Vad är litiumjonbatterier

1 Vad är litiumjonbatterier?

Ett batteri är en elektrisk kraftkälla som består av en eller flera elektrokemiska celler med externa anslutningar för att driva elektriska enheter Ett litiumjon- eller litiumjonbatteri är en typ av laddningsbart batteri som använder den reversibla reduktionen av litiumjoner för att lagra energi och är känt för deras höga energitäthet.

2 Strukturen hos litiumjonbatterier

I allmänhet använder de flesta kommersiella Li-ion-batterier interkaleringsföreningar som aktiva material. De består vanligtvis av flera lager av material som är arrangerade i en specifik ordning för att underlätta den elektrokemiska processen som gör det möjligt för batteriet att lagra och frigöra energi - anod, katod, elektrolyt, separator och strömavtagare.

Vad är anod?

Som en komponent i batteriet spelar anoden en viktig roll för batteriets kapacitet, prestanda och hållbarhet. Vid laddning är grafitanoden ansvarig för att ta emot och lagra litiumjoner. När batteriet är urladdat flyttar litiumjonerna från anoden till katoden så att en elektrisk ström skapas. Generellt är den vanligaste kommersiellt använda anoden grafit, som i sitt fullständigt lithierade tillstånd LiC6 korrelerar till en maximal kapacitet på 1339 C/g (372 mAh/g) Men med utvecklingen av teknologier har nya material som kisel undersökts för att förbättra energitätheten för litiumjonbatterier.

Vad är katod?

Katoden arbetar för att acceptera och frigöra positivt laddade litiumjoner under strömcykler. Den består vanligtvis av en skiktad struktur av en skiktad oxid (som litiumkoboltoxid), en polyanjon (som litiumjärnfosfat) eller en spinell (som litiummanganoxid) belagd på en laddningsuppsamlare (vanligtvis gjord av aluminium) 

Vad är elektrolyt?

Som ett litiumsalt i ett organiskt lösningsmedel fungerar elektrolyten som ett medium för litiumjoner att röra sig mellan anoden och katoden under laddning och urladdning.

Vad är separator?

Som ett tunt membran eller lager av icke-ledande material, fungerar separatorn för att förhindra anoden (negativ elektrod) och katoden (positiv elektrod) från att kortslutas, eftersom detta lager är permeabelt för litiumjoner men inte för elektroner. Det kan också säkerställa ett jämnt flöde av joner mellan elektroderna under laddning och urladdning. Därför kan batteriet hålla en stabil spänning och minska risken för överhettning, förbränning eller explosion.

Vad är nuvarande samlare?

Strömavtagaren är utformad för att samla upp strömmen som produceras av batteriets elektroder och transportera den till den externa kretsen, vilket är viktigt för att säkerställa optimal prestanda och livslängd för batteriet. Och vanligtvis är den vanligtvis gjord av en tunn skiva av aluminium eller koppar.

3 Utvecklingshistorien för litiumjonbatterier

Forskning om uppladdningsbara Li-ion-batterier går tillbaka till 1960-talet, ett av de tidigaste exemplen är ett CuF2/Li-batteri utvecklat av NASA i 1965 Och oljekrisen drabbade världen på 1970-talet, forskare vände sin uppmärksamhet mot alternativa energikällor, så genombrottet som producerade den tidigaste formen av det moderna litiumjonbatteriet gjordes på grund av den låga vikten och den höga energitätheten hos litiumjonbatterier. Samtidigt upptäckte Stanley Whittingham från Exxon att litiumjoner kunde infogas i material som TiS2 för att skapa ett uppladdningsbart batteri 

Så han försökte kommersialisera detta batteri men misslyckades på grund av den höga kostnaden och närvaron av metalliskt litium i cellerna. År 1980 visade sig nytt material erbjuda en högre spänning och var mycket stabilare i luften, vilket senare skulle användas i det första kommersiella Li-ion-batteriet, även om det inte på egen hand löste det ihållande problemet med brandfarlighet. samma år uppfann Rachid Yazami litiumgrafitelektroden (anod). Och sedan 1991 började världens första uppladdningsbara litiumjonbatterier komma in på marknaden. På 2000-talet ökade efterfrågan på litiumjonbatterier när bärbara elektroniska enheter blev populära, vilket driver litiumjonbatterier till att bli säkrare och mer hållbara. Elfordon introducerades på 2010-talet, vilket skapade en ny marknad för litiumjonbatterier 

Utvecklingen av nya tillverkningsprocesser och material, såsom kiselanoder och fasta elektrolyter, fortsatte att förbättra prestanda och säkerhet hos litiumjonbatterier. Nuförtiden har litiumjonbatterier blivit viktiga i vårt dagliga liv, så forskning och utveckling av nya material och teknologier pågår för att förbättra prestanda, effektivitet och säkerhet hos dessa batterier.

4. Typerna av litiumjonbatterier

Litiumjonbatterier finns i en mängd olika former och storlekar, och alla är inte likadana. Normalt finns det fem typer av litiumjonbatterier.

l Litiumkoboltoxid

Litiumkoboltoxidbatterier tillverkas av litiumkarbonat och kobolt och är även kända som litiumkoboltat- eller litiumjon-koboltbatterier De har en koboltoxidkatod och en grafitkolanod, och litiumjoner migrerar från anoden till katoden under urladdning, med flödet omkastat när batteriet laddas. När det gäller dess tillämpning används de i bärbara elektroniska enheter, elfordon och lagringssystem för förnybar energi på grund av deras höga specifika energi, låga självurladdningshastighet, höga driftspänning och breda temperaturområde. Men var uppmärksam på säkerhetsproblemen relaterade till dess tillämpning. till risken för termisk rusning och instabilitet vid höga temperaturer.

l Litium manganoxid

Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4) är ett katodmaterial som ofta används i litiumjonbatterier. Tekniken för denna typ av batteri upptäcktes ursprungligen på 1980-talet, med den första publikationen i Materials Research Bulletin 1983. En av fördelarna med LiMn2O4 är att den har god termisk stabilitet, vilket innebär att det är mindre sannolikt att uppleva termisk runaway, som också är säkrare än andra typer av litiumjonbatterier. Dessutom är mangan rikligt och allmänt tillgängligt, vilket gör det till ett mer hållbart alternativ jämfört med katodmaterial som innehåller begränsade resurser som kobolt. Som ett resultat finns de ofta i medicinsk utrustning och utrustning, elverktyg, elektriska motorcyklar och andra applikationer. Trots sina fördelar är LiMn2O4 sämre cykelstabilitet jämfört med LiCoO2, vilket gör att det kan krävas mer frekvent byte, så det kanske inte är lika lämpligt för långsiktiga energilagringssystem.

l Litiumjärnfosfat (LFP)

Fosfat används som katod i litiumjärnfosfatbatterier, ofta kända som li-fosfatbatterier. Deras låga motstånd har förbättrat deras termiska stabilitet och säkerhet De är också kända för hållbarhet och lång livscykel, vilket gör dem till det mest kostnadseffektiva alternativet till andra typer av litiumjonbatterier. Följaktligen används dessa batterier ofta i elcyklar och andra applikationer som kräver en lång livscykel och höga säkerhetsnivåer Men dess nackdelar gör det svårt att utvecklas snabbt. För det första, jämfört med andra typer av litiumjonbatterier, kostar de mer eftersom de använder sällsynta och dyra råvaror. Dessutom har litiumjärnfosfatbatterier en lägre driftsspänning, vilket gör att de kanske inte är lämpliga för vissa applikationer som kräver högre spänning. Dess längre laddningstid gör den till en nackdel i applikationer som kräver en snabb laddning.

l Litium Nickel Mangan Koboltoxid (NMC)

Litium-nickel-mangan-koboltoxid-batterier, ofta kända som NMC-batterier, är tillverkade av en mängd olika material som är universella i litiumjonbatterier. En katod konstruerad av en blandning av nickel, mangan och kobolt ingår Dess höga energitäthet, goda cykelprestanda och långa livslängd har gjort den till förstahandsvalet inom elfordon, nätlagringssystem och andra högpresterande applikationer, vilket ytterligare har bidragit till den växande populariteten för elfordon och förnybara energisystem. För att öka kapaciteten används nya elektrolyter och tillsatser för att den ska kunna ladda till 4,4V/cell och högre. Det finns en trend mot NMC-blandad Li-ion eftersom systemet är kostnadseffektivt och ger bra prestanda. Nickel, mangan och kobolt är tre aktiva material som lätt kan kombineras för att passa ett brett utbud av fordons- och energilagringssystem (EES) applikationer som kräver frekvent cykling.

 Från vilket vi kan se att NMC-familjen blir mer mångfaldig

Dess biverkningar av termisk flykt, brandrisker och miljöhänsyn kan dock hindra dess vidare utveckling.

l Litiumtitanat

Litiumtitanat, ofta känt som li-titanat, är en typ av batteri som har ett växande antal användningsområden. På grund av sin överlägsna nanoteknik kan den snabbt ladda och ladda ur samtidigt som den bibehåller en stabil spänning, vilket gör den väl lämpad för högeffektsapplikationer som elfordon, kommersiella och industriella energilagringssystem och lagring på nätnivå Tillsammans med dess säkerhet och tillförlitlighet kan dessa batterier användas för militära och rymdtillämpningar, såväl som lagring av vind- och solenergi och för att bygga smarta nät. Dessutom, enligt Battery Space, skulle dessa batterier kunna användas i systemkritiska säkerhetskopieringar av kraftsystem Likväl tenderar litiumtitanatbatterier att vara dyrare än traditionella litiumjonbatterier på grund av den komplexa tillverkningsprocessen som krävs för att tillverka dem.

5. Utvecklingen av litiumjonbatterier

Den globala tillväxten av förnybara energianläggningar har ökat den intermittenta energiproduktionen, vilket skapar ett obalanserat nät. Detta har lett till en efterfrågan på batterier. Samtidigt som fokus på noll koldioxidutsläpp och behovet av att gå bort från fossila bränslen, nämligen kol, för kraftproduktion får fler regeringar att stimulera sol- och vindkraftsinstallationer. Dessa installationer lämpar sig för batterilagringssystem som lagrar överskottsenergi som genereras. Därför driver statliga incitament för att stimulera installationer av litiumjonbatterier också utvecklingen av litiumjonbatterier Till exempel förväntas den globala NMC Lithium-Ion Batteries-marknaden växa från miljoner USD 2022 till miljoner USD 2029; den förväntas växa med en CAGR på % från 2023 till 2029  Och de ökande behoven av applikationer som kräver tung belastning förväntas göra litiumjonbatterier på 3000-10000 till det snabbast växande segmentet under prognosperioden (2022-2030).

6 Investeringsanalysen av litiumjonbatterier

Marknadsindustrin för litiumjonbatterier beräknas växa från 51,16 miljarder USD 2022 till 118,15 miljarder USD 2030, vilket uppvisar en sammansatt årlig tillväxttakt på 4,72 % under prognosperioden (2022-2030), vilket beror på flera faktorer.

l Slutanvändaranalys

Installationer i allmännyttiga sektorn är nyckeldrivkrafter för batterienergilagringssystem (BESS). Detta segment förväntas växa från 2,25 miljarder USD 2021 till 5,99 miljarder USD 2030 vid en CAGR på 11,5 %.  Li-ion-batterier visar en högre CAGR på 34,4 % på grund av sin låga tillväxtbas. Bostäder och kommersiella energilagringssegment är andra områden med stor marknadspotential på 5,51 miljarder USD 2030, från 1,68 miljarder USD 2021. Industrisektorn fortsätter sin marsch mot noll koldioxidutsläpp, med företag som gör netto-nolllöften under de kommande två decennierna. Telekom- och datacenterföretag ligger i framkant när det gäller att minska koldioxidutsläppen med ett ökat fokus på förnybara energikällor Allt detta kommer att främja den snabba utvecklingen av  litiumjonbatterier när företag hittar sätt att säkerställa tillförlitlig backup och nätbalansering.

l Produkttypsanalys

På grund av det höga priset på kobolt är koboltfritt batteri en av utvecklingstrenderna för litiumjonbatterier. Högspännings LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) med hög teoretisk energitäthet är ett av de mest lovande Co-free katodmaterialen på längre sikt. Vidare visade de experimentella resultaten att cykling och C-hastighetsprestanda för LNMO-batterier förbättras genom att använda den halvfasta elektrolyten. Detta kan föreslås att den anjoniska COF är kapabel att starkt absorbera Mn3+/Mn2+ och Ni2+ genom Coulomb-interaktion, vilket hindrar deras destruktiva migration till anoden. Därför kommer detta arbete att vara fördelaktigt för kommersialiseringen av LNMO-katodmaterial.

l Regional analys

Asien-Stillahavsområdet kommer att vara den största marknaden för stationära litiumjonbatterier år 2030, driven av kraftverk och industrier. Det kommer att gå om Nordamerika och Europa med en marknad på 7,07 miljarder USD 2030, växande från 1,24 miljarder USD 2021 till en CAGR på 21,3 %. Nordamerika och Europa kommer att vara de näst största marknaderna på grund av deras mål att minska koldioxidutsläppen från sina ekonomier och nät under de kommande två decennierna. LATAM kommer att se den högsta tillväxttakten med en CAGR på 21,4% på grund av sin mindre storlek och låga bas.

7 Saker att tänka på för högkvalitativa litiumjonbatterier

När du köper en optisk solcellsinverterare måste inte bara priset och kvaliteten beaktas, andra faktorer bör också tänkas på.

l Energitäthet

Energidensiteten är mängden energi som lagras per volymenhet. Högre energitäthet med mindre vikt och storlek är mer omfattande mellan laddningscyklerna.

Le  Säkerhet

Säkerhet är en annan kritisk aspekt av litiumjonbatterier eftersom explosioner och bränder som kan uppstå under laddning eller urladdning, så det är nödvändigt att välja batterier med förbättrade säkerhetsmekanismer, såsom temperatursensorer och hämmande ämnen.

l Typ

En av de senaste trenderna inom litiumjonbatteriindustrin är utvecklingen av solid-state-batterier, som erbjuder en rad fördelar som högre energitäthet och en längre livscykel. Till exempel kommer användningen av solid-state-batterier i elbilar att avsevärt öka deras räckviddsförmåga och säkerhet.

l Laddningshastighet

Laddningshastigheten beror på hur snabbt batteriet laddas på ett säkert sätt. Ibland tar batteriet lång tid att ladda innan de kan användas.

l Livslängd

 Inget batteri går under hela livet men har ett utgångsdatum. Kontrollera utgångsdatumet innan du köper. Litiumjonbatterier har en inneboende längre livslängd på grund av dess kemi men varje batteri skiljer sig från varandra beroende på typ, specifikationer och hur de är tillverkade. Högkvalitativa batterier håller längre eftersom de är gjorda av fina material inuti.