Wat zijn lithium-ionbatterijen?

1. Wat zijn lithium-ionbatterijen?

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

2. De structuur van lithium-ionbatterijen

Over het algemeen gebruiken de meeste commerciële Li-ionbatterijen intercalatieverbindingen actieve materialen. Ze bestaan ​​doorgaans uit meerdere lagen materiaal gerangschikt in een specifieke volgorde om het elektrochemische proces te vergemakkelijken zorgt ervoor dat de batterij energie kan opslaan en vrijgeven - anode, kathode, elektrolyt, scheider en stroomafnemer.

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 aanwezig verantwoordelijk voor het accepteren en opslaan van lithiumionen. Wanneer de batterij is ontladen, bewegen de lithiumionen van de anode naar de kathode, zodat een er ontstaat elektrische stroom. Over het algemeen de meest voorkomende commercieel gebruikte anode is grafiet, dat in zijn volledig gelithieerde toestand van LiC6 met een maximum correleert capaciteit van 1339 C/g (372 mAh/g). Maar met de ontwikkeling van technologieën, nieuw Er is onderzoek gedaan naar materialen zoals silicium om de energiedichtheden te verbeteren voor lithium-ionbatterijen.

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 zodat lithiumionen tijdens het opladen tussen de anode en kathode kunnen bewegen ontladen.

Wat is afscheider?

Als een dun membraan of laag niet-geleidend materiaal werkt de separator voorkomen dat de anode (negatieve elektrode) en kathode (positieve elektrode) worden beschadigd kortsluiting, omdat 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 verminderen het risico van oververhitting, verbranding of explosie.

Wat is stroomafnemer?

De stroomcollector is ontworpen om de stroom te verzamelen die wordt geproduceerd door de de elektroden van de batterij en transporteert deze naar het externe circuit belangrijk 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 Het vroegste voorbeeld is een CuF2/Li-batterij, ontwikkeld door NASA in 1965. En oliecrisis in de jaren zeventig de wereld bereikten, richtten onderzoekers hun aandacht op alternatieven energiebronnen, dus de doorbraak die de vroegste vorm van de voortbracht moderne Li-ion batterij is gemaakt vanwege het lichte gewicht en de hoge energie dichtheid van lithium-ionbatterijen. Tegelijkertijd Stanley Whittingham van Exxon ontdekte dat lithiumionen in materialen zoals TiS2 konden worden ingebracht maak een oplaadbare batterij 

Dus probeerde hij deze batterij op de markt te brengen, maar 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 meer stabiel in de lucht, die later zou worden gebruikt in de eerste commerciële Li-ion-batterij, hoewel het op zichzelf het hardnekkige probleem niet kon oplossen ontvlambaarheid. In hetzelfde jaar vond Rachid Yazami het lithiumgrafiet uit elektrode (anode). En toen, in 1991, 's werelds eerste oplaadbare lithium-ion batterijen op de markt kwamen 

In de jaren 2000 nam de vraag naar lithium-ion toe batterijen namen toe naarmate draagbare elektronische apparaten, die rijden, populair werden lithium-ionbatterijen zijn veiliger en duurzamer. Elektrische voertuigen waren dat wel geïntroduceerd in 2010, waardoor een nieuwe markt voor lithium-ionbatterijen ontstond. De ontwikkeling van nieuwe productieprocessen en materialen, zoals siliciumanodes en elektrolyten in vaste toestand, bleven de prestaties en veiligheid van verbeteren lithium-ionbatterijen. Tegenwoordig zijn lithium-ionbatterijen essentieel geworden ons dagelijks leven, dus het onderzoek en de ontwikkeling van nieuwe materialen en Er worden voortdurend technologieën ontwikkeld om de prestaties, efficiëntie en veiligheid van machines te verbeteren deze batterijen.

4. De soorten lithium-ionbatterijen

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

l Lithiumkobaltoxide

Lithiumkobaltoxidebatterijen worden vervaardigd uit lithiumcarbonaat en kobalt en zijn ook bekend als lithiumkobaltaat- of lithium-ion-kobaltbatterijen. Ze hebben een kobaltoxide-kathode en een grafiet-koolstofanode en lithiumionen migreren van de anode naar de kathode tijdens de ontlading, waarbij de stroom omkeert wanneer de batterij is opgeladen. Wat de toepassing ervan betreft, ze worden draagbaar gebruikt elektronische apparaten, elektrische voertuigen en opslagsystemen voor hernieuwbare energie vanwege hun hoge specifieke energie, lage zelfontlading en hoge werking spanning en een breed temperatuurbereik. Maar let op de veiligheidsproblemen gerelateerd aan het potentieel voor thermische overstroming en instabiliteit op hoge hoogte temperaturen.

l Lithiummangaanoxide

Lithiummangaanoxide (LiMn2O4) is een kathodemateriaal dat veel wordt gebruikt in lithium-ionbatterijen. De technologie voor dit soort batterijen was aanvankelijk ontdekt in de jaren tachtig, met de eerste publicatie in Materials Research Bulletin uit 1983. Een van de voordelen van LiMn2O4 is dat het een goede thermische werking heeft stabiliteit, wat betekent dat het minder waarschijnlijk is dat er sprake is van een thermische runaway zijn ook veiliger dan andere typen lithium-ionbatterijen. Bovendien is mangaan dat wel overvloedig en overal verkrijgbaar, waardoor het een duurzamere optie is tot kathodematerialen die beperkte hulpbronnen bevatten, zoals kobalt. Als gevolg hiervan ze worden vaak aangetroffen in medische apparatuur en apparaten, elektrisch gereedschap, elektrisch gereedschap motorfietsen en andere toepassingen. Ondanks de voordelen is LiMn2O4 armer cyclische stabiliteit vergeleken met LiCoO2, wat betekent dat er mogelijk meer nodig is frequente vervanging, dus het is mogelijk niet zo geschikt voor energieopslag op de lange termijn systemen.

l Lithium-ijzerfosfaat (LFP)

Fosfaat wordt vaak gebruikt als kathode in lithium-ijzerfosfaatbatterijen bekend als li-fosfaatbatterijen. Hun lage weerstand heeft hun thermische eigenschappen verbeterd stabiliteit en veiligheid. Ze staan ​​ook bekend om hun duurzaamheid en een lange levensduur, waardoor ze de meest kosteneffectieve optie zijn voor andere soorten lithium-ion batterijen. Deze accu’s worden dan ook veel 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 vergeleken met andere typen lithium-ionbatterijen kosten meer omdat ze zeldzame en dure grondstoffen. Bovendien hebben lithium-ijzerfosfaatbatterijen een lagere bedrijfsspanning, wat betekent dat ze voor sommigen misschien niet geschikt zijn 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 bekend als NMC batterijen, zijn gemaakt van een verscheidenheid aan materialen die universeel zijn lithium-ionbatterijen. Een kathode opgebouwd uit een mengsel van nikkel, mangaan en kobalt is inbegrepen. De hoge energiedichtheid, goede fietsprestaties en een Dankzij de lange levensduur is het de eerste keuze geworden op het gebied van elektrische voertuigen en netopslag systemen en andere krachtige toepassingen, wat verder heeft bijgedragen aan de groeiende populariteit van elektrische voertuigen en duurzame energiesystemen. Naar Om de capaciteit te vergroten, worden nieuwe elektrolyten en additieven gebruikt om dit mogelijk te maken opladen tot 4,4 V/cel en hoger 

Sindsdien is er een trend in de richting van NMC-gemengde Li-ion het systeem is kosteneffectief en levert goede prestaties. Nikkel, mangaan, en kobalt zijn drie actieve materialen die gemakkelijk kunnen worden gecombineerd voor een brede toepassing scala aan toepassingen in de automobiel- en energieopslagsystemen (EES) die dit vereisen veelvuldig fietsen. Waaruit we kunnen zien dat de NMC-familie steeds meer wordt divers Echter, de bijwerkingen van thermische runaway, brandgevaar en milieu zorgen kunnen de verdere ontwikkeling ervan belemmeren.

l Lithiumtitanaat

Lithiumtitanaat, ook wel bekend als li-titanaat, is een type batterij met een groeiend aantal toepassingen. Dankzij zijn superieure nanotechnologie is het daartoe in staat snel opladen en ontladen met behoud van een stabiele spanning, waardoor deze wordt opgeladen zeer geschikt voor toepassingen met hoog vermogen, zoals elektrische voertuigen, commerciële voertuigen en industriële energieopslagsystemen, en opslag op netniveau 

Samen met zijn veiligheid en betrouwbaarheid zouden deze batterijen kunnen worden gebruikt voor het leger en de ruimtevaart toepassingen, maar ook het opslaan van wind- en zonne-energie en het slim bouwen roosters. Bovendien zouden deze batterijen volgens Battery Space dat wel eens kunnen zijn gebruikt in systeemkritische back-ups van het energiesysteem. Niettemin, lithiumtitanaat Batterijen zijn doorgaans duurder dan traditionele lithium-ionbatterijen aan het complexe fabricageproces dat nodig is om ze te produceren.

5. De ontwikkelingstrends van lithiumionbatterijen

De mondiale groei van installaties voor hernieuwbare energie is toegenomen intermitterende energieproductie, waardoor een onevenwichtig elektriciteitsnet ontstaat. Dit heeft geleid tot een vraag naar batterijen.terwijl de focus ligt op nul CO2-uitstoot en de noodzaak om in beweging te komen weg van fossiele brandstoffen, namelijk steenkool, voor de productie van energie vraagt ​​om meer overheden om zonne- en windenergie-installaties te stimuleren. Deze installaties lenen zich voor batterijopslagsystemen die overtollige stroom opslaan gegenereerd 

Daarom stimuleert de overheid om Li-ion-batterijen te stimuleren installaties stimuleren ook de ontwikkeling van lithiumionbatterijen. Bijvoorbeeld, De mondiale marktomvang van NMC Lithium-Ion Batterijen zal naar verwachting groeien van US$ miljoen in 2022 tot miljoen dollar in 2029; er wordt verwacht dat het zal groeien met een CAGR van% van 2023 tot 2029. En de toenemende behoeften van veeleisende toepassingen Er wordt verwacht dat lithium-ionbatterijen van 3000-10.000 de snelste zullen zijn groeiend segment tijdens de prognoseperiode (2022-2030).

6. De investeringsanalyse van lithium-ionbatterijen

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

l Eindgebruikersanalyse

Installaties in de nutssector zijn belangrijke drijfveren voor de opslag van batterij-energie systemen (BESS). Dit segment zal naar verwachting groeien van 2,25 miljard dollar in 2021 naar 2,25 miljard dollar $5,99 miljard in 2030 bij een CAGR van 11,5%. Li-ionbatterijen laten een hogere 34,4% zien CAGR vanwege hun lage groeibasis. Energieopslag voor woningen en bedrijven segmenten zijn andere gebieden met een groot marktpotentieel van $5,51 miljard in 2030, van $ 1,68 miljard in 2021. De industriële sector zet zijn opmars voort nul CO2-uitstoot, waarbij bedrijven in de komende twee jaar netto-nulbeloftes zullen doen decennia. Telecom- en datacenterbedrijven lopen voorop bij het terugdringen CO2-uitstoot met een grotere nadruk op hernieuwbare energiebronnen. Alle waarvan de snelle ontwikkeling van lithium-ionbatterijen zal bevorderen bedrijven vinden manieren om betrouwbare back-up en netbalancering te garanderen.

l Producttypeanalyse

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

l Regionale analyse

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

7. Dingen om te overwegen voor hoogwaardige lithium-ionbatterijen

Bij het kopen van een optische omvormer voor zonne-energie moeten niet alleen de prijs en de kwaliteit belangrijk zijn overwogen, moeten ook andere factoren in gedachten worden gehouden.

l Energiedichtheid

De energiedichtheid is de hoeveelheid energie die per volume-eenheid wordt opgeslagen. Hoger de energiedichtheid met minder gewicht en afmetingen is groter tussen het opladen cycli.

Veiligheid

Veiligheid is een ander cruciaal aspect van lithium-ionbatterijen sinds explosies en branden die kunnen ontstaan ​​tijdens het opladen of ontladen, dus het is noodzakelijk om dat te doen kies batterijen 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 hogere energiedichtheid en een langere levenscyclus. Het gebruik van bijvoorbeeld Solid State-batterijen in elektrische auto's zullen hun actieradius aanzienlijk vergroten vermogen en veiligheid.

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 datum voordat u de aankoop doet. Lithium-ionbatterijen hebben een inherent langere levensduur levensduur vanwege de chemie, maar elke batterij verschilt afhankelijk van elkaar het type, de specificaties en de manier waarop ze zijn gemaakt. Batterijen van hoge kwaliteit zullen dat wel doen gaan langer mee omdat ze van binnen gemaakt zijn van fijne materialen.