Čo sú to lítium-iónové batérie

1 Čo sú to lítium-iónové batérie?

Batéria je zdroj elektrickej energie pozostávajúci z jedného alebo viacerých elektrochemických článkov s vonkajšími prípojkami na napájanie elektrických zariadení Lítium-iónová alebo lítium-iónová batéria je typ dobíjacej batérie, ktorá využíva reverzibilnú redukciu lítiových iónov na ukladanie energie a je známa svojou vysokou hustotou energie.

2 Štruktúra lítium-iónových batérií

Vo všeobecnosti väčšina komerčných lítium-iónových batérií používa ako aktívne materiály interkalačné zlúčeniny. Zvyčajne pozostávajú z niekoľkých vrstiev materiálov, ktoré sú usporiadané v špecifickom poradí, aby sa uľahčil elektrochemický proces, ktorý umožňuje batérii uchovávať a uvoľňovať energiu – anóda, katóda, elektrolyt, separátor a zberač prúdu.

Čo je anóda?

Ako súčasť batérie hrá anóda dôležitú úlohu v kapacite, výkone a životnosti batérie. Pri nabíjaní je grafitová anóda zodpovedná za prijímanie a ukladanie lítiových iónov. Keď je batéria vybitá, lítiové ióny sa pohybujú z anódy na katódu, takže vzniká elektrický prúd. Všeobecne najbežnejšou komerčne používanou anódou je grafit, ktorý vo svojom plne lítiovom stave LiC6 koreluje s maximálnou kapacitou 1339 C/g (372 mAh/g) S rozvojom technológií sa však skúmali nové materiály, ako je kremík, aby sa zlepšila hustota energie pre lítium-iónové batérie.

Čo je katóda?

Katóda pracuje na prijímaní a uvoľňovaní kladne nabitých lítiových iónov počas súčasných cyklov. Zvyčajne pozostáva z vrstvenej štruktúry vrstveného oxidu (ako je oxid lítny kobaltnatý), polyaniónu (ako je fosforečnan lítno-železitý) alebo spinelu (ako je oxid lítium-mangánový) potiahnutých na zberač náboja (zvyčajne vyrobený z hliníka) 

Čo je elektrolyt?

Ako lítiová soľ v organickom rozpúšťadle slúži elektrolyt ako médium pre lítiové ióny na pohyb medzi anódou a katódou počas nabíjania a vybíjania.

Čo je to separátor?

Ako tenká membrána alebo vrstva nevodivého materiálu funguje separátor tak, aby zabránil skratu anódy (záporná elektróda) ​​a katódy (kladná elektróda), pretože táto vrstva je priepustná pre ióny lítia, ale nie pre elektróny. Môže tiež zabezpečiť stabilný tok iónov medzi elektródami počas nabíjania a vybíjania. Batéria teda dokáže udržiavať stabilné napätie a znižuje riziko prehriatia, horenia alebo výbuchu.

Čo je zberač prúdu?

Zberač prúdu je navrhnutý tak, aby zachytával prúd produkovaný elektródami batérie a prenášal ho do vonkajšieho obvodu, čo je dôležité pre zabezpečenie optimálneho výkonu a životnosti batérie. A zvyčajne sa zvyčajne vyrába z tenkého plechu hliníka alebo medi.

3 História vývoja lítium-iónových batérií

Výskum nabíjateľných lítium-iónových batérií sa datuje do 60-tych rokov minulého storočia, jedným z prvých príkladov je batéria CuF2/Li vyvinutá NASA v r. 1965 A ropná kríza zasiahla svet v sedemdesiatych rokoch minulého storočia, výskumníci obrátili svoju pozornosť na alternatívne zdroje energie, takže prelom, ktorý vytvoril najskoršiu formu modernej lítium-iónovej batérie, bol urobený kvôli nízkej hmotnosti a vysokej hustote energie lítium-iónových batérií. V tom istom čase Stanley Whittingham z Exxonu zistil, že lítiové ióny možno vložiť do materiálov, ako je TiS2, aby sa vytvorila dobíjateľná batéria. 

Pokúsil sa teda túto batériu komercializovať, ale neuspel kvôli vysokej cene a prítomnosti kovového lítia v článkoch. V roku 1980 sa zistilo, že nový materiál ponúka vyššie napätie a je oveľa stabilnejší na vzduchu, čo sa neskôr použije v prvej komerčnej lítium-iónovej batérii, hoci sám o sebe nevyriešil pretrvávajúci problém horľavosti. V tom istom roku Rachid Yazami vynašiel lítium-grafitovú elektródu (anódu). A potom v roku 1991 začali na trh vstupovať prvé nabíjateľné lítium-iónové batérie na svete. V roku 2000 sa dopyt po lítium-iónových batériách zvýšil, pretože prenosné elektronické zariadenia sa stali populárnymi, vďaka čomu sú lítium-iónové batérie bezpečnejšie a odolnejšie. Elektrické vozidlá boli predstavené v roku 2010, čo vytvorilo nový trh pre lítium-iónové batérie 

Vývoj nových výrobných procesov a materiálov, ako sú kremíkové anódy a polovodičové elektrolyty, naďalej zlepšoval výkon a bezpečnosť lítium-iónových batérií. V súčasnosti sa lítium-iónové batérie stali nevyhnutnými v našom každodennom živote, takže výskum a vývoj nových materiálov a technológií neustále zlepšuje výkon, účinnosť a bezpečnosť týchto batérií.

4. Typy lítium-iónových batérií

Lítium-iónové batérie sa dodávajú v rôznych tvaroch a veľkostiach a nie všetky sú rovnaké. Bežne existuje päť druhov lítium-iónových batérií.

l Oxid lítno-kobaltový

Lítium-kobaltoxidové batérie sa vyrábajú z uhličitanu lítneho a kobaltu a sú tiež známe ako lítium-kobaltové alebo lítium-iónové kobaltové batérie Majú katódu z oxidu kobaltu a grafitovú uhlíkovú anódu a lítiové ióny migrujú z anódy na katódu počas vybíjania, pričom pri nabíjaní batérie sa tok obráti. Pokiaľ ide o ich aplikáciu, používajú sa v prenosných elektronických zariadeniach, elektrických vozidlách a systémoch na ukladanie energie z obnoviteľných zdrojov kvôli ich vysokej špecifickej energii, nízkej rýchlosti samovybíjania, vysokému prevádzkovému napätiu a širokému teplotnému rozsahu. Venujte však pozornosť bezpečnostným problémom. na potenciál tepelného úniku a nestability pri vysokých teplotách.

l Oxid lítno-mangánový

Oxid lítno-mangánový (LiMn2O4) je katódový materiál, ktorý sa bežne používa v lítium-iónových batériách. Technológia pre tento druh batérií bola pôvodne objavená v 80. rokoch 20. storočia, s prvou publikáciou v časopise Materials Research Bulletin v roku 1983. Jednou z výhod LiMn2O4 je, že má dobrú tepelnú stabilitu, čo znamená, že je menej pravdepodobné, že dôjde k úniku tepla, ktoré sú tiež bezpečnejšie ako iné typy lítium-iónových batérií. Okrem toho je mangán hojný a široko dostupný, čo z neho robí udržateľnejšiu možnosť v porovnaní s katódovými materiálmi, ktoré obsahujú obmedzené zdroje, ako je kobalt. V dôsledku toho sa často nachádzajú v lekárskych zariadeniach a zariadeniach, elektrickom náradí, elektrických motocykloch a iných aplikáciách. Napriek svojim výhodám má LiMn2O4 horšiu cyklickú stabilitu v porovnaní s LiCoO2, čo znamená, že môže vyžadovať častejšiu výmenu, takže nemusí byť vhodný pre systémy dlhodobého skladovania energie.

l lítium-železofosfát (LFP)

Fosfát sa používa ako katóda v lítium-železofosfátových batériách, často známych ako lítium-fosfátové batérie. Ich nízky odpor zlepšil ich tepelnú stabilitu a bezpečnosť Sú tiež známe svojou odolnosťou a dlhým životným cyklom, čo z nich robí cenovo najefektívnejšiu možnosť iných typov lítium-iónových batérií. V dôsledku toho sa tieto batérie často používajú v elektrických bicykloch a iných aplikáciách vyžadujúcich dlhú životnosť a vysokú úroveň bezpečnosti. Jeho nevýhody však sťažujú rýchly vývoj. Po prvé, v porovnaní s inými typmi lítium-iónových batérií sú drahšie, pretože používajú vzácne a drahé suroviny. Lítium-železofosfátové batérie majú navyše nižšie prevádzkové napätie, čo znamená, že nemusia byť vhodné pre niektoré aplikácie vyžadujúce vyššie napätie. Jeho dlhší čas nabíjania ho robí nevýhodou v aplikáciách, ktoré vyžadujú rýchle nabíjanie.

l Oxid lítium-nikel-mangán-kobaltnatý (NMC)

Lítium-nikel-mangánové batérie s oxidom kobaltom, často známe ako batérie NMC, sú vyrobené z rôznych materiálov, ktoré sú univerzálne v lítium-iónových batériách. Súčasťou je katóda vyrobená zo zmesi niklu, mangánu a kobaltu Jeho vysoká hustota energie, dobrý cyklistický výkon a dlhá životnosť z neho urobili prvú voľbu v elektrických vozidlách, sieťových úložných systémoch a iných vysokovýkonných aplikáciách, čo ďalej prispelo k rastúcej popularite elektrických vozidiel a systémov obnoviteľnej energie. Na zvýšenie kapacity sa používajú nové elektrolyty a prísady, ktoré umožňujú nabíjanie na 4,4 V/článok a vyššie. Existuje trend smerom k lítium-iónom zmiešaným s NMC, pretože systém je nákladovo efektívny a poskytuje dobrý výkon. Nikel, mangán a kobalt sú tri aktívne materiály, ktoré možno ľahko kombinovať, aby vyhovovali širokému spektru aplikácií automobilových systémov a systémov na ukladanie energie (EES), ktoré vyžadujú časté cyklovanie.

 Z čoho môžeme vidieť, že rodina NMC sa stáva rozmanitejšou

Jeho vedľajšie účinky ako tepelný únik, nebezpečenstvo požiaru a environmentálne obavy však môžu brániť jeho ďalšiemu rozvoju.

l Titanát lítny

Lítiumtitanát, často známy ako li-titanát, je typ batérie, ktorý má čoraz väčší počet použití. Vďaka svojej vynikajúcej nanotechnológii je schopný rýchlo sa nabíjať a vybíjať pri zachovaní stabilného napätia, vďaka čomu je vhodný pre vysokovýkonné aplikácie, ako sú elektrické vozidlá, komerčné a priemyselné systémy na ukladanie energie a skladovanie na úrovni siete. Spolu s ich bezpečnosťou a spoľahlivosťou by sa tieto batérie mohli použiť pre vojenské a letecké aplikácie, ako aj na skladovanie veternej a slnečnej energie a budovanie inteligentných sietí. Okrem toho, podľa Battery Space, tieto batérie by sa mohli použiť v zálohách kritických pre systém napájania Napriek tomu lítium-titanátové batérie majú tendenciu byť drahšie ako tradičné lítium-iónové batérie v dôsledku zložitého výrobného procesu potrebného na ich výrobu.

5. Vývojové trendy lítium-iónových batérií

Globálny rast zariadení na výrobu obnoviteľnej energie zvýšil prerušovanú výrobu energie, čím sa vytvorila nevyvážená sieť. To viedlo k dopytu po batériách. Zatiaľ čo zameranie sa na nulové emisie uhlíka a potreba upustiť od fosílnych palív, menovite uhlia, na výrobu energie podnietili viac vlád, aby stimulovali solárne a veterné elektrárne. Tieto inštalácie sa hodia k batériovým úložným systémom, ktoré uchovávajú prebytočnú vyrobenú energiu. Preto vládne stimuly na stimuláciu inštalácie lítium-iónových batérií tiež riadia vývoj lítium-iónových batérií Napríklad sa predpokladá, že veľkosť globálneho trhu lítium-iónových batérií NMC vzrastie z miliónov USD v roku 2022 na milióny USD v roku 2029; očakáva sa, že od roku 2023 porastie o CAGR % 2029  A predpokladá sa, že rastúce potreby aplikácií vyžadujúcich veľké zaťaženie urobia z lítium-iónových batérií s kapacitou 3 000 – 10 000 najrýchlejšie rastúci segment počas prognózovaného obdobia (2022 – 2030).

6 Investičná analýza lítium-iónových batérií

Očakáva sa, že odvetvie trhu s lítium-iónovými batériami vzrastie z 51,16 miliardy USD v roku 2022 na 118,15 miliardy USD do roku 2030, pričom počas prognózovaného obdobia (2022-2030) bude vykazovať zložené ročné tempo rastu 4,72 %, čo závisí od viacerých faktorov.

l Analýza koncového používateľa

Inštalácie v sektore verejných služieb sú kľúčovými hnacími silami pre systémy skladovania energie z batérií (BESS). Očakáva sa, že tento segment vzrastie z 2,25 miliardy USD v roku 2021 na 5,99 miliardy USD v roku 2030 pri CAGR 11,5 %.  Lítium-iónové batérie vykazujú vyššiu CAGR 34,4 % kvôli ich nízkej rastovej základni. Rezidenčné a komerčné segmenty skladovania energie sú ďalšími oblasťami s veľkým trhovým potenciálom vo výške 5,51 miliardy USD v roku 2030 z 1,68 miliardy USD v roku 2021. Priemyselný sektor pokračuje v ceste k nulovým emisiám uhlíka, pričom spoločnosti sa v nasledujúcich dvoch desaťročiach zaviažu k nulovej čistote. Spoločnosti v oblasti telekomunikácií a dátových centier sú v popredí znižovania emisií uhlíka so zvýšeným zameraním na obnoviteľné zdroje energie To všetko podporí rýchly rozvoj  lítium-iónové batérie, pretože spoločnosti nachádzajú spôsoby, ako zabezpečiť spoľahlivé zálohovanie a vyrovnávanie siete.

l Analýza typu produktu

Bezkobaltová batéria je z dôvodu vysokej ceny kobaltu jedným z trendov vývoja lítium-iónových batérií. Vysokonapäťový LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) s vysokou teoretickou hustotou energie je jedným z najsľubnejších katódových materiálov bez Co-free v budúcnosti. Okrem toho experimentálne výsledky preukázali, že cyklovanie a výkon C-rate batérie LNMO sa zlepšuje použitím polotuhého elektrolytu. To možno navrhnúť tak, že aniónový COF je schopný silne absorbovať Mn3+/Mn2+ a Ni2+ prostredníctvom Coulombovej interakcie, čím obmedzuje ich deštruktívnu migráciu na anódu. Preto bude táto práca prínosom pre komercializáciu katódového materiálu LNMO.

l Regionálna analýza

Ázia a Tichomorie bude do roku 2030 najväčším trhom so stacionárnymi lítium-iónovými batériami, a to vďaka utilitám a priemyslu. V roku 2030 predbehne Severnú Ameriku a Európu s trhom 7,07 miliardy USD, pričom vzrastie z 1,24 miliardy USD v roku 2021 pri CAGR 21,3 %. Severná Amerika a Európa budú ďalšími najväčšími trhmi vďaka svojim cieľom dekarbonizovať svoje ekonomiky a rozvodnú sieť v priebehu nasledujúcich dvoch desaťročí. LATAM zaznamená najvyššiu mieru rastu pri CAGR 21,4% kvôli svojej menšej veľkosti a nízkej základni.

7 Čo treba zvážiť pri vysokokvalitných lítium-iónových batériách

Pri kúpe optického solárneho invertora treba brať do úvahy nielen cenu a kvalitu, ale treba mať na pamäti aj ďalšie faktory.

l Energetická hustota

Hustota energie je množstvo energie uloženej na jednotku objemu. Vyššia hustota energie s menšou hmotnosťou a veľkosťou je medzi nabíjacími cyklami rozsiahlejšia.

l  Bezpečnosť

Bezpečnosť je ďalším kritickým aspektom lítium-iónových batérií, pretože explózie a požiare môžu nastať počas nabíjania alebo vybíjania, preto je potrebné zvoliť batérie s vylepšenými bezpečnostnými mechanizmami, ako sú teplotné senzory a inhibičné látky.

l Typ

Jedným z najnovších trendov v priemysle lítium-iónových batérií je vývoj polovodičových batérií, ktoré ponúkajú celý rad výhod, ako je vyššia hustota energie a dlhší životný cyklus. Napríklad použitie polovodičových batérií v elektromobiloch výrazne zvýši ich dojazd a bezpečnosť.

l Rýchlosť nabíjania

Rýchlosť nabíjania závisí od toho, ako rýchlo sa batéria bezpečne nabije. Niekedy trvá dlho, kým sa batéria nabije, kým sa dá použiť.

l Životnosť

 Žiadna batéria nepracuje po celú dobu životnosti, ale má dátum spotreby. Pred nákupom skontrolujte dátum spotreby. Lítium-iónové batérie majú prirodzene dlhšiu životnosť vďaka svojej chémii, ale každá batéria sa od seba líši v závislosti od typu, špecifikácií a spôsobu výroby. Vysokokvalitné batérie vydržia dlhšie, pretože sú vo vnútri vyrobené z jemných materiálov.