Kaj so litij-ionske baterije

1 Kaj so litij-ionske baterije？

Baterija je vir električne energije, sestavljen iz ene ali več elektrokemijskih celic z zunanjimi priključki za napajanje električnih naprav Litij-ionska ali Li-ionska baterija je vrsta polnilne baterije, ki uporablja reverzibilno redukcijo litijevih ionov za shranjevanje energije in je znana po visoki energijski gostoti.

2 Struktura litij-ionskih baterij

Na splošno večina komercialnih litij-ionskih baterij uporablja interkalacijske spojine kot aktivne materiale. Običajno so sestavljeni iz več plasti materialov, ki so razporejeni v določenem vrstnem redu, da olajšajo elektrokemični proces, ki omogoča bateriji shranjevanje in sproščanje energije - anoda, katoda, elektrolit, separator in zbiralnik toka.

Kaj je anoda?

Kot sestavni del baterije ima anoda pomembno vlogo pri zmogljivosti, zmogljivosti in vzdržljivosti baterije. Pri polnjenju je grafitna anoda odgovorna za sprejemanje in shranjevanje litijevih ionov. Ko se baterija izprazni, se litijevi ioni premaknejo od anode do katode, tako da nastane električni tok. Na splošno je najpogostejša komercialno uporabljena anoda grafit, ki v svojem popolnoma litiranem stanju LiC6 ustreza največji zmogljivosti 1339 C/g (372 mAh/g). Toda z razvojem tehnologij so bili raziskani novi materiali, kot je silicij, za izboljšanje gostote energije za litij-ionske baterije.

Kaj je katoda?

Katoda deluje tako, da sprejema in sprošča pozitivno nabite litijeve ione med trenutnimi cikli. Običajno je sestavljen iz plastne strukture plastnega oksida (kot je litijev kobaltov oksid), polianiona (kot je litijev železov fosfat) ali spinela (kot je litijev manganov oksid), prevlečenega na zbiralnik naboja (običajno iz aluminija). 

Kaj je elektrolit?

Kot litijeva sol v organskem topilu elektrolit služi kot medij za premikanje litijevih ionov med anodo in katodo med polnjenjem in praznjenjem.

Kaj je ločilo?

Kot tanka membrana ali plast neprevodnega materiala separator deluje tako, da preprečuje kratki stik med anodo (negativno elektrodo) in katodo (pozitivno elektrodo), saj je ta plast prepustna za litijeve ione, ne pa za elektrone. Prav tako lahko zagotovi enakomeren pretok ionov med elektrodama med polnjenjem in praznjenjem. Zato lahko baterija vzdržuje stabilno napetost in zmanjša nevarnost pregrevanja, vžiga ali eksplozije.

Kaj je zbiralnik toka?

Tokovni zbiralnik je zasnovan tako, da zbira tok, ki ga proizvajajo elektrode baterije, in ga prenaša v zunanji tokokrog, kar je pomembno za zagotavljanje optimalne učinkovitosti in dolgo življenjsko dobo baterije. In običajno je običajno izdelan iz tanke pločevine aluminija ali bakra.

3 Zgodovina razvoja litij-ionskih baterij

Raziskave litij-ionskih baterij za ponovno polnjenje segajo v šestdeseta leta prejšnjega stoletja, eden najzgodnejših primerov je baterija CuF2/Li, ki jo je razvila NASA leta 1965 In naftna kriza je prizadela svet v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, so raziskovalci usmerili svojo pozornost na alternativne vire energije, tako da je bil preboj, ki je ustvaril najzgodnejšo obliko sodobne Li-ionske baterije, narejen zaradi majhne teže in visoke energijske gostote litij-ionskih baterij. Istočasno je Stanley Whittingham iz Exxona odkril, da je mogoče litijeve ione vstaviti v materiale, kot je TiS2, da bi ustvarili baterijo za ponovno polnjenje. 

Zato je poskušal to baterijo komercializirati, vendar zaradi visokih stroškov in prisotnosti kovinskega litija v celicah ni uspelo. Leta 1980 je bilo ugotovljeno, da nov material nudi višjo napetost in je veliko bolj stabilen na zraku, kar bo kasneje uporabljeno v prvi komercialni litij-ionski bateriji, čeprav sam po sebi ni rešil trdovratnega vprašanja vnetljivosti. istega leta je Rachid Yazami izumil litijevo grafitno elektrodo (anodo). Leta 1991 so na trg začele prihajati prve litij-ionske baterije za ponovno polnjenje. V letu 2000 se je povpraševanje po litij-ionskih baterijah povečalo, ko so postale priljubljene prenosne elektronske naprave, zaradi česar so litij-ionske baterije varnejše in vzdržljivejše. Električna vozila so bila uvedena leta 2010, kar je ustvarilo nov trg za litij-ionske baterije 

Razvoj novih proizvodnih procesov in materialov, kot so silicijeve anode in elektroliti v trdnem stanju, je še naprej izboljševal učinkovitost in varnost litij-ionskih baterij. Dandanes so litij-ionske baterije postale nepogrešljive v našem vsakdanjem življenju, zato potekajo raziskave in razvoj novih materialov in tehnologij za izboljšanje delovanja, učinkovitosti in varnosti teh baterij.

4. Vrste litij-ionskih baterij

Litij-ionske baterije so na voljo v različnih oblikah in velikostih in niso vse enake. Običajno obstaja pet vrst litij-ionskih baterij.

l Litijev kobaltov oksid

Litij-kobalt-oksidne baterije so izdelane iz litijevega karbonata in kobalta in so znane tudi kot litij-kobaltatne ali litij-ionske kobaltove baterije. Imajo katodo iz kobaltovega oksida in anodo iz ogljika iz grafita, litijevi ioni pa med praznjenjem migrirajo z anode na katodo, pri čemer se tok obrne, ko je baterija napolnjena. Kar zadeva njihovo uporabo, se uporabljajo v prenosnih elektronskih napravah, električnih vozilih in sistemih za shranjevanje obnovljive energije zaradi svoje visoke specifične energije, nizke stopnje samopraznjenja, visoke delovne napetosti in širokega temperaturnega razpona. Vendar bodite pozorni na varnostne pomisleke, povezane na možnost toplotnega uhajanja in nestabilnosti pri visokih temperaturah.

l Litijev manganov oksid

Litijev manganov oksid (LiMn2O4) je katodni material, ki se pogosto uporablja v litij-ionskih baterijah. Tehnologija za tovrstne baterije je bila prvotno odkrita v 1980-ih, s prvo objavo v Materials Research Bulletin leta 1983. Ena od prednosti LiMn2O4 je, da ima dobro toplotno stabilnost, kar pomeni, da je manj verjetno, da bo prišlo do toplotnega pobega, ki je tudi varnejši od drugih tipov litij-ionskih baterij. Poleg tega je mangan v izobilju in široko dostopen, zaradi česar je bolj trajnostna možnost v primerjavi s katodnimi materiali, ki vsebujejo omejene vire, kot je kobalt. Posledično jih pogosto najdemo v medicinski opremi in napravah, električnih orodjih, električnih motociklih in drugih aplikacijah. Kljub svojim prednostim ima LiMn2O4 slabšo ciklično stabilnost v primerjavi z LiCoO2, kar pomeni, da bo morda zahteval pogostejšo menjavo, zato morda ni tako primeren za sisteme za dolgoročno shranjevanje energije.

l litijev železov fosfat (LFP)

Fosfat se uporablja kot katoda v litij-železo-fosfatnih baterijah, pogosto znanih kot li-fosfatne baterije. Njihova nizka odpornost je izboljšala njihovo toplotno stabilnost in varnost Slovijo tudi po vzdržljivosti in dolgem življenjskem ciklu, zaradi česar so stroškovno najbolj učinkovita možnost za druge vrste litij-ionskih baterij. Posledično se te baterije pogosto uporabljajo v električnih kolesih in drugih aplikacijah, ki zahtevajo dolgo življenjsko dobo in visoko stopnjo varnosti. Toda njegove pomanjkljivosti otežujejo hiter razvoj. Prvič, v primerjavi z drugimi vrstami litij-ionskih baterij stanejo več, ker uporabljajo redke in drage surovine. Poleg tega imajo litij-železo-fosfatne baterije nižjo delovno napetost, kar pomeni, da morda niso primerne za nekatere aplikacije, ki zahtevajo višjo napetost. Zaradi daljšega časa polnjenja je slabši v aplikacijah, ki zahtevajo hitro polnjenje.

l litijev nikelj manganov kobaltov oksid (NMC)

Litij-nikelj-mangan-kobalt-oksidne baterije, pogosto znane kot baterije NMC, so izdelane iz različnih materialov, ki so univerzalni v litij-ionskih baterijah. Vključena je katoda, sestavljena iz mešanice niklja, mangana in kobalta Zaradi visoke energijske gostote, dobre ciklične zmogljivosti in dolge življenjske dobe je postal prva izbira v električnih vozilih, sistemih za shranjevanje v omrežju in drugih visoko zmogljivih aplikacijah, kar je dodatno prispevalo k vse večji priljubljenosti električnih vozil in sistemov obnovljive energije. Za povečanje zmogljivosti so uporabljeni novi elektroliti in dodatki, ki omogočajo polnjenje do 4,4 V/celico in več. Obstaja trend k litij-ionskim mešanicam NMC, saj je sistem stroškovno učinkovit in zagotavlja dobro delovanje. Nikelj, mangan in kobalt so trije aktivni materiali, ki jih je mogoče zlahka kombinirati, da ustrezajo širokemu naboru avtomobilskih in sistemov za shranjevanje energije (EES), ki zahtevajo pogosto kolesarjenje.

 Iz tega lahko vidimo, da družina NMC postaja vse bolj raznolika

Vendar pa lahko njeni stranski učinki toplotnega pobega, nevarnosti požara in skrbi za okolje ovirajo njen nadaljnji razvoj.

l Litijev titanat

Litijev titanat, pogosto znan kot li-titanat, je vrsta baterije, ki ima vedno več uporab. Zaradi vrhunske nanotehnologije se lahko hitro polni in prazni, hkrati pa ohranja stabilno napetost, zaradi česar je zelo primeren za aplikacije z visoko močjo, kot so električna vozila, komercialni in industrijski sistemi za shranjevanje energije ter shranjevanje na ravni omrežja. Skupaj z njihovo varnostjo in zanesljivostjo bi se te baterije lahko uporabljale za vojaške in vesoljske namene, pa tudi za shranjevanje vetrne in sončne energije ter gradnjo pametnih omrežij. Poleg tega bi lahko glede na Battery Space te baterije uporabili v sistemsko kritičnih varnostnih kopijah elektroenergetskega sistema. Kljub temu so litij-titanatne baterije ponavadi dražje od tradicionalnih litij-ionskih baterij zaradi zapletenega postopka izdelave, potrebnega za njihovo proizvodnjo.

5. Razvojni trendi litij-ionskih baterij

Globalna rast naprav za obnovljivo energijo je povečala občasno proizvodnjo energije in ustvarila neuravnoteženo omrežje. To je privedlo do povpraševanja po baterijah. Medtem ko osredotočenost na ničelne emisije ogljika in potreba po odmiku od fosilnih goriv, ​​namreč premoga, za proizvodnjo električne energije spodbudita več vlad, da spodbujajo sončne in vetrne naprave. Te naprave so primerne za sisteme za shranjevanje baterij, ki shranjujejo presežek proizvedene energije. Zato vladne spodbude za spodbujanje namestitve litij-ionskih baterij spodbujajo tudi razvoj litij-ionskih baterij Na primer, predvideva se, da se bo obseg svetovnega trga litij-ionskih baterij NMC povečal z milijonov ameriških dolarjev leta 2022 na milijone ameriških dolarjev leta 2029; pričakuje se, da bo od leta 2023 do CAGR naraščal % 2029  Predvideva se, da bodo zaradi naraščajočih potreb aplikacij, ki zahtevajo velike obremenitve, litij-ionske baterije 3000–10000 postale najhitreje rastoči segment v predvidenem obdobju (2022–2030).

6 Analiza naložb v litij-ionske baterije

Predvideva se, da bo tržna industrija litij-ionskih baterij zrasla z 51,16 milijarde USD leta 2022 na 118,15 milijarde USD do leta 2030, s skupno letno stopnjo rasti 4,72 % v predvidenem obdobju (2022–2030), kar je odvisno od več dejavnikov.

l Analiza končnega uporabnika

Naprave v komunalnem sektorju so ključna gonilna sila za sisteme za shranjevanje energije iz baterij (BESS). Pričakuje se, da bo ta segment zrasel z 2,25 milijarde USD leta 2021 na 5,99 milijarde USD leta 2030 pri CAGR 11,5%.  Li-ionske baterije kažejo višji 34,4-odstotni CAGR zaradi nizke osnove rasti. Stanovanjski in komercialni segmenti shranjevanja energije so druga področja z velikim tržnim potencialom v višini 5,51 milijarde USD leta 2030 z 1,68 milijarde USD leta 2021. Industrijski sektor nadaljuje korak proti ničelnim emisijam ogljika, pri čemer podjetja v naslednjih dveh desetletjih obljubljajo ničelne neto emisije. Podjetja za telekomunikacije in podatkovne centre so v ospredju zmanjševanja emisij ogljika s povečanim poudarkom na obnovljivih virih energije Vse to bo spodbudilo hiter razvoj  litij-ionskih baterij, saj podjetja najdejo načine za zagotovitev zanesljive varnostne kopije in uravnoteženja omrežja.

l Analiza vrste izdelka

Zaradi visoke cene kobalta so baterije brez kobalta eden od razvojnih trendov litij-ionskih baterij. Visokonapetostni LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) z visoko teoretično energijsko gostoto je eden najbolj obetavnih katodnih materialov brez Co v prihodnosti. Nadalje so eksperimentalni rezultati dokazali, da se zmogljivost cikliranja in hitrosti C LNMO baterije izboljša z uporabo poltrdnega elektrolita. To se lahko domneva, da je anionski COF sposoben močno absorbirati Mn3+/Mn2+ in Ni2+ preko Coulombove interakcije, kar omejuje njihovo destruktivno migracijo na anodo. Zato bo to delo koristno za komercializacijo katodnega materiala LNMO.

l Regionalna analiza

Azijsko-pacifiška regija bo do leta 2030 največji trg stacionarnih litij-ionskih baterij, ki ga bodo poganjale javne službe in industrija. Prehitel bo Severno Ameriko in Evropo s trgom v višini 7,07 milijarde dolarjev leta 2030, kar bo zraslo z 1,24 milijarde dolarjev leta 2021 pri CAGR 21,3 %. Severna Amerika in Evropa bosta naslednja največja trga zaradi njunih ciljev razogljičenja svojih gospodarstev in omrežja v naslednjih dveh desetletjih. LATAM bo dosegel najvišjo stopnjo rasti pri CAGR 21,4 % zaradi svoje manjše velikosti in nizke osnove.

7 Stvari, ki jih je treba upoštevati pri visokokakovostnih litij-ionskih baterijah

Pri nakupu optičnega solarnega pretvornika ni treba upoštevati le cene in kakovosti, ampak tudi druge dejavnike.

l Gostota energije

Gostota energije je količina energije, shranjene na enoto prostornine. Večja gostota energije z manjšo težo in velikostjo je obsežnejša med cikli polnjenja.

Ln  Varnost

Varnost je še en kritičen vidik litij-ionskih baterij, saj lahko med polnjenjem ali praznjenjem pride do eksplozij in požarov, zato je treba izbrati baterije z izboljšanimi varnostnimi mehanizmi, kot so temperaturni senzorji in inhibitorne snovi.

l Vrsta

Eden najnovejših trendov v industriji litij-ionskih baterij je razvoj polprevodniških baterij, ki ponuja vrsto prednosti, kot sta višja energijska gostota in daljša življenjska doba. Na primer, uporaba polprevodniških baterij v električnih avtomobilih bo znatno povečala njihov doseg in varnost.

l Stopnja polnjenja

Hitrost polnjenja je odvisna od tega, kako hitro se baterija varno polni. Včasih se baterija dolgo polni, preden jih lahko uporabite.

l Življenjska doba

 Nobena baterija ne deluje vso življenjsko dobo, vendar ima rok trajanja. Pred nakupom preverite rok uporabe. Litij-ionske baterije imajo daljšo življenjsko dobo zaradi svoje kemije, vendar se vsaka baterija med seboj razlikuje glede na vrsto, specifikacije in način izdelave. Visokokakovostne baterije bodo zdržale dlje, saj so znotraj izdelane iz finih materialov.