Ce sunt bateriile litiu-ion?

1. Ce sunt bateriile litiu-ion?

O baterie este o sursă de energie electrică formată din una sau mai multe celule electrochimice cu conexiuni externe pentru alimentarea dispozitivelor electrice. O baterie litiu-ion sau Li-ion este un tip de baterie reîncărcabilă care utilizează reducerea reversibilă a ionilor de litiu pentru a stoca energie și este renumită înaltul lor densitatea energetică.

2. Structura bateriilor litiu-ion

În general, majoritatea bateriilor comerciale Li-ion folosesc compuși de intercalare ca materiale active. Ele constau de obicei din mai multe straturi de materiale care sunt dispuse într-o anumită ordine pentru a facilita procesul electrochimic care permite bateriei să stocheze și să elibereze energie - anodul, catod, electrolit, separator și colector de curent.

Ce este anodul?

Ca componentă a bateriei, anodul joacă un rol important în capacitatea, performanța și durabilitatea bateriei. La încărcare, anodul de grafit este responsabil pentru acceptarea și stocarea ionilor de litiu. Când bateria este descărcați, ionii de litiu se deplasează de la anod la catod astfel încât an se creează curent electric. În general, cel mai comun anod utilizat comercial este grafitul, care în starea sa complet litiată de LiC6 se corelează cu un maxim capacitate de 1339 C/g (372 mAh/g). Dar odată cu dezvoltarea tehnologiilor, noi materiale precum siliciul au fost cercetate pentru a îmbunătăți densitățile energetice pentru baterii litiu-ion.

Ce este catodul?

Cathode lucrează pentru a accepta și elibera ionii de litiu încărcați pozitiv în timpul cicluri curente. De obicei constă dintr-o structură stratificată a unui oxid stratificat (cum ar fi oxidul de litiu cobalt), un polianion (cum ar fi fosfatul de litiu de fier) ​​sau un spinel (cum ar fi oxidul de litiu mangan) acoperit pe un colector de sarcină (de obicei din aluminiu).

Ce este electrolitul?

Ca sare de litiu într-un solvent organic, electrolitul servește ca mediu pentru ca ionii de litiu să se deplaseze între anod și catod în timpul încărcării și descarcare.

Ce este separatorul?

Ca o membrană subțire sau un strat de material neconductor, separatorul funcționează împiedică anodul (electrodul negativ) și catodul (electrodul pozitiv). scurtcircuitare, deoarece acest strat este permeabil la ionii de litiu, dar nu și la electroni. Ea poate asigura, de asemenea, fluxul constant de ioni între electrozi în timpul încărcării si descarcare. Prin urmare, bateria poate menține o tensiune stabilă și poate reduce riscul de supraîncălzire, ardere sau explozie.

Ce este colectorul actual?

Colectorul de curent este proiectat pentru a colecta curentul produs de electrozii bateriei și îl transportă către circuitul extern, adică important pentru a asigura performanța optimă și longevitatea bateriei. Şi de obicei, este fabricat dintr-o foaie subțire de aluminiu sau cupru.

3. Istoria dezvoltării bateriilor cu ioni de litiu

Cercetările privind bateriile reîncărcabile Li-ion datează din anii 1960, unul dintre Cele mai vechi exemple sunt o baterie CuF2/Li dezvoltată de NASA în 1965. Și criza petrolului A lovit lumea în anii 1970, cercetătorii și-au îndreptat atenția către alternative surse de energie, deci descoperirea care a produs cea mai timpurie formă a Bateria modernă Li-ion a fost realizată din cauza greutății ușoare și a energiei ridicate densitatea bateriilor litiu-ion. În același timp, Stanley Whittingham de la Exxon a descoperit că ionii de litiu ar putea fi inserați în materiale precum TiS2 creați o baterie reîncărcabilă 

Așa că a încercat să comercializeze această baterie dar a eșuat din cauza costului ridicat și a prezenței litiului metalic în celule. În 1980 s-a descoperit un material nou care oferă o tensiune mai mare și era mult mai mare stabil în aer, care va fi folosit ulterior în prima baterie Li-ion comercială, deși nu a rezolvat, de la sine, problema persistentă a inflamabilitate. În același an, Rachid Yazami a inventat grafitul de litiu electrod (anod). Și apoi, în 1991, primul litiu-ion reîncărcabil din lume bateriile au început să intre pe piață 

În anii 2000, cererea de litiu-ion bateriile au crescut pe măsură ce dispozitivele electronice portabile au devenit populare, care conduc bateriile litiu-ion să fie mai sigure și mai durabile. Vehiculele electrice au fost introdus în anii 2010, care a creat o nouă piață pentru bateriile litiu-ion. The dezvoltarea de noi procese și materiale de fabricație, cum ar fi anozii de siliciu și electroliți în stare solidă, a continuat să îmbunătățească performanța și siguranța baterii litiu-ion. În zilele noastre, bateriile litiu-ion au devenit esențiale în viața noastră de zi cu zi, deci cercetarea și dezvoltarea de noi materiale și tehnologiile sunt în curs de îmbunătățire a performanței, eficienței și siguranței aceste baterii.

4. Tipurile de baterii litiu-ion

Bateriile litiu-ion vin într-o varietate de forme și dimensiuni, și nu toate ei sunt egali. În mod normal, există cinci tipuri de baterii litiu-ion.

l Oxid de litiu cobalt

Bateriile cu oxid de litiu cobalt sunt fabricate din carbonat de litiu și cobalt și sunt, de asemenea, cunoscute sub denumirea de baterii cu litiu-cobaltat sau litiu-ion-cobalt. Au un catod de oxid de cobalt și un anod de carbon grafit și ioni de litiu migrează de la anod la catod în timpul descărcării, cu inversarea fluxului când bateria este încărcată. În ceea ce privește aplicarea sa, acestea sunt utilizate în portabil dispozitive electronice, vehicule electrice și sisteme de stocare a energiei regenerabile datorită energiei specifice ridicate, ratei scăzute de auto-descărcare, funcționare ridicată tensiune și gamă largă de temperatură. Dar acordați atenție problemelor de siguranță legate de potențialul de evadare termică și instabilitate la nivel ridicat temperaturile.

l Litiu Mangan Oxid

Oxidul de litiu mangan (LiMn2O4) este un material catod care este utilizat în mod obișnuit în bateriile litiu-ion. Tehnologia pentru acest tip de baterie a fost inițial descoperit în anii 1980, odată cu prima publicație în Materials Research Buletin din 1983. Unul dintre avantajele LiMn2O4 este acela că are o temperatură bună stabilitate, ceea ce înseamnă că este mai puțin probabil să experimenteze evadarea termică, ceea ce sunt, de asemenea, mai sigure decât alte tipuri de baterii litiu-ion. În plus, manganul este abundent și disponibil pe scară largă, ceea ce îl face o opțiune mai durabilă în comparație să catodeze materiale care conțin resurse limitate, cum ar fi cobaltul. Ca urmare, se găsesc frecvent în echipamente și dispozitive medicale, scule electrice, electrice motociclete și alte aplicații. În ciuda avantajelor sale, LiMn2O4 mai sărac stabilitate ciclului comparativ cu LiCoO2, ceea ce înseamnă că poate necesita mai mult înlocuire frecventă, așa că poate să nu fie la fel de potrivit pentru stocarea pe termen lung a energiei sisteme.

l Fosfat de fier de litiu (LFP)

Fosfatul este folosit ca catod în bateriile cu litiu fier fosfat, adesea cunoscut sub numele de baterii li-fosfat. Rezistenta lor scazuta le-a imbunatatit termic stabilitate si siguranta. De asemenea, sunt renumite pentru durabilitate și un ciclu lung de viață, ceea ce le face opțiunea cea mai rentabilă față de alte tipuri de litiu-ion baterii. În consecință, aceste baterii sunt utilizate frecvent în bicicletele electrice și alte aplicații care necesită un ciclu lung de viață și niveluri ridicate de siguranță. Dar dezavantajele sale fac dificilă dezvoltarea rapidă. În primul rând, în comparație cu alte tipuri de baterii litiu-ion, acestea costă mai mult deoarece folosesc rare și materii prime scumpe. În plus, bateriile cu litiu fosfat de fier au a tensiune de operare mai mică, ceea ce înseamnă că pot să nu fie potrivite pentru unii aplicații care necesită o tensiune mai mare. Timpul de încărcare mai lung îl face un dezavantaj în aplicațiile care necesită o reîncărcare rapidă.

l Litiu Nichel Mangan Cobalt Oxid (NMC)

Baterii cu litiu nichel mangan oxid de cobalt, adesea cunoscute sub numele de NMC bateriile, sunt construite dintr-o varietate de materiale care sunt universale în baterii litiu-ion. Un catod construit dintr-un amestec de nichel, mangan și cobaltul este inclus. Densitatea sa ridicată de energie, performanța bună la ciclism și a Durata lungă de viață a făcut-o prima alegere în vehiculele electrice, stocarea în rețea sisteme și alte aplicații de înaltă performanță, care au contribuit și mai mult la popularitatea tot mai mare a vehiculelor electrice și a sistemelor de energie regenerabilă. La creșterea capacității, noi electroliți și aditivi sunt utilizați pentru a le permite încărcați la 4,4 V/celulă și mai mult 

De atunci, există o tendință către Li-ion amestecat cu NMC sistemul este rentabil și oferă performanțe bune. Nichel, mangan, și cobaltul sunt trei materiale active care pot fi ușor combinate pentru a se potrivi unei largi gamă de aplicații ale sistemelor de stocare a energiei și autovehicule (EES) care necesită ciclism frecvent. Din care putem vedea familia NMC devine din ce în ce mai mare diverse Cu toate acestea, efectele sale secundare ale fugă termic, pericolele de incendiu și de mediu preocupările îi pot împiedica dezvoltarea ulterioară.

l Titanat de litiu

Titanatul de litiu, adesea cunoscut sub numele de li-titanat, este un tip de baterie care are a număr tot mai mare de utilizări. Datorită nanotehnologiei sale superioare, este capabil se încarcă și se descarcă rapid, menținând o tensiune stabilă, ceea ce îl face potrivit pentru aplicații de mare putere, cum ar fi vehicule electrice, comerciale și sisteme industriale de stocare a energiei și stocare la nivel de rețea 

Împreună cu ea siguranța și fiabilitatea, aceste baterii ar putea fi utilizate în scopuri militare și aerospațiale aplicații, precum și stocarea energiei eoliene și solare și construirea inteligentă grile. În plus, conform Battery Space, aceste baterii ar putea fi folosit în backup-uri critice pentru sistemul de alimentare. Cu toate acestea, titanat de litiu bateriile tind să fie mai scumpe decât bateriile tradiționale cu litiu-ion la procesul complex de fabricare necesar producerii acestora.

5. Tendințele de dezvoltare ale bateriilor litiu-ion

Creșterea globală a instalațiilor de energie regenerabilă a crescut producerea intermitentă de energie, creând o rețea dezechilibrată. Acest lucru a dus la a cererea de baterii.în timp ce accentul pe zero emisii de carbon și nevoia de a se muta departe de combustibilii fosili, și anume cărbunele, pentru producția de energie solicită mai mult guvernele să stimuleze instalațiile solare și eoliene. Aceste instalațiile se pretează sistemelor de stocare a bateriilor care stochează surplusul de putere generate 

Prin urmare, stimulente guvernamentale pentru a stimula bateria Li-ion instalațiile conduc și la dezvoltarea bateriilor litiu-ion. De exemplu, Se estimează că dimensiunea pieței globale NMC Baterii cu litiu-ion va crește de la USD milioane în 2022 până la milioane USD în 2029; este de așteptat să crească la un CAGR de % din 2023 până în 2029. Și nevoile tot mai mari ale aplicațiilor care solicită grele se estimează că încărcăturile vor face bateriile litiu-ion de 3000-10000 cele mai rapide segment în creștere în perioada de prognoză (2022-2030).

6. Analiza investițiilor bateriilor litiu-ion

Se estimează că industria de piață a bateriilor litiu-ion va crește de la 51,16 USD miliarde în 2022 până la 118,15 miliarde USD până în 2030, prezentând un anual compus rata de creștere de 4,72% în perioada de prognoză (2022-2030), care depinde de mai multi factori.

l Analiza utilizatorului final

Instalațiile din sectorul utilităților sunt factori cheie pentru stocarea energiei bateriei sisteme (BESS). Se preconizează că acest segment va crește de la 2,25 miliarde USD în 2021 la 5,99 miliarde USD în 2030 la un CAGR de 11,5%. Bateriile Li-ion prezintă o valoare mai mare de 34,4% CAGR datorită bazei lor scăzute de creștere. Stocarea energiei rezidentiale si comerciale segmentele sunt alte zone cu potențial mare de piață de 5,51 miliarde USD în 2030, de la 1,68 miliarde USD în 2021. Sectorul industrial își continuă marșul spre zero emisii de carbon, companiile făcând angajamente net zero în următoarele două decenii. Companiile de telecomunicații și centre de date sunt în fruntea reducerii emisiile de carbon, cu un accent sporit pe sursele de energie regenerabile. Toate dintre care va promova dezvoltarea rapidă a bateriilor litiu-ion ca companiile găsesc modalități de a asigura backup fiabil și echilibrarea rețelei.

l Analiza tipului de produs

Din cauza prețului ridicat al cobaltului, bateria fără cobalt este una dintre cele mai importante tendințe de dezvoltare a bateriilor litiu-ion. LiNi0,5Mn1,5O4 de înaltă tensiune (LNMO) cu densitate teoretică mare de energie este una dintre cele mai promițătoare Co-free materiale catodice în continuare. În plus, rezultatele experimentale au demonstrat că performanța de ciclism și rata C a bateriei LNMO este îmbunătățită prin utilizarea electrolit semisolid. Acest lucru poate fi propus de care este capabil COF anionic absorbind puternic Mn3+/Mn2+ și Ni2+ prin interacțiunea Coulomb, limitând migrarea lor distructivă către anod. Prin urmare, această lucrare va să fie benefică pentru comercializarea materialului catodic LNMO.

l Analiza regională

Asia-Pacific va fi cea mai mare piață staționară a bateriilor litiu-ion 2030, condus de utilități și industrii. Va depăși America de Nord și Europa cu o piață de 7,07 miliarde USD în 2030, în creștere de la 1,24 miliarde USD în 2021 la un CAGR de 21,3%. America de Nord și Europa vor fi următoarele ca mărime piețele din cauza obiectivelor lor de a-și decarboniza economiile și rețeaua în viitor două decenii. LATAM va înregistra cea mai mare rată de creștere la un CAGR de 21,4%, deoarece de dimensiunile sale mai mici și baza scăzută.

7. Lucruri de luat în considerare pentru baterii cu ioni de litiu de înaltă calitate

Când cumpărați un invertor solar optic, nu numai prețul și calitatea trebuie să fie luați în considerare, ar trebui să se țină cont și de alți factori.

l Densitatea energetică

Densitatea de energie este cantitatea de energie stocată pe unitate de volum. Superior densitatea de energie cu greutate și dimensiune mai mică este mai extinsă între încărcare cicluri.

l Siguranța

Siguranța este un alt aspect critic al bateriilor litiu-ion de la explozii și incendii care pot apărea în timpul încărcării sau descărcării, deci este necesar alegeți bateriile cu mecanisme de siguranță îmbunătățite, cum ar fi senzorii de temperatură și substanțe inhibitoare.

l Tip

Una dintre cele mai recente tendințe din industria bateriilor litiu-ion este dezvoltarea bateriilor cu stare solidă, care oferă o serie de beneficii precum densitate energetică mai mare și un ciclu de viață mai lung. De exemplu, utilizarea lui bateriile cu stare solidă din mașinile electrice își vor crește semnificativ autonomia capacitate și siguranță.

l Rata de încărcare

Rata de încărcare depinde de cât de repede se încarcă bateria în siguranță. Uneori, bateria durează mult să se încarce înainte de a putea fi folosită.

l Durata de viață

Nicio baterie nu funcționează pe toată durata de viață, dar are o dată de expirare. Verificați expirarea data înainte de a face achiziția. Bateriile litiu-ion au o durată inerentă mai lungă durata de viață datorită chimiei sale, dar fiecare baterie diferă una de cealaltă în funcție de tipul, specificațiile și modul în care sunt realizate. Bateriile de înaltă calitate vor durează mai mult deoarece sunt fabricate din materiale fine în interior.