Kaj so litij-ionske baterije?

1. Kaj so litij-ionske baterije?

Baterija je vir električne energije, sestavljen iz enega ali več elektrokemične celice z zunanjimi priključki za napajanje električnih naprav. Litij-ionska ali Li-ionska baterija je vrsta polnilne baterije, ki uporablja reverzibilno zmanjšanje litijevih ionov za shranjevanje energije in je znano po visoki energijska gostota.

2. Struktura litij-ionskih baterij

Na splošno večina komercialnih litij-ionskih baterij uporablja interkalacijske spojine kot aktivni materiali. Običajno so sestavljeni iz več plasti materialov, ki so urejen v posebnem vrstnem redu, da olajša 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, zmogljivost in vzdržljivost baterije. Pri polnjenju je grafitna anoda odgovoren za sprejemanje in shranjevanje litijevih ionov. Ko je baterija izpraznjeni se litijevi ioni premikajo od anode do katode, tako da an nastane električni tok. Na splošno najpogostejša komercialno uporabljena anoda je grafit, ki v svojem popolnoma litiranem stanju LiC6 ustreza maksimumu zmogljivost 1339 C/g (372 mAh/g). Z razvojem tehnologij pa nove materiali, kot je silicij, so bili raziskani za izboljšanje gostote energije za litij-ionske baterije.

Kaj je katoda?

Katoda deluje tako, da sprejema in sprošča pozitivno nabite litijeve ione med trenutni cikli. Običajno je sestavljen iz plastne strukture plastnega oksida (kot je litijev kobaltov oksid), polianion (kot je litijev železov fosfat) ali spinel (kot je litijev manganov oksid), prevlečen 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 praznjenje.

Kaj je ločilo?

Separator deluje kot tanka membrana ali plast neprevodnega materiala preprečite, da bi anoda (negativna elektroda) in katoda (pozitivna elektroda) pred kratkega stika, saj je ta plast prepustna za litijeve ione, ne pa za elektrone. To lahko zagotovi tudi enakomeren pretok ionov med elektrodama med polnjenjem in praznjenje. Zato lahko baterija vzdržuje stabilno napetost in zmanjša nevarnost pregrevanja, vžiga ali eksplozije.

Kaj je zbiralnik toka?

Tokovni zbiralnik je zasnovan za zbiranje toka, ki ga proizvaja elektrode baterije in jo prenese v zunanji tokokrog, ki je pomembno za zagotavljanje optimalne učinkovitosti in dolgo življenjsko dobo baterije. in običajno je običajno narejen iz tanke pločevine aluminija ali bakra.

3. Zgodovina razvoja litij-ionskih baterij

Raziskave litij-ionskih baterij za ponovno polnjenje segajo v šestdeseta leta 20. stoletja, ena od Najzgodnejši primer je baterija CuF2/Li, ki jo je razvila NASA leta 1965. In naftna kriza ki je v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja prizadel svet, so se raziskovalci posvetili alternativi virov energije, torej preboj, ki je ustvaril najzgodnejšo obliko sodobna Li-ion baterija je bila narejena zaradi majhne teže in visoke energije gostota litij-ionskih baterij. Hkrati Stanley Whittingham iz Exxona odkrili, da je mogoče litijeve ione vstaviti v materiale, kot je TiS2 do ustvarite polnilno baterijo 

Zato je poskušal komercializirati to baterijo, vendar ni uspelo zaradi visokih stroškov in prisotnosti kovinskega litija v celicah. Leta 1980 je bilo ugotovljeno, da nov material ponuja višjo napetost in je veliko več stabilen na zraku, ki bo kasneje uporabljen v prvi komercialni Li-ion bateriji, čeprav samo po sebi ni rešilo trdovratne težave vnetljivost. Istega leta je Rachid Yazami izumil litijev grafit elektroda (anoda). In nato leta 1991 prvi litij-ionski na svetu za polnjenje baterije začele vstopati na trg 

V 2000-ih je povpraševanje po litij-ionskih baterij se je povečalo, ko so postale priljubljene prenosne elektronske naprave, ki poganjajo litij-ionske baterije, da so varnejše in trajnejše. Električna vozila so bila uveden leta 2010, kar je ustvarilo nov trg za litij-ionske baterije. The razvoj novih proizvodnih procesov in materialov, kot so silicijeve anode in trdnih elektrolitov, še naprej izboljšuje učinkovitost in varnost litij-ionske baterije. Dandanes so litij-ionske baterije postale nujne naše vsakdanje življenje, zato raziskave in razvoj novih materialov in tehnologije se nenehno razvijajo za izboljšanje delovanja, učinkovitosti in varnosti te baterije.

4. Vrste litij-ionskih baterij

Litij-ionske baterije so na voljo v različnih oblikah in velikostih in ne vseh so izenačeni. Običajno obstaja pet vrst litij-ionskih baterij.

l Litijev kobaltov oksid

Litij-kobalt-oksidne baterije so izdelane iz litijevega karbonata in kobalt in so znane tudi kot litij-kobaltatne ali litij-ionske kobaltove baterije. Imajo katodo iz kobaltovega oksida in grafitno ogljikovo anodo ter litijeve ione med praznjenjem migrirajo z anode na katodo, pri čemer se tok obrne ko je baterija napolnjena. Kar zadeva njegovo uporabo, se uporabljajo v prenosnih elektronske naprave, električna vozila in sistemi za shranjevanje obnovljive energije zaradi njihove visoke specifične energije, nizke stopnje samopraznjenja, visokega delovanja napetosti in širokem temperaturnem območju. Vendar bodite pozorni na pomisleke glede varnosti povezana z možnostjo toplotnega uhajanja in nestabilnosti pri visokih temperature.

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 odkrit v osemdesetih letih prejšnjega stoletja s prvo objavo v reviji Materials Research Bilten leta 1983. Ena od prednosti LiMn2O4 je, da ima dobro toploto stabilnost, kar pomeni, da je manj verjetno, da bo prišlo do termičnega bega, kar so tudi varnejše od drugih tipov litij-ionskih baterij. Poleg tega je mangan v izobilju in široko dostopen, zaradi česar je bolj trajnostna možnost v primerjavi na katodne materiale, ki vsebujejo omejene vire, kot je kobalt. Kot rezultat, pogosto jih najdemo v medicinski opremi in napravah, električnem orodju, električnih motorna kolesa in druge aplikacije. Kljub svojim prednostim je LiMn2O4 revnejši ciklična stabilnost v primerjavi z LiCoO2, kar pomeni, da lahko zahteva več pogosta menjava, zato morda ni tako primeren za dolgoročno shranjevanje energije sistemi.

l litijev železov fosfat (LFP)

Fosfat se pogosto uporablja kot katoda v litij-železo-fosfatnih baterijah znane kot li-fosfatne baterije. Njihova nizka odpornost je izboljšala njihovo toploto stabilnost in varnost. Slovijo tudi po vzdržljivosti in dolgi življenjski dobi, zaradi česar so stroškovno najučinkovitejša možnost za druge vrste litij-ionskih baterije. Posledično se te baterije pogosto uporabljajo v električnih kolesih in druge aplikacije, ki zahtevajo dolgo življenjsko dobo in visoko stopnjo varnosti. Toda njegove pomanjkljivosti otežujejo hiter razvoj. Prvič, v primerjavi z druge vrste litij-ionskih baterij stanejo več, ker uporabljajo redke in drage surovine. Poleg tega imajo litij-železo-fosfatne baterije a nižjo delovno napetost, kar pomeni, da nekaterim morda niso primerni aplikacije, ki zahtevajo višjo napetost. Zaradi daljšega časa polnjenja je a slabost pri aplikacijah, ki zahtevajo hitro polnjenje.

l litijev nikelj manganov kobaltov oksid (NMC)

Litij-nikelj-manganove baterije s kobalt-oksidom, pogosto znane kot NMC baterije so izdelane iz različnih materialov, ki so univerzalni litij-ionske baterije. Katoda je sestavljena iz mešanice niklja, mangana in kobalt je vključen. Njegova visoka energijska gostota, dobra kolesarska zmogljivost in a zaradi dolge življenjske dobe je postal prva izbira pri električnih vozilih, omrežnem shranjevanju sistemov in drugih visoko zmogljivih aplikacij, kar je dodatno prispevalo vse večji priljubljenosti električnih vozil in sistemov obnovljive energije. Za za povečanje zmogljivosti se uporabljajo novi elektroliti in dodatki, ki to omogočajo polnite na 4,4 V/celico in več 

Od takrat obstaja trend k litij-ionskim mešanicam NMC sistem je stroškovno učinkovit in zagotavlja dobro delovanje. Nikelj, mangan, in kobalt so trije aktivni materiali, ki jih je mogoče zlahka kombinirati, da ustrezajo širokemu spektru nabor avtomobilskih in sistemov za shranjevanje energije (EES), ki zahtevajo pogosto kolesarjenje. Iz tega lahko vidimo, da se družina NMC povečuje Vendar pa so njegovi stranski učinki toplotnega uhajanja, nevarnosti požara in okolja pomisleki lahko ovirajo njegov nadaljnji razvoj.

l Litijev titanat

Litijev titanat, pogosto znan kot li-titanat, je vrsta baterije, ki ima naraščajoče število uporab. Zaradi svoje vrhunske nanotehnologije lahko hitro polnjenje in praznjenje ob ohranjanju stabilne napetosti, zaradi česar je zelo primeren za uporabo z visoko močjo, kot so električna vozila, komercialna vozila in industrijski sistemi za shranjevanje energije ter shranjevanje na ravni omrežja 

Skupaj s svojim Zaradi varnosti in zanesljivosti bi se te baterije lahko uporabljale v vojski in vesolju aplikacije, kot tudi shranjevanje vetrne in sončne energije ter pametno gradnjo mreže. Poleg tega bi glede na Battery Space te baterije lahko bile zaposlen pri sistemsko kritičnih varnostnih kopijah elektroenergetskega sistema. Kljub temu litijev titanat baterije so ponavadi dražje od tradicionalnih litij-ionskih baterij na zapleten proces izdelave, ki je potreben za njihovo izdelavo.

5. Razvojni trendi litij-ionskih baterij

Globalna rast naprav za obnovljivo energijo se je povečala občasno proizvodnjo energije, ki ustvarja neuravnoteženo omrežje. To je pripeljalo do a povpraševanje po baterijah. medtem ko se osredotočajo na ničelne emisije ogljika in se morajo premikati stran od fosilnih goriv, ​​namreč premoga, za proizvodnjo električne energije zahteva več vlade za spodbujanje naprav za sončno in vetrno energijo. te instalacije so primerne za sisteme za shranjevanje baterij, ki shranjujejo odvečno energijo ustvarjena 

Zato vladne spodbude spodbujajo Li-ionsko baterijo napeljave prav tako spodbujajo razvoj litij-ionskih baterij. na primer velikost svetovnega trga litij-ionskih baterij NMC naj bi se povečala z US$ milijonov v letu 2022 na milijone ameriških dolarjev v letu 2029; pričakuje se, da bo rasel pri CAGR % od 2023 do 2029. In vse večje potrebe aplikacij, ki zahtevajo veliko obremenitve naj bi bile najhitrejše litij-ionske baterije 3000–10000 rastočega segmenta v obdobju napovedi (2022–2030).

6. Analiza naložb v litij-ionske baterije

Tržna industrija litij-ionskih baterij naj bi se povečala z 51,16 USD milijarde do leta 2022 na 118,15 milijarde USD do leta 2030, kar kaže na sestavljeno letno stopnja rasti 4,72 % v obdobju napovedi (2022–2030), ki je odvisna od več dejavnikov.

l Analiza končnega uporabnika

Naprave v komunalnem sektorju so ključna gonilna sila za shranjevanje energije iz baterij sistemi (BESS). Ta segment naj bi se leta 2021 povečal z 2,25 milijarde USD na 5,99 milijarde USD leta 2030 pri CAGR 11,5%. Li-ionske baterije kažejo višjih 34,4 % CAGR zaradi njihove nizke osnove rasti. Stanovanjsko in komercialno shranjevanje energije segmenti so druga področja z velikim tržnim potencialom v višini 5,51 milijarde USD leta 2030, z 1,68 milijarde dolarjev leta 2021. Industrijski sektor nadaljuje pohod proti ničelnih emisij ogljika, pri čemer bodo podjetja v naslednjih dveh obljubila ničelne neto emisije desetletja. Podjetja za telekomunikacije in podatkovne centre so v ospredju zmanjševanja emisije ogljika s povečanim poudarkom na obnovljivih virih energije. Vse ki bo spodbujal hiter razvoj litij-ionskih baterij kot podjetja najdejo načine, kako zagotoviti zanesljivo varnostno kopiranje in uravnoteženje omrežja.

l Analiza vrste izdelka

Zaradi visoke cene kobalta je baterija brez kobalta ena izmed trendi razvoja litij-ionskih baterij. Visokonapetostni LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) z visoko teoretično energijsko gostoto je eden najbolj obetavnih Co-free katodnih materialov v nadaljevanju. Nadalje so eksperimentalni rezultati to dokazali ciklično delovanje in zmogljivost baterije LNMO sta izboljšana z uporabo poltrdni elektrolit. To je mogoče domnevati, da je sposoben anionski COF močno absorbira Mn3+/Mn2+ in Ni2+ preko Coulombove interakcije, zadrževanje njihove destruktivne migracije na anodo. Zato bo to delo koristno za komercializacijo katodnega materiala LNMO.

l Regionalna analiza

Azijsko-pacifiška regija bo največji trg stacionarnih litij-ionskih baterij 2030, ki ga poganjajo javne službe in industrija. Prehitela bo Severno Ameriko in Evropa s trgom v višini 7,07 milijarde USD leta 2030, ki se je povečal z 1,24 milijarde USD v 2021 s CAGR 21,3 %. Severna Amerika in Evropa bosta naslednji največji trgih zaradi svojih ciljev razogljičiti svoja gospodarstva in se povezati v naslednjem dve desetletji. LATAM bo zabeležil najvišjo stopnjo rasti pri CAGR 21,4 %, ker njegove manjše velikosti in nizke osnove.

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

Pri nakupu optičnega solarnega razsmernika nista pomembna samo cena in kakovost upoštevati je treba tudi druge dejavnike.

l Gostota energije

Gostota energije je količina energije, shranjene na enoto prostornine. višje energijska gostota z manjšo težo in velikostjo je med polnjenji večja ciklov.

l Varnost

Varnost je še en pomemben vidik litij-ionskih baterij od eksplozij in požari, ki lahko nastanejo med polnjenjem ali praznjenjem, zato je potrebno izberite 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 npr večja gostota energije in daljši življenjski cikel. Na primer, uporaba polprevodniške baterije v električnih avtomobilih bodo bistveno povečale njihov doseg zmogljivost 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. Preverite rok uporabnosti datum pred nakupom. Litij-ionske baterije imajo vgrajeno daljšo življenjsko dobo zaradi svoje kemije, vendar se vsaka baterija med seboj razlikuje glede na vrsto, specifikacije in način izdelave. Visokokakovostne baterije bodo trajajo dlje, saj so znotraj izdelani iz finih materialov.