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 apparater. Ett litiumjon- eller litiumjonbatteri är en typ av uppladdningsbart batteri som använder reversibel minskning av litiumjoner för att lagra energi och är känd 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 ordnade 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 kapaciteten, batteriets prestanda och hållbarhet. Vid laddning är grafitanoden ansvarar för att ta emot och lagra litiumjoner. När batteriet är urladdat rör sig litiumjonerna från anoden till katoden så att en elektrisk ström skapas. Generellt den vanligaste kommersiellt använda anoden är grafit, som i sitt fullständigt lithierade tillstånd av LiC6 korrelerar till en maximal kapacitet på 1339 C/g (372 mAh/g). Men med utvecklingen av teknologier, nya material som kisel har undersökts för att förbättra energitätheten för litiumjonbatterier.

Vad är katod?

Katoden arbetar för att acceptera och frigöra positivt laddade litiumjoner under nuvarande cykler. 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 till hindra anoden (negativ elektrod) och katoden (positiv elektrod) från kortslutning, eftersom detta skikt 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 strömmen som produceras av batteriets elektroder och transporterar det till den externa kretsen, dvs 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 litiumjonbatterier går tillbaka till 1960-talet, ett av de De tidigaste exemplen är ett CuF2/Li-batteri utvecklat av NASA 1965. Och oljekris drabbade världen på 1970-talet vände forskare sin uppmärksamhet mot alternativ energikällor, så genombrottet som producerade den tidigaste formen av moderna Li-ion batteri gjordes på grund av den låga vikten och höga energin densiteten hos litiumjonbatterier. Samtidigt Stanley Whittingham från Exxon upptäckte att litiumjoner kunde sättas in i material som TiS2 till 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 upptäcktes nytt material erbjuda en högre spänning och var mycket mer stabil i luft, som senare skulle användas i det första kommersiella Li-ion-batteriet, även om det inte på egen hand löste den ihållande frågan om brandfarlighet. Samma år uppfann Rachid Yazami litiumgrafiten elektrod (anod). Och sedan 1991, världens första uppladdningsbara litiumjon batterier började komma in på marknaden 

Under 2000-talet, efterfrågan på litium-jon batterierna ökade när bärbara elektroniska enheter blev populära, vilket driver litiumjonbatterier för att vara säkrare och mer hållbara. Elfordon var introducerades på 2010-talet, vilket skapade en ny marknad för litiumjonbatterier. De utveckling av nya tillverkningsprocesser och material, såsom kiselanoder och fasta elektrolyter, fortsatte att förbättra prestandan och säkerheten för litiumjonbatterier. Nuförtiden har litiumjonbatterier blivit viktiga i vårt dagliga liv, så forskning och utveckling av nya material och teknologier pågår för att förbättra prestandan, effektiviteten och säkerheten för dessa batterier.

4. Typerna av litiumjonbatterier

Litiumjonbatterier finns i en mängd olika former och storlekar, och inte alla de görs lika. Normalt finns det fem typer av litiumjonbatterier.

l Litiumkoboltoxid

Litiumkoboltoxidbatterier är tillverkade av litiumkarbonat och kobolt och är också kända som litiumkoboltat eller litiumjonkoboltbatterier. De har en koboltoxidkatod och en grafitkolanod och litiumjoner migrera från anoden till katoden under urladdning, med flödet omkastat när batteriet är laddat. När det gäller dess tillämpning, de används i bärbara elektroniska enheter, elfordon och system för lagring av förnybar energi på grund av deras höga specifika energi, låga självurladdningshastighet, höga drift spänning och brett temperaturområde. Men var uppmärksam på säkerhetsproblemen relaterat till potentialen för termisk rusning och instabilitet på hög nivå temperaturer.

l Litium manganoxid

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

l Litiumjärnfosfat (LFP)

Fosfat används ofta som katod i litiumjärnfosfatbatterier kända som li-fosfatbatterier. Deras låga motstånd har förbättrat deras värme stabilitet och säkerhet. De är också kända för hållbarhet och lång livscykel, vilket gör dem till det mest kostnadseffektiva alternativet till andra typer av litiumjoner batterier. Följaktligen används dessa batterier ofta i elcyklar och andra tillämpningar 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, de kostar mer eftersom de använder sällsynta och dyra råvaror. Dessutom har litiumjärnfosfatbatterier en lägre driftspänning, vilket gör att de kanske inte passar för vissa applikationer som kräver högre spänning. Dess längre laddningstid gör att den är en nackdel i applikationer som kräver en snabb laddning.

l Litium Nickel Mangan Koboltoxid (NMC)

Litium Nickel mangan Kobolt Oxide batterier, ofta kända som NMC batterier, är gjorda 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 en lång livslängd har gjort det till det första valet inom elfordon, nätlagring system och andra högpresterande applikationer, vilket ytterligare har bidragit till den växande populariteten för elfordon och förnybara energisystem. Till öka kapaciteten, nya elektrolyter och tillsatser används för att göra det möjligt ladda till 4,4V/cell och högre 

Det finns en trend mot NMC-blandad Li-ion sedan dess systemet är kostnadseffektivt och ger bra prestanda. Nickel, mangan, och kobolt är tre aktiva material som lätt kan kombineras för att passa en bred utbud av applikationer för fordon och energilagringssystem (EES) som kräver frekvent cykling. Från vilket vi kan se att NMC-familjen blir fler olika Men dess biverkningar av termisk rusning, brandrisker och miljö oro kan hämma dess fortsatta utveckling.

l Litiumtitanat

Litiumtitanat, ofta känt som li-titanat, är en typ av batteri som har en växande antal användningar. På grund av sin överlägsna nanoteknik kan den snabbt ladda och ladda ur samtidigt som den bibehåller en stabil spänning, vilket gör det väl lämpad för högeffektapplikationer som elfordon, kommersiella och industriella energilagringssystem och lagring på nätnivå 

Tillsammans med sin säkerhet och tillförlitlighet, dessa batterier skulle kunna användas för militär och flyg applikationer, samt lagra vind- och solenergi och bygga smart rutnät. Dessutom, enligt Battery Space, kan dessa batterier vara det används i systemkritiska säkerhetskopieringar av kraftsystem. Ändå litiumtitanat batterier tenderar att vara dyrare än traditionella litiumjonbatterier pga till den komplexa tillverkningsprocess som krävs för att producera dem.

5. Utvecklingen av litiumjonbatterier

Den globala tillväxten av förnybara energianläggningar har ökat intermittent energiproduktion, vilket skapar ett obalanserat nät. Detta har lett till en efterfrågan på batterier.medan fokus på noll koldioxidutsläpp och behöver flytta bort från fossila bränslen, nämligen kol, för kraftproduktion kräver mer regeringar att stimulera sol- och vindkraftsinstallationer. Dessa installationer lämpar sig för batterilagringssystem som lagrar överskottsström genererade 

Därför regeringens incitament för att stimulera Li-ion batteri installationer driver också utvecklingen av litiumjonbatterier. Till exempel, den globala marknaden för NMC litiumjonbatterier förväntas växa från US$ miljoner 2022 till miljoner USD 2029; den förväntas växa med en CAGR på % från 2023 till 2029. Och de ökande behoven av applikationer som kräver tunga belastningar förväntas göra litiumjonbatterier på 3000-10000 de snabbaste växande segment under prognosperioden (2022-2030).

6. Investeringsanalysen av litiumjonbatterier

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

l Slutanvändaranalys

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

l Produkttypsanalys

På grund av det höga priset på kobolt är koboltfritt batteri ett av de utvecklingstrender för litiumjonbatterier. Högspänning LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) med hög teoretisk energitäthet är en av de mest lovande Co-free katodmaterial i det vidare. Vidare visade de experimentella resultaten det cykling och C-rate prestanda för LNMO batteri förbättras genom att använda halvfast elektrolyt. Detta kan föreslås som den anjoniska COF är kapabel till absorberar kraftigt Mn3+/Mn2+ och Ni2+ genom Coulomb-interaktion, hindra deras destruktiva migration till anoden. Därför kommer detta arbete vara fördelaktigt för kommersialiseringen av LNMO-katodmaterial.

l Regional analys

Asien-Stillahavsområdet kommer att vara den största marknaden för stationära litiumjonbatterier 2030, driven av allmännyttiga företag och industrier. Det kommer att gå om Nordamerika och Europa med en marknad på 7,07 miljarder USD 2030, en tillväxt från 1,24 miljarder USD 2021 med en CAGR på 21,3 %. Nordamerika och Europa blir näst största marknader på grund av deras mål att minska koldioxidutsläppen i sina ekonomier och nät under nästa två decennier. LATAM kommer att se den högsta tillväxttakten på en CAGR på 21,4% eftersom av sin mindre storlek och låga bas.

7. Saker att tänka på för högkvalitativa litiumjonbatterier

När du köper en optisk solomriktare måste inte bara priset och kvaliteten vara beaktas bör även andra faktorer beaktas.

l Energitäthet

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

l Säkerhet

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

l Typ

En av de senaste trenderna inom litiumjonbatteriindustrin är utveckling av solid-state batterier, vilket ger en rad fördelar som t.ex högre energitäthet och en längre livscykel. Till exempel användningen av solid state-batterier i elbilar kommer att öka sin räckvidd avsevärt förmåga 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 utgången datum innan du gör köpet. Litiumjonbatterier har en inneboende längre livslängd på grund av dess kemi men varje batteri skiljer sig från varandra beroende på typ, specifikationer och sättet de är tillverkade på. Högkvalitativa batterier kommer håller längre eftersom de är gjorda av fina material inuti.