Hva er litiumionbatterier?

1. Hva er litiumionbatterier?

Et batteri er en elektrisk kraftkilde som består av en eller flere elektrokjemiske celler med eksterne tilkoblinger for å drive elektriske enheter. Et litium-ion- eller Li-ion-batteri er en type oppladbart batteri som bruker reversibel reduksjon av litiumioner for å lagre energi og er kjent for deres høye energitetthet.

2. Strukturen til litiumionbatterier

Vanligvis bruker de fleste kommersielle Li-ion-batterier interkaleringsforbindelser som aktive materialer. De består typisk av flere lag med materialer som er arrangert i en bestemt rekkefølge for å lette den elektrokjemiske prosessen som gjør det mulig for batteriet å lagre og frigjøre energi - anode, katode, elektrolytt, separator og strømkollektor.

Hva er anode?

Som en komponent av batteriet spiller anode en viktig rolle i kapasiteten, ytelse og holdbarhet til batteriet. Ved lading er grafittanoden ansvarlig for å motta og lagre litiumioner. Når batteriet er utladet, beveger litiumionene seg fra anoden til katoden slik at en elektrisk strøm dannes. Generelt den mest vanlige kommersielt brukte anoden er grafitt, som i sin fullstendig lithierte tilstand av LiC6 korrelerer til et maksimum kapasitet på 1339 C/g (372 mAh/g). Men med utviklingen av teknologier, nye materialer som silisium har blitt forsket på for å forbedre energitetthetene for litium-ion-batterier.

Hva er katode?

Katoden arbeider for å akseptere og frigjøre positivt ladede litiumioner under nåværende sykluser. Den består vanligvis av en lagdelt struktur av et lagdelt oksid (som litiumkoboltoksid), et polyanion (som litiumjernfosfat) eller en spinell (som litiummanganoksid) belagt på en ladningssamler (vanligvis laget av aluminium).

Hva er elektrolytt?

Som et litiumsalt i et organisk løsningsmiddel fungerer elektrolytten som et medium for litiumioner å bevege seg mellom anoden og katoden under lading og utladning.

Hva er separator?

Som en tynn membran eller lag av ikke-ledende materiale, fungerer separator til hindre anoden (negativ elektrode) og katoden (positiv elektrode) fra kortslutning, siden dette laget er permeabelt for litiumioner, men ikke for elektroner. Den kan også sikre jevn flyt av ioner mellom elektrodene under lading og utladning. Derfor kan batteriet opprettholde en stabil spenning og redusere risikoen for overoppheting, forbrenning eller eksplosjon.

Hva er nåværende samler?

Strømkollektor er designet for å samle strømmen produsert av batteriets elektroder og transporterer det til den eksterne kretsen, som er viktig for å sikre optimal ytelse og levetid på batteriet. Og vanligvis er det vanligvis laget av et tynt ark av aluminium eller kobber.

3. Utviklingshistorien til litiumionbatterier

Forskning på oppladbare Li-ion-batterier dateres til 1960-tallet, en av de De tidligste eksemplene er et CuF2/Li-batteri utviklet av NASA i 1965. Og oljekrisen rammet verden på 1970-tallet, vendte forskere oppmerksomheten mot alternative energikilder, så gjennombruddet som produserte den tidligste formen for moderne Li-ion-batteri ble laget på grunn av den lette vekten og høye energien tetthet av litiumion-batterier. Samtidig Stanley Whittingham fra Exxon oppdaget at litiumioner kunne settes inn i materialer som TiS2 til lage et oppladbart batteri 

Så han prøvde å kommersialisere dette batteriet men mislyktes på grunn av de høye kostnadene og tilstedeværelsen av metallisk litium i cellene. I 1980 ble det funnet at nytt materiale ga høyere spenning og var mye mer stabil i luft, som senere skulle brukes i det første kommersielle Li-ion-batteriet, selv om det ikke på egen hånd løste det vedvarende problemet med brennbarhet. Samme år oppfant Rachid Yazami litiumgrafitten elektrode (anode). Og så i 1991, verdens første oppladbare litium-ion batterier begynte å komme inn på markedet 

På 2000-tallet, etterspørselen etter litium-ion batteriene økte etter hvert som bærbare elektroniske enheter ble populære, som driver litiumion-batterier for å være tryggere og mer holdbare. Elektriske kjøretøy var introdusert på 2010-tallet, noe som skapte et nytt marked for litium-ion-batterier. De utvikling av nye produksjonsprosesser og materialer, som silisiumanoder og solid-state elektrolytter, fortsatte å forbedre ytelsen og sikkerheten til litium-ion-batterier. I dag har litium-ion-batterier blitt essensielle i vårt daglige liv, så forskning og utvikling av nye materialer og teknologier pågår for å forbedre ytelsen, effektiviteten og sikkerheten til disse batteriene.

4.Typene litiumionbatterier

Litium-ion-batterier kommer i en rekke former og størrelser, og ikke alle de er likestilt. Normalt er det fem typer litium-ion-batterier.

l Litiumkoboltoksid

Litium-koboltoksid-batterier er produsert av litiumkarbonat og kobolt og er også kjent som litiumkoboltat- eller litium-ion-koboltbatterier. De har en koboltoksidkatode og en grafittkarbonanode, og litiumioner migrere fra anoden til katoden under utladning, med strømmen reverserende når batteriet er ladet. Når det gjelder bruken, brukes de i bærbare elektroniske enheter, elektriske kjøretøy og lagringssystemer for fornybar energi på grunn av deres høye spesifikke energi, lave selvutladningshastighet, høye drift spenning og bredt temperaturområde. Men vær oppmerksom på sikkerhetshensyn relatert til potensialet for termisk løping og ustabilitet ved høy temperaturer.

l Litium-manganoksid

Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4) er et katodemateriale som ofte brukes i litium-ion-batterier. Teknologien for denne typen batteri var opprinnelig oppdaget på 1980-tallet, med den første publikasjonen i Materials Research Bulletin i 1983. En av fordelene med LiMn2O4 er at den har god varme stabilitet, noe som betyr at det er mindre sannsynlighet for å oppleve termisk løping, som er også sikrere enn andre litium-ion batterityper. I tillegg er mangan rikelig og allment tilgjengelig, noe som gjør det til et mer bærekraftig alternativ sammenlignet til katodematerialer som inneholder begrensede ressurser som kobolt. Som et resultat, de finnes ofte i medisinsk utstyr og utstyr, elektroverktøy, elektrisk motorsykler og andre applikasjoner. Til tross for fordelene er LiMn2O4 dårligere sykkelstabilitet sammenlignet med LiCoO2, noe som betyr at det kan kreve mer hyppig utskifting, så den er kanskje ikke like egnet for langtidslagring av energi systemer.

l Litiumjernfosfat (LFP)

Fosfat brukes ofte som katode i litiumjernfosfatbatterier kjent som li-fosfat-batterier. Deres lave motstand har forbedret deres termiske stabilitet og sikkerhet. De er også kjent for holdbarhet og lang livssyklus, som gjør dem til det mest kostnadseffektive alternativet til andre typer litium-ion batterier. Følgelig brukes disse batteriene ofte i elektriske sykler og andre applikasjoner som krever lang livssyklus og høye sikkerhetsnivåer. Men dens ulemper gjør det vanskelig å utvikle seg raskt. For det første sammenlignet med andre typer litium-ion-batterier, de koster mer fordi de bruker sjeldne og dyre råvarer. I tillegg har litiumjernfosfatbatterier en lavere driftsspenning, noe som betyr at de kanskje ikke passer for noen applikasjoner som krever høyere spenning. Den lengre ladetiden gjør den til en ulempe i applikasjoner som krever rask opplading.

l Litium-nikkel-mangan-koboltoksid (NMC)

Litium nikkel mangan koboltoksid batterier, ofte kjent som NMC batterier, er konstruert av en rekke materialer som er universelle i litium-ion-batterier. En katode konstruert av en blanding av nikkel, mangan og kobolt er inkludert. Dens høye energitetthet, gode sykkelytelse og en lang levetid har gjort det til førstevalget innen elektriske kjøretøy, nettlagring systemer og andre høyytelsesapplikasjoner, noe som har bidratt ytterligere til den økende populariteten til elektriske kjøretøy og fornybare energisystemer. Til øke kapasiteten, nye elektrolytter og tilsetningsstoffer brukes for å gjøre det mulig lade til 4,4V/celle og høyere 

Det er en trend mot NMC-blandet Li-ion siden systemet er kostnadseffektivt og gir god ytelse. nikkel, mangan, og kobolt er tre aktive materialer som lett kan kombineres for å passe til en bred rekke applikasjoner for bil- og energilagringssystemer (EES) som krever hyppig sykling. Som vi kan se at NMC-familien blir flere mangfoldig Men dens bivirkninger av termisk løping, brannfare og miljø bekymringer kan hemme den videre utviklingen.

l Litiumtitanat

Litiumtitanat, ofte kjent som li-titanat, er en type batteri som har en økende antall bruksområder. På grunn av sin overlegne nanoteknologi er den i stand til det raskt lade og utlade mens du opprettholder en stabil spenning, noe som gjør det godt egnet for bruk med høy effekt som elektriske kjøretøy, kommersielle og industrielle energilagringssystemer, og lagring på nettnivå 

Sammen med sin sikkerhet og pålitelighet, kan disse batteriene brukes til militær og romfart applikasjoner, samt lagring av vind- og solenergi og konstruksjon av smart rutenett. Videre, ifølge Battery Space, kan disse batteriene være det ansatt i systemkritiske sikkerhetskopier av kraftsystem. Likevel litiumtitanat batterier pleier å være dyrere enn tradisjonelle litium-ion-batterier pga til den komplekse produksjonsprosessen som kreves for å produsere dem.

5. Utviklingstrendene for litiumionbatterier

Den globale veksten av installasjoner for fornybar energi har økt intermitterende energiproduksjon, og skaper et ubalansert nett. Dette har ført til en etterspørsel etter batterier. mens fokus på null karbonutslipp og behov for å flytte vekk fra fossilt brensel, nemlig kull, for kraftproduksjon krever mer regjeringer til å stimulere sol- og vindkraftinstallasjoner. Disse installasjoner egner seg til batterilagringssystemer som lagrer overflødig strøm generert 

Derfor offentlige insentiver til å stimulere Li-ion batteri installasjoner driver også utviklingen av litiumionbatterier. For eksempel den globale NMC Lithium-Ion Batteries markedsstørrelse er anslått å vokse fra USD millioner i 2022 til millioner dollar i 2029; det forventes å vokse med en CAGR på % fra 2023 til 2029. Og de økende behovene til applikasjoner som krever tungt belastninger er anslått å gjøre litiumionbatterier på 3000-10000 de raskeste voksende segment i prognoseperioden (2022-2030).

6. Investeringsanalysen av litiumionbatterier

Markedsindustrien for litiumionbatterier anslås å vokse fra USD 51,16 milliarder i 2022 til 118,15 milliarder USD innen 2030, som viser en sammensatt årlig vekstrate på 4,72 % i prognoseperioden (2022-2030), som avhenger av flere faktorer.

l Sluttbrukeranalyse

Installasjoner i forsyningssektoren er nøkkeldrivere for lagring av batterienergi systemer (BESS). Dette segmentet forventes å vokse fra 2,25 milliarder dollar i 2021 til 5,99 milliarder dollar i 2030 med en CAGR på 11,5 %. Li-ion-batterier viser en høyere 34,4 % CAGR på grunn av deres lave vekstbase. Bolig og kommersiell energilagring segmenter er andre områder med stort markedspotensial på 5,51 milliarder dollar i 2030, fra 1,68 milliarder dollar i 2021. Industrisektoren fortsetter sin marsj mot null karbonutslipp, med selskaper som gir netto-null løfter i de neste to tiår. Telekom- og datasenterselskaper er i forkant med å redusere karbonutslipp med økt fokus på fornybare energikilder. Alle som vil fremme den raske utviklingen av litium-ion-batterier som selskaper finner måter å sikre pålitelig backup og nettbalansering.

l Produkttypeanalyse

På grunn av den høye prisen på kobolt, er koboltfritt batteri en av de utviklingstrender for litium-ion-batterier. Høyspent LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) med høy teoretisk energitetthet er en av de mest lovende Co-free katodematerialer i det videre. Videre viste de eksperimentelle resultatene det syklingen og C-rate-ytelsen til LNMO-batteriet forbedres ved å bruke halvfast elektrolytt. Dette kan foreslås at den anioniske COF er i stand til absorberer sterkt Mn3+/Mn2+ og Ni2+ gjennom Coulomb-interaksjon, begrense deres destruktive migrasjon til anoden. Derfor vil dette arbeidet være fordelaktig for kommersialiseringen av LNMO-katodemateriale.

l Regional analyse

Asia-Pacific vil være det største markedet for stasjonære litiumionbatterier 2030, drevet av verktøy og industrier. Den vil innhente Nord-Amerika og Europa med et marked på 7,07 milliarder dollar i 2030, en vekst fra 1,24 milliarder dollar i 2021 med en CAGR på 21,3 %. Nord-Amerika og Europa blir de nest største markeder på grunn av deres mål om å dekarbonisere deres økonomier og nett i løpet av neste to tiår. LATAM vil se den høyeste vekstraten med en CAGR på 21,4 % pga av sin mindre størrelse og lave base.

7. Ting å vurdere for høykvalitets litiumionbatterier

Når du kjøper en optisk solcelle-inverter, må ikke bare prisen og kvaliteten være tatt i betraktning, bør andre faktorer også huskes.

l Energitetthet

Energitettheten er mengden energi som er lagret per volumenhet. Høyere energitetthet med mindre vekt og størrelse er mer omfattende mellom lading sykluser.

l Sikkerhet

Sikkerhet er et annet kritisk aspekt ved litium-ion-batterier siden eksplosjoner og branner som kan oppstå under lading eller utlading, så det er nødvendig å velg batterier med forbedrede sikkerhetsmekanismer, for eksempel temperatursensorer og hemmende stoffer.

l Type

En av de siste trendene i litium-ion batteriindustrien er utvikling av solid-state batterier, som gir en rekke fordeler som f.eks høyere energitetthet og lengre livssyklus. For eksempel bruk av solid-state-batterier i elbiler vil øke rekkevidden betraktelig kapasitet og sikkerhet.

l Ladehastighet

Ladehastigheten avhenger av hvor raskt batteriet lades trygt. Noen ganger tar batteriet lang tid å lade før de kan brukes.

l Levetid

Ingen batterier går i hele levetiden, men har en utløpsdato. Sjekk utløpet dato før kjøpet. Lithium-ion-batterier har en iboende lengre levetid på grunn av kjemien, men hvert batteri skiller seg fra hverandre avhengig av typen, spesifikasjonene og måten de er laget på. Batterier av høy kvalitet vil varer lenger siden de er laget av fine materialer innvendig.