Čo sú to lítium-iónové batérie?

1. Čo sú to lítium-iónové batérie?

Batéria je zdroj elektrickej energie pozostávajúci z jedného alebo viacerých elektrochemické články s vonkajším pripojením na napájanie elektrických zariadení. Lítium-iónová alebo lítium-iónová batéria je typ nabíjateľnej batérie, ktorá využíva reverzibilná redukcia lítiových iónov na ukladanie energie a je známa svojou vysokou hustota energie.

2. Štruktúra lítium-iónových batérií

Vo všeobecnosti väčšina komerčných lítium-iónových batérií používa interkalačné zlúčeniny ako aktívne materiály. Zvyčajne pozostávajú z niekoľkých vrstiev materiálov, ktoré sú usporiadané v špecifickom poradí na uľahčenie elektrochemického procesu, ktorý umožňuje batérii ukladať a uvoľňovať energiu - anóda, katóda, elektrolyt, separátor a zberač prúdu.

Čo je anóda?

Ako súčasť batérie hrá anóda dôležitú úlohu v kapacite, výkon a výdrž batérie. Pri nabíjaní je grafitová anóda zodpovedný za prijímanie a skladovanie lítiových iónov. Keď je batéria vybité, lítiové ióny sa pohybujú z anódy na katódu tak, že an vzniká elektrický prúd. Všeobecne najbežnejšia komerčne používaná anóda je grafit, ktorý vo svojom plne lítiovom stave LiC6 koreluje s maximom kapacita 1339 C/g (372 mAh/g). Ale s rozvojom technológií, nové materiály ako kremík boli skúmané na zlepšenie hustoty energie pre lítium-iónové batérie.

Čo je katóda?

Katóda pracuje tak, aby prijímala a uvoľňovala kladne nabité lítiové ióny počas aktuálne cykly. Zvyčajne pozostáva z vrstvenej štruktúry vrstveného oxidu (ako je oxid lítny a kobaltnatý), polyanión (ako je fosforečnan lítno-železnatý) alebo spinel (ako je oxid lítny a mangán) nanesený na zberač náboja (zvyčajne vyrobené z hliníka).

Čo je elektrolyt?

Ako lítiová soľ v organickom rozpúšťadle slúži elektrolyt ako médium aby sa lítiové ióny pohybovali medzi anódou a katódou počas nabíjania a vybíjanie.

Čo je to separátor?

Ako tenká membrána alebo vrstva nevodivého materiálu funguje separátor zabrániť anóde (zápornej elektróde) a katóde (kladnej elektróde). skrat, pretože táto vrstva je priepustná pre ióny lítia, ale nie pre elektróny. to môže tiež zabezpečiť stabilný tok iónov medzi elektródami počas nabíjania a vybíjanie. Preto môže batéria udržiavať stabilné napätie a znižovať nebezpečenstvo prehriatia, horenia alebo výbuchu.

Čo je zberač prúdu?

Zberač prúdu je určený na zber prúdu produkovaného elektródy batérie a transportuje ju do vonkajšieho obvodu, ktorý je dôležité na zabezpečenie optimálneho výkonu a životnosti batérie. A zvyčajne sa zvyčajne vyrába z tenkého hliníkového alebo medeného plechu.

3. História vývoja lítium-iónových batérií

Výskum nabíjateľných lítium-iónových batérií sa datuje do 60. rokov 20. storočia, jeden z nich najskorším príkladom je batéria CuF2/Li vyvinutá NASA v roku 1965. A ropná kríza zasiahli svet v 70. rokoch minulého storočia, výskumníci obrátili svoju pozornosť na alternatívu zdroje energie, takže prielom, ktorý vytvoril najskoršiu formu Moderná Li-ion batéria bola vyrobená z dôvodu nízkej hmotnosti a vysokej energie hustota lítium-iónových batérií. Zároveň Stanley Whittingham z Exxonu zistili, že lítiové ióny môžu byť vložené do materiálov, ako je TiS2 vytvorte nabíjateľnú batériu 

Pokúsil sa teda túto batériu komercializovať, ale zlyhal v dôsledku vysokej ceny a prítomnosti kovového lítia v článkoch. V roku 1980 sa zistilo, že nový materiál ponúka vyššie napätie a oveľa viac stabilný na vzduchu, ktorý by sa neskôr použil v prvej komerčnej lítium-iónovej batérii, aj keď sama osebe nevyriešila pretrvávajúci problém horľavosť. V tom istom roku Rachid Yazami vynašiel lítium-grafit elektróda (anóda). A potom v roku 1991 prvé dobíjacie lítium-iónové batérie na svete batérie začali vstupovať na trh 

V roku 2000 bol dopyt po lítium-iónových batérie sa zvýšili, pretože prenosné elektronické zariadenia sa stali populárnymi, čo poháňa lítium-iónové batérie, aby boli bezpečnejšie a odolnejšie. Elektrické vozidlá boli predstavený v roku 2010, čo vytvorilo nový trh pre lítium-iónové batérie. The vývoj nových výrobných procesov a materiálov, ako sú kremíkové anódy a elektrolytov v tuhom stave, pokračovalo v zlepšovaní výkonu a bezpečnosti lítium-iónové batérie. V súčasnosti sa lítium-iónové batérie stali nevyhnutnými náš každodenný život, teda výskum a vývoj nových materiálov a technológie neustále zlepšujú výkon, efektívnosť a bezpečnosť tieto batérie.

4. Typy lítium-iónových batérií

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

l Oxid lítno-kobaltový

Lítium-kobaltoxidové batérie sa vyrábajú z uhličitanu lítneho a kobaltové a sú tiež známe ako lítium-kobaltové alebo lítium-iónové kobaltové batérie. Majú katódu z oxidu kobaltu a grafitovú uhlíkovú anódu a lítne ióny migrujú z anódy na katódu počas vybíjania, pričom sa tok obráti keď je batéria nabitá. Pokiaľ ide o jeho aplikáciu, používajú sa v prenosných zariadeniach elektronické zariadenia, elektrické vozidlá a systémy skladovania obnoviteľnej energie kvôli ich vysokej špecifickej energii, nízkej rýchlosti samovybíjania, vysokej prevádzke napätie a široký rozsah teplôt. Pozor však na bezpečnosť súvisiaci s potenciálom tepelného úniku a nestability pri vysokej teploty.

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 objavený v 80. rokoch 20. storočia s prvou publikáciou v časopise Materials Research Bulletin v roku 1983. Jednou z výhod LiMn2O4 je, že má dobré tepelné vlastnosti stabilita, čo znamená, že je menej pravdepodobné, že zažije tepelný únik, ktorý sú tiež bezpečnejšie ako iné typy lítium-iónových batérií. Okrem toho je to mangán hojné a široko dostupné, vďaka čomu je v porovnaní s nimi udržateľnejšia možnosť na katódové materiály, ktoré obsahujú obmedzené zdroje ako kobalt. v dôsledku toho často sa nachádzajú v lekárskych zariadeniach a zariadeniach, elektrickom náradí, elektrickom motocykle a iné aplikácie. Napriek svojim výhodám je LiMn2O4 chudobnejší cyklická stabilita v porovnaní s LiCoO2, čo znamená, že môže vyžadovať viac častou výmenou, takže nemusí byť až taký vhodný na dlhodobé skladovanie energie systémov.

l lítium-železofosfát (LFP)

Fosfát sa často používa ako katóda v lítium-železofosfátových batériách známe ako li-fosfátové batérie. Ich nízky odpor zlepšil ich tepelnú odolnosť stabilitu a bezpečnosť. Sú tiež známe svojou odolnosťou a dlhým životným cyklom, čo z nich robí nákladovo najefektívnejšiu možnosť iných typov lítium-iónových batérie. V dôsledku toho sa tieto batérie často používajú v elektrických bicykloch a iné aplikácie vyžadujúce dlhú životnosť a vysokú úroveň bezpečnosti. Jeho nevýhody však sťažujú rýchly vývoj. Po prvé, v porovnaní s iné typy lítium-iónových batérií sú drahšie, pretože používajú zriedkavé a drahé suroviny. Okrem toho majú lítium-železofosfátové batérie a nižšie prevádzkové napätie, čo znamená, že pre niektorých nemusia byť vhodné aplikácie, ktoré vyžadujú vyššie napätie. Vďaka dlhšej dobe nabíjania je a nevýhodou v aplikáciách, ktoré vyžadujú rýchle nabíjanie.

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

Lítium-nikel-mangánové batérie s oxidom kobaltom, často známe ako NMC batérie, sú vyrobené z rôznych materiálov, ktoré sú univerzálne v lítium-iónové batérie. Katóda vyrobená zo zmesi niklu, mangánu a obsahuje kobalt. Jeho vysoká hustota energie, dobrý cyklistický výkon a a dlhá životnosť z neho urobila prvú voľbu v elektrických vozidlách, sieťové skladovanie systémov a iných vysokovýkonných aplikácií, čo ďalej prispelo k rastúcej popularite elektrických vozidiel a systémov obnoviteľnej energie. Komu na zvýšenie kapacity sa používajú nové elektrolyty a prísady, ktoré to umožňujú nabíjajte na 4,4V/článok a vyššie 

Odvtedy existuje trend smerom k lítium-iónom zmiešaným s NMC systém je nákladovo efektívny a poskytuje dobrý výkon. nikel, mangán, a kobalt sú tri aktívne materiály, ktoré možno ľahko kombinovať tak, aby vyhovovali širokej škále rozsah aplikácií automobilových a energetických skladovacích systémov (EES), ktoré vyžadujú časté bicyklovanie. Z čoho môžeme vidieť, že rodina NMC sa stáva čoraz viac rôznorodé Avšak, jeho vedľajšie účinky tepelného úniku, nebezpečenstvo požiaru a životného prostredia obavy môžu brániť jeho ďalšiemu rozvoju.

l Titanát lítny

Lítiumtitanát, často známy ako li-titanát, je typ batérie, ktorý má a rastúci počet použití. Vďaka svojej vynikajúcej nanotechnológii to dokáže rýchlo sa nabíja a vybíja pri zachovaní stabilného napätia, čo ho robí dobre sa hodí pre vysokovýkonné aplikácie, ako sú elektrické vozidlá, komerčné a priemyselné systémy skladovania energie a skladovanie na úrovni siete 

Spolu s jeho bezpečnosť a spoľahlivosť, tieto batérie by mohli byť použité pre armádu a letectvo aplikácie, ako aj skladovanie veternej a slnečnej energie a inteligentná výstavba mriežky. Ďalej by podľa Battery Space tieto batérie mohli byť používané pri zálohovaní kritických systémov napájania. Napriek tomu titaničitan lítny Batérie majú tendenciu byť drahšie ako tradičné lítium-iónové batérie na zložitý výrobný proces potrebný na ich výrobu.

5. Vývojové trendy lítium-iónových batérií

Globálny rast zariadení na výrobu obnoviteľnej energie sa zvýšil prerušovaná výroba energie, čím sa vytvára nevyvážená sieť. To viedlo k a dopyt po batériách.zatiaľ čo sa zameriava na nulové emisie uhlíka a je potrebné sa pohnúť od fosílnych palív, menovite uhlia, na výrobu energie podnietia viac vlády, aby stimulovali solárne a veterné elektrárne. Tieto inštalácie sa hodia k batériovým úložným systémom, ktoré uchovávajú prebytočnú energiu generované 

Preto vládne stimuly na podporu Li-ion batérie inštalácie tiež riadia vývoj lítium-iónových batérií. napr. Očakáva sa, že celosvetový trh s lítium-iónovými batériami NMC porastie z amerických dolárov miliónov v roku 2022 na milión USD v roku 2029; očakáva sa rast pri CAGR % od roku 2023 do roku 2029. A zvyšujúce sa potreby náročných aplikácií Predpokladá sa, že lítium-iónové batérie 3000-10000 budú najrýchlejšie rastúci segment počas prognózovaného obdobia (2022 – 2030).

6. Investičná analýza lítium-iónových batérií

Očakáva sa, že trh s lítium-iónovými batériami vzrastie z 51,16 USD miliardy v roku 2022 na 118,15 miliardy USD do roku 2030, čo predstavuje zložený ročný tempo rastu 4,72 % počas prognózovaného obdobia (2022-2030), čo závisí od viacero faktorov.

l Analýza koncového používateľa

Inštalácie v sektore verejných služieb sú kľúčovými hnacími silami pre skladovanie energie z batérie systémy (BESS). Očakáva sa, že tento segment vzrastie z 2,25 miliardy USD v roku 2021 na 5,99 miliardy dolárov v roku 2030 pri CAGR 11,5 %. Li-ion batérie vykazujú vyššiu hodnotu 34,4 % CAGR kvôli ich nízkej rastovej základni. Rezidenčné a komerčné skladovanie energie segmenty sú ďalšie oblasti s veľkým trhovým potenciálom vo výške 5,51 miliardy USD v roku 2030, z 1,68 miliardy dolárov v roku 2021. Priemyselný sektor pokračuje v napredovaní nulové emisie uhlíka, pričom spoločnosti sa v nasledujúcich dvoch zaviažu k nule desaťročia. Spoločnosti v oblasti telekomunikácií a dátových centier sú v popredí znižovania uhlíkových emisií so zvýšeným zameraním na obnoviteľné zdroje energie. Všetky z ktorých podporí rýchly vývoj lítium-iónových batérií ako spoločnosti hľadajú spôsoby, ako zabezpečiť spoľahlivé zálohovanie a vyvažovanie siete.

l Analýza typu produktu

Kvôli vysokej cene kobaltu je jednou z nich aj bezkobaltová batéria vývojové trendy lítium-iónových batérií. Vysokonapäťové LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) s vysokou teoretickou hustotou energie je jedným z najsľubnejších Co-free katódové materiály v ďalšom. Ďalej to potvrdili experimentálne výsledky cyklovanie a výkon C-rate batérie LNMO sa zlepšuje použitím polotuhý elektrolyt. To môže byť navrhnuté, že aniónový COF je schopný silne absorbuje Mn3+/Mn2+ a Ni2+ prostredníctvom Coulombovej interakcie, obmedzenie ich deštruktívnej migrácie na anódu. Preto bude táto práca byť prínosom pre komercializáciu katódového materiálu LNMO.

l Regionálna analýza

Ázia a Tichomorie bude najväčším trhom so stacionárnymi lítium-iónovými batériami 2030, poháňané verejnými službami a priemyselnými odvetviami. Predbehne Severnú Ameriku a Európa s trhom vo výške 7,07 miliardy USD v roku 2030, ktorý vzrástol z 1,24 miliardy USD v roku 2021 pri CAGR 21,3 %. Ďalšími najväčšími budú Severná Amerika a Európa trhoch kvôli ich cieľom dekarbonizovať ich ekonomiky a rozvodnú sieť v budúcnosti dve desaťročia. LATAM zaznamená najvyššiu mieru rastu pri CAGR 21,4 %, pretože svojej menšej veľkosti a nízkej základne.

7. Čo treba zvážiť pri vysokokvalitných lítium-iónových batériách

Pri kúpe optického solárneho meniča musí byť nielen cena a kvalita je potrebné vziať do úvahy aj ďalšie faktory.

l Energetická hustota

Hustota energie je množstvo energie uloženej na jednotku objemu. Vyššie hustota energie s menšou hmotnosťou a veľkosťou je medzi nabíjaním väčšia cyklov.

l Bezpečnosť

Bezpečnosť je ďalším kritickým aspektom lítium-iónových batérií od výbuchov a požiarov, ktoré môžu vzniknúť pri nabíjaní alebo vybíjaní, preto je potrebné vyberte 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 solid-state batérií, ktorý ponúka celý rad výhod ako napr vyššia hustota energie a dlhší životný cyklus. Napríklad použitie polovodičové batérie v elektromobiloch výrazne zvýšia ich dojazd schopnosti a bezpečnosti.

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. Skontrolujte expiráciu dátum pred nákupom. Lítium-iónové batérie majú vlastnú dlhšiu životnosť vďaka svojej chémii, ale každá batéria sa od seba líši v závislosti od typ, špecifikácie a spôsob ich výroby. Vysoko kvalitné batérie budú vydržia dlhšie, keďže sú vo vnútri vyrobené z jemných materiálov.