds vaker wordt gebruikt. Vanwege zijn superieure nanotechnologie kan hij snel opladen en ontladen met behoud van een stabiele spanning, waardoor hij zeer geschikt is voor toepassingen met hoog vermogen, zoals elektrische voertuigen, commerciële en industriële energieopslagsystemen en opslag op netniveau. Samen met hun veiligheid en betrouwbaarheid kunnen deze batterijen worden gebruikt voor militaire en ruimtevaarttoepassingen, maar ook voor de opslag van wind- en zonne-energie en de aanleg van slimme netwerken. Bovendien zouden deze batterijen volgens Battery Space kunnen worden gebruikt in systeemkritieke back-ups van het energiesysteem Niettemin zijn lithiumtitanaatbatterijen doorgaans duurder dan traditionele lithium-ionbatterijen vanwege het complexe fabricageproces dat nodig is om ze te produceren.

5. De ontwikkelingstrends van lithiumionbatterijen

De mondiale groei van installaties voor hernieuwbare energie heeft de intermitterende energieproductie doen toenemen, waardoor een onevenwichtig elektriciteitsnet is ontstaan. Dit heeft geleid tot een vraag naar batterijen. Terwijl de focus op nul CO2-uitstoot en de noodzaak om af te stappen van fossiele brandstoffen, namelijk steenkool, voor de energieproductie steeds meer regeringen ertoe aanzetten zonne- en windenergie-installaties te stimuleren. Deze installaties lenen zich voor batterijopslagsystemen die overtollige opgewekte energie opslaan. Daarom stimuleren overheidsprikkels om de installatie van Li-ion-batterijen te stimuleren ook de ontwikkeling van lithium-ionbatterijen Zo wordt bijvoorbeeld verwacht dat de mondiale marktomvang van NMC Lithium-Ion Batterijen zal groeien van miljoen dollar in 2022 naar miljoen dollar in 2029; Er wordt verwacht dat het tussen 2023 en 2023 zal groeien met een CAGR van% 2029  En door de toenemende behoeften van toepassingen die zware belastingen vereisen, wordt verwacht dat lithium-ionbatterijen van 3000-10.000 stuks het snelst groeiende segment zullen worden tijdens de prognoseperiode (2022-2030).

6 De investeringsanalyse van lithium-ionbatterijen

De markt voor lithium-ionbatterijen zal naar verwachting groeien van 51,16 miljard dollar in 2022 naar 118,15 miljard dollar in 2030, met een samengesteld jaarlijks groeipercentage van 4,72% tijdens de prognoseperiode (2022-2030), wat afhankelijk is van verschillende factoren.

l Eindgebruikersanalyse

Installaties in de nutssector zijn belangrijke aanjagers van batterij-energieopslagsystemen (BESS). Dit segment zal naar verwachting groeien van $2,25 miljard in 2021 naar $5,99 miljard in 2030, bij een CAGR van 11,5%.  Li-ionbatterijen laten een hogere CAGR van 34,4% zien vanwege hun lage groeibasis. Residentiële en commerciële energieopslagsegmenten zijn andere gebieden met een groot marktpotentieel van $5,51 miljard in 2030, tegen $1,68 miljard in 2021. De industriële sector zet zijn opmars naar nul CO2-uitstoot voort, waarbij bedrijven in de komende twintig jaar netto-nulbeloften doen. Telecom- en datacenterbedrijven lopen voorop bij het terugdringen van de CO2-uitstoot, met een grotere focus op duurzame energiebronnen Dit alles zal de snelle ontwikkeling van  lithium-ionbatterijen nu bedrijven manieren vinden om betrouwbare back-up en netbalancering te garanderen.

l Producttypeanalyse

Vanwege de hoge prijs van kobalt is kobaltvrije batterij een van de ontwikkelingstrends van lithium-ionbatterijen. Hoogspanning LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) met hoge theoretische energiedichtheid is een van de meest veelbelovende Co-vrije kathodematerialen op de markt. Verder bewezen de experimentele resultaten dat de fiets- en C-snelheidsprestaties van de LNMO-batterij worden verbeterd door gebruik te maken van de halfvaste elektrolyt. Er kan worden voorgesteld dat de anionische COF in staat is om de Mn3+/Mn2+ en Ni2+ sterk te absorberen via Coulomb-interactie, waardoor hun destructieve migratie naar de anode wordt beperkt. Daarom zal dit werk gunstig zijn voor de commercialisering van LNMO-kathodemateriaal.

l Regionale analyse

Azië-Pacific zal in 2030 de grootste markt voor stationaire lithium-ionbatterijen zijn, aangedreven door nutsbedrijven en industrieën. Het zal Noord-Amerika en Europa inhalen met een markt van 7,07 miljard dollar in 2030, en zal groeien van 1,24 miljard dollar in 2021 tot een CAGR van 21,3%. Noord-Amerika en Europa zullen de volgende grootste markten zijn vanwege hun doelstellingen om hun economieën en elektriciteitsnetwerk de komende twintig jaar koolstofvrij te maken. LATAM zal het hoogste groeipercentage zien met een CAGR van 21,4% vanwege zijn kleinere omvang en lage basis.

7 Dingen om te overwegen voor hoogwaardige lithium-ionbatterijen

Bij het kopen van een optische omvormer voor zonne-energie moet niet alleen rekening worden gehouden met de prijs en kwaliteit, maar ook met andere factoren.

l Energiedichtheid

De energiedichtheid is de hoeveelheid energie die per volume-eenheid wordt opgeslagen. Een hogere energiedichtheid met minder gewicht en afmetingen is groter tussen oplaadcycli.

ik  Veiligheid

Veiligheid is een ander cruciaal aspect van lithium-ionbatterijen, aangezien explosies en branden kunnen optreden tijdens het opladen of ontladen. Het is dus noodzakelijk om batterijen te kiezen met verbeterde veiligheidsmechanismen, zoals temperatuursensoren en remmende stoffen.

lTyp

Een van de nieuwste trends in de lithium-ionbatterijindustrie is de ontwikkeling van solid-state batterijen, die een reeks voordelen bieden, zoals een hogere energiedichtheid en een langere levensduur. Het gebruik van solid-state batterijen in elektrische auto’s zal bijvoorbeeld de actieradius en de veiligheid ervan aanzienlijk vergroten.

l Laadsnelheid

De oplaadsnelheid hangt af van hoe snel de batterij veilig wordt opgeladen. Soms duurt het lang voordat de batterij is opgeladen voordat deze kan worden gebruikt.

l Levensduur

 Geen enkele batterij gaat de hele levensduur mee, maar heeft wel een vervaldatum. Controleer de vervaldatum voordat u tot aankoop overgaat. Lithium-ionbatterijen hebben een inherent langere levensduur vanwege de chemie, maar elke batterij verschilt van elkaar, afhankelijk van het type, de specificaties en de manier waarop ze zijn gemaakt. Batterijen van hoge kwaliteit gaan langer mee, omdat ze van binnenuit van fijne materialen zijn gemaakt.