Что такое литий-ионные аккумуляторы

1 Что такое литий-ионные аккумуляторы?

Аккумулятор — источник электрической энергии, состоящий из одного или нескольких электрохимических элементов с внешними соединениями для питания электрических устройств. Литий-ионный или литий-ионный аккумулятор — это тип перезаряжаемой батареи, которая использует обратимое восстановление ионов лития для хранения энергии и известна своей высокой плотностью энергии.

2 Структура литий-ионных аккумуляторов

Обычно в большинстве коммерческих литий-ионных аккумуляторов в качестве активных материалов используются интеркаляционные соединения. Обычно они состоят из нескольких слоев материалов, расположенных в определенном порядке, чтобы облегчить электрохимический процесс, позволяющий батарее хранить и высвобождать энергию: анод, катод, электролит, сепаратор и токосъемник.

Что такое анод?

Анод, являющийся компонентом батареи, играет важную роль в ее емкости, производительности и долговечности. При зарядке за прием и хранение ионов лития отвечает графитовый анод. Когда аккумулятор разряжается, ионы лития перемещаются от анода к катоду, создавая электрический ток. Как правило, наиболее распространенным коммерчески используемым анодом является графит, который в полностью литированном состоянии LiC6 соответствует максимальной емкости 1339 Кл/г (372 мАч/г). Но с развитием технологий были исследованы новые материалы, такие как кремний, для улучшения плотности энергии литий-ионных батарей.

Что такое катод?

Катод принимает и высвобождает положительно заряженные ионы лития во время циклов тока. Обычно он состоит из слоистой структуры слоистого оксида (например, оксида лития-кобальта), полианиона (например, фосфата лития-железа) или шпинели (например, оксида лития-марганца), нанесенных на коллектор заряда (обычно изготовленный из алюминия). 

Что такое электролит?

Электролит в виде соли лития в органическом растворителе служит средой для перемещения ионов лития между анодом и катодом во время зарядки и разрядки.

Что такое сепаратор?

Сепаратор представляет собой тонкую мембрану или слой непроводящего материала и предотвращает замыкание анода (отрицательного электрода) и катода (положительного электрода), поскольку этот слой проницаем для ионов лития, но не для электронов. Он также может обеспечить постоянный поток ионов между электродами во время зарядки и разрядки. Таким образом, аккумулятор может поддерживать стабильное напряжение и снижать риск перегрева, возгорания или взрыва.

Что такое токосъемник?

Токосъемник предназначен для сбора тока, вырабатываемого электродами аккумулятора, и передачи его во внешнюю цепь, что важно для обеспечения оптимальной производительности и долговечности аккумулятора. И обычно его изготавливают из тонкого листа алюминия или меди.

3 История развития литий-ионных аккумуляторов

Исследования литий-ионных аккумуляторов начались в 1960-х годах, одним из самых ранних примеров является батарея CuF2/Li, разработанная НАСА в 1965 В 1970-х годах, когда мир поразил нефтяной кризис, исследователи обратили свое внимание на альтернативные источники энергии, поэтому прорыв, который привел к созданию самой ранней формы современной литий-ионной батареи, был сделан благодаря легкому весу и высокой плотности энергии литий-ионных батарей. В то же время Стэнли Уиттингем из Exxon обнаружил, что ионы лития можно вводить в такие материалы, как TiS2, для создания перезаряжаемой батареи. 

Поэтому он попытался коммерциализировать эту батарею, но потерпел неудачу из-за высокой стоимости и присутствия в элементах металлического лития. В 1980 году было обнаружено, что новый материал обеспечивает более высокое напряжение и гораздо более стабилен на воздухе, что позже будет использовано в первой коммерческой литий-ионной батарее, хотя сам по себе он не решил постоянную проблему воспламеняемости. В том же году Рашид Язами изобрел литий-графитовый электрод (анод). А затем, в 1991 году, на рынок начали поступать первые в мире перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы. В 2000-х годах спрос на литий-ионные батареи увеличился по мере того, как портативные электронные устройства стали популярными, что сделало литий-ионные батареи более безопасными и долговечными. Электромобили были представлены в 2010-х годах, что создало новый рынок для литий-ионных аккумуляторов. 

Разработка новых производственных процессов и материалов, таких как кремниевые аноды и твердотельные электролиты, продолжала улучшать производительность и безопасность литий-ионных батарей. В настоящее время литий-ионные аккумуляторы стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни, поэтому продолжаются исследования и разработки новых материалов и технологий для улучшения производительности, эффективности и безопасности этих аккумуляторов.

4.Типы литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные батареи бывают разных форм и размеров, и не все из них одинаковы. Обычно существует пять видов литий-ионных аккумуляторов.

л оксид лития-кобальта

Литий-кобальт-оксидные батареи производятся из карбоната лития и кобальта и также известны как литий-кобальтовые или литий-ионно-кобальтовые батареи. Они имеют катод из оксида кобальта и угольно-графитовый анод, и ионы лития мигрируют от анода к катоду во время разряда, при этом поток меняется на противоположное при зарядке аккумулятора. Что касается его применения, они используются в портативных электронных устройствах, электромобилях и системах хранения возобновляемой энергии из-за их высокой удельной энергии, низкой скорости саморазряда, высокого рабочего напряжения и широкого температурного диапазона. Но обратите внимание на проблемы безопасности, связанные с к потенциальному тепловому выходу из-под контроля и нестабильности при высоких температурах.

л оксид лития-марганца

Оксид лития-марганца (LiMn2O4) представляет собой катодный материал, который обычно используется в литий-ионных батареях. Технология изготовления батарей этого типа была первоначально открыта в 1980-х годах, а первая публикация в Бюллетене исследований материалов состоялась в 1983 году. Одним из преимуществ LiMn2O4 является то, что он обладает хорошей термической стабильностью, что означает меньшую вероятность возникновения термического разгона, что также более безопасно, чем у других типов литий-ионных батарей. Кроме того, марганец имеется в изобилии и широко доступен, что делает его более экологичным вариантом по сравнению с катодными материалами, которые содержат ограниченные ресурсы, такие как кобальт. В результате их часто можно встретить в медицинском оборудовании и устройствах, электроинструментах, электрических мотоциклах и других устройствах. Несмотря на свои преимущества, LiMn2O4 имеет меньшую циклическую стабильность по сравнению с LiCoO2, а это означает, что он может требовать более частой замены, поэтому он может быть не так пригоден для долгосрочных систем хранения энергии.

l Литий-железо-фосфат (LFP)

Фосфат используется в качестве катода в литий-железо-фосфатных батареях, часто известных как литий-фосфатные батареи. Их низкое сопротивление улучшает их термическую стабильность и безопасность. Они также известны своей долговечностью и длительным сроком службы, что делает их наиболее экономичным вариантом по сравнению с другими типами литий-ионных аккумуляторов. Следовательно, эти батареи часто используются в электрических велосипедах и других устройствах, требующих длительного жизненного цикла и высокого уровня безопасности. Но его недостатки мешают быстрому развитию. Во-первых, по сравнению с другими типами литий-ионных аккумуляторов они стоят дороже, поскольку используют редкое и дорогое сырье. Кроме того, литий-железо-фосфатные батареи имеют более низкое рабочее напряжение, а это означает, что они могут не подходить для некоторых применений, требующих более высокого напряжения. Более длительное время зарядки делает его недостатком в приложениях, требующих быстрой перезарядки.

l Оксид лития, никеля, марганца, кобальта (NMC)

Литий-никель-марганцево-кобальт-оксидные батареи, часто известные как батареи NMC, изготовлены из различных материалов, универсальных для литий-ионных батарей. В комплект входит катод, изготовленный из смеси никеля, марганца и кобальта. Его высокая плотность энергии, хорошие характеристики езды на велосипеде и длительный срок службы сделали его лучшим выбором для электромобилей, сетевых систем хранения данных и других высокопроизводительных приложений, что еще больше способствовало растущей популярности электромобилей и систем возобновляемых источников энергии. Для увеличения емкости используются новые электролиты и добавки, позволяющие заряжать аккумулятор до напряжения 4,4 В/элемент и выше. Существует тенденция к использованию литий-ионных аккумуляторов, смешанных с NMC, поскольку эта система экономически эффективна и обеспечивает хорошую производительность. Никель, марганец и кобальт — это три активных материала, которые можно легко комбинировать для решения широкого спектра задач в автомобильной промышленности и системах хранения энергии (СЭЭ), требующих частой циклической работы.

 Из чего мы видим, что семейство NMC становится более разнообразным.

Однако его побочные эффекты, такие как тепловой разгон, пожароопасность и экологические проблемы, могут препятствовать его дальнейшему развитию.

л титанат лития

Титанат лития, часто известный как лититанат, представляет собой тип батареи, число применений которого растет. Благодаря своей превосходной нанотехнологии он способен быстро заряжаться и разряжаться, сохраняя при этом стабильное напряжение, что делает его хорошо подходящим для приложений с высокой мощностью, таких как электромобили, коммерческие и промышленные системы хранения энергии, а также хранилища на уровне сети. Благодаря своей безопасности и надежности эти батареи могут быть использованы для военных и аэрокосмических целей, а также для хранения энергии ветра и солнца и построения интеллектуальных сетей. Кроме того, по данным Battery Space, эти батареи могут использоваться в резервных системах критически важных систем электроснабжения. Тем не менее, литий-титановые батареи, как правило, дороже традиционных литий-ионных батарей из-за сложного производственного процесса, необходимого для их производства.

5. Тенденции развития литий-ионных аккумуляторов.

Глобальный рост установок возобновляемой энергетики привел к увеличению прерывистого производства энергии, создавая несбалансированную сеть. Это привело к росту спроса на батареи. В то время как акцент на нулевых выбросах углекислого газа и необходимость отказа от ископаемого топлива, а именно угля, для производства электроэнергии побуждают все больше правительств стимулировать установку солнечных и ветроэнергетических установок. Эти установки подходят для создания аккумуляторных систем хранения, которые хранят избыточную вырабатываемую энергию. Таким образом, государственные стимулы для стимулирования установки литий-ионных аккумуляторов также способствуют развитию литий-ионных батарей. Например, прогнозируется, что размер мирового рынка литий-ионных аккумуляторов NMC вырастет с миллионов долларов США в 2022 году до миллионов долларов США в 2029 году; ожидается, что среднегодовой темп его роста составит % с 2023 года по 2029  По прогнозам, растущие потребности приложений, требующих больших нагрузок, сделают литий-ионные батареи объемом 3000–10000 самым быстрорастущим сегментом в течение прогнозируемого периода (2022–2030 гг.).

6 Инвестиционный анализ литий-ионных аккумуляторов

По прогнозам, рынок литий-ионных аккумуляторов вырастет с 51,16 млрд долларов США в 2022 году до 118,15 млрд долларов США к 2030 году, демонстрируя совокупный годовой темп роста 4,72% в течение прогнозируемого периода (2022-2030 гг.), Который зависит от нескольких факторов.

l Анализ конечных пользователей

Установки в коммунальном секторе являются ключевым фактором развития аккумуляторных систем хранения энергии (BESS). Ожидается, что этот сегмент вырастет с $2,25 млрд в 2021 году до $5,99 млрд в 2030 году при среднегодовом темпе роста 11,5%.  Литий-ионные батареи демонстрируют более высокий среднегодовой темп роста (34,4%) из-за их низкой базы роста. Сегменты хранения энергии в жилых и коммерческих целях — это другие области с большим рыночным потенциалом в размере 5,51 миллиарда долларов в 2030 году по сравнению с 1,68 миллиарда долларов в 2021 году. Промышленный сектор продолжает движение к нулевым выбросам углекислого газа, а компании берут на себя обязательства по достижению нулевого уровня выбросов в ближайшие два десятилетия. Телекоммуникационные компании и компании центров обработки данных находятся в авангарде сокращения выбросов углекислого газа, уделяя повышенное внимание возобновляемым источникам энергии. Все это будет способствовать быстрому развитию  литий-ионные батареи, поскольку компании находят способы обеспечить надежное резервное копирование и балансировку сети.

l Анализ типа продукта

Из-за высокой цены на кобальт безкобальтовые аккумуляторы являются одним из направлений развития литий-ионных аккумуляторов. Высоковольтный LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) с высокой теоретической плотностью энергии является в дальнейшем одним из наиболее перспективных катодных материалов, не содержащих Co. Кроме того, результаты экспериментов доказали, что цикличность и производительность батареи LNMO улучшаются при использовании полутвердого электролита. Можно предположить, что анионный COF способен сильно поглощать Mn3+/Mn2+ и Ni2+ за счет кулоновского взаимодействия, сдерживая их деструктивную миграцию к аноду. Таким образом, эта работа будет полезна для коммерциализации катодного материала LNMO.

l Региональный анализ

К 2030 году Азиатско-Тихоокеанский регион станет крупнейшим рынком стационарных литий-ионных аккумуляторов, чему будут способствовать коммунальные услуги и промышленность. В 2030 году он обгонит Северную Америку и Европу с рынком в $7,07 млрд, увеличившись с $1,24 млрд в 2021 году при среднегодовом темпе роста 21,3%. Северная Америка и Европа станут следующими по величине рынками из-за их целей по декарбонизации своей экономики и энергосетей в течение следующих двух десятилетий. В Латинской Америке будут наблюдаться самые высокие темпы роста в среднем на уровне 21,4% из-за ее меньшего размера и низкой базы.

7 Что следует учитывать при выборе высококачественных литий-ионных аккумуляторов

При покупке оптического солнечного инвертора необходимо учитывать не только цену и качество, но и другие факторы.

л Плотность энергии

Плотность энергии — это количество энергии, запасенной в единице объема. Более высокая плотность энергии при меньшем весе и размере обеспечивает более длительный интервал между циклами зарядки.

л  Безопасность

Безопасность является еще одним важным аспектом литий-ионных аккумуляторов, поскольку во время зарядки или разрядки могут возникнуть взрывы и пожары, поэтому необходимо выбирать аккумуляторы с улучшенными механизмами безопасности, такими как датчики температуры и ингибирующие вещества.

л Тип

Одной из последних тенденций в индустрии литий-ионных аккумуляторов является разработка твердотельных аккумуляторов, которые предлагают ряд преимуществ, таких как более высокая плотность энергии и более длительный срок службы. Например, использование твердотельных аккумуляторов в электромобилях значительно увеличит их запас хода и безопасность.

л Скорость зарядки

Скорость зарядки зависит от того, насколько быстро аккумулятор заряжается безопасно. Иногда аккумулятору требуется много времени, чтобы зарядиться, прежде чем его можно будет использовать.

л продолжительность жизни

 Ни одна батарея не работает в течение всего срока службы, но имеет срок годности. Перед покупкой проверьте срок годности. Литий-ионные батареи имеют более длительный срок службы из-за своего химического состава, но каждая батарея отличается друг от друга в зависимости от типа, технических характеристик и способа изготовления. Высококачественные аккумуляторы прослужат дольше, поскольку внутри они изготовлены из высококачественных материалов.