Betri za Lithium Ion ni nini

1 Betri za Lithium Ion ni nini?

Betri ni chanzo cha nishati ya umeme inayojumuisha seli moja au zaidi za kielektroniki zilizo na viunganisho vya nje vya kuwasha vifaa vya umeme. Betri ya lithiamu-ioni au Li-ion ni aina ya betri inayoweza kuchajiwa tena ambayo hutumia upunguzaji unaoweza kutenduliwa wa ioni za lithiamu kuhifadhi nishati na inajulikana kuwa msongamano wao mkubwa wa nishati.

2 Muundo wa Betri za Ioni za Lithium

Kwa ujumla Betri nyingi za Li-ion za kibiashara hutumia misombo ya miingiliano kama nyenzo amilifu. Kwa kawaida huwa na tabaka kadhaa za nyenzo ambazo zimepangwa kwa mpangilio maalum ili kuwezesha mchakato wa kielektroniki unaowezesha betri kuhifadhi na kutoa nishati--anodi, cathode, elektroliti, kitenganishi na kikusanyaji cha sasa.

Anode ni nini?

Kama kijenzi cha betri, anode ina jukumu muhimu katika uwezo, utendakazi na uimara wa betri. Wakati wa malipo, anode ya grafiti inawajibika kwa kukubali na kuhifadhi ioni za lithiamu. Wakati betri inapotolewa, ioni za lithiamu hutoka kwenye anode hadi kwenye cathode ili mkondo wa umeme utengenezwe. Kwa ujumla anode inayotumika sana kibiashara ni grafiti, ambayo katika hali yake ya lithiamu ya LiC6 inahusiana na kiwango cha juu cha 1339 C/g (372 mAh/g) Lakini pamoja na maendeleo ya teknolojia, nyenzo mpya kama vile silikoni zimefanyiwa utafiti ili kuboresha msongamano wa nishati kwa betri za lithiamu-ioni.

Cathode ni nini?

Cathode hufanya kazi kukubali na kuachilia ioni za lithiamu zenye chaji katika mizunguko ya sasa. Kawaida huwa na muundo wa tabaka la oksidi iliyotiwa safu (kama vile oksidi ya lithiamu kobalti), polyanion (kama vile fosfati ya chuma ya lithiamu) au spinel (kama vile oksidi ya manganese ya lithiamu) iliyopakwa kwenye kikusanya chaji (kawaida hutengenezwa kwa alumini). 

Electrolyte ni nini?

Kama chumvi ya lithiamu katika kutengenezea kikaboni, elektroliti hutumika kama njia ya ioni za lithiamu kusonga kati ya anode na cathode wakati wa kuchaji na kutoa.

Kitenganishi ni nini?

Kama utando mwembamba au safu ya nyenzo zisizo za conductive, kitenganishi hufanya kazi ili kuzuia anodi (elektrodi hasi) na cathode (elektrodi chanya) zisipungue, kwa kuwa safu hii inapitika kwa ioni za lithiamu lakini si kwa elektroni. Inaweza pia kuhakikisha mtiririko thabiti wa ioni kati ya elektrodi wakati wa kuchaji na kutoa. Kwa hiyo, betri inaweza kudumisha voltage imara na kupunguza hatari ya overheating, mwako au mlipuko.

Mkusanyaji wa sasa ni nini?

Mtozaji wa sasa ameundwa kukusanya sasa inayozalishwa na elektrodi za betri na kuisafirisha kwa mzunguko wa nje, ambayo ni muhimu ili kuhakikisha utendaji bora na maisha marefu ya betri. Na kawaida hufanywa kutoka kwa karatasi nyembamba ya alumini au shaba.

3 Historia ya Maendeleo ya Betri za Lithium Ion

Utafiti kuhusu betri za Li-ion zinazoweza kuchajiwa upya ulianza miaka ya 1960, mojawapo ya mifano ya awali ni betri ya CuF2/Li iliyotengenezwa na NASA mwaka. 1965 Na mzozo wa mafuta ulikumba ulimwengu katika miaka ya 1970, watafiti walielekeza mawazo yao kwa vyanzo mbadala vya nishati, kwa hivyo mafanikio ambayo yalitoa aina ya mapema ya betri ya kisasa ya Li-ion ilifanywa kwa sababu ya uzani mwepesi na msongamano mkubwa wa nishati ya betri za lithiamu ion. Wakati huo huo, Stanley Whittingham wa Exxon aligundua kuwa ioni za lithiamu zinaweza kuingizwa kwenye nyenzo kama vile TiS2 kuunda betri inayoweza kuchajiwa tena. 

Kwa hivyo alijaribu kuifanya betri hii kibiashara lakini ikashindikana kwa sababu ya gharama kubwa na uwepo wa lithiamu ya metali kwenye seli. Mnamo 1980 nyenzo mpya iligunduliwa kutoa volti ya juu na ilikuwa thabiti zaidi hewani, ambayo baadaye ingetumika katika betri ya kwanza ya kibiashara ya Li-ion, ingawa haikutatua yenyewe suala linaloendelea la kuwaka. mwaka huo huo, Rachid Yazami aligundua electrode ya lithiamu grafiti (anodi). Na kisha mnamo 1991, betri za kwanza za ulimwengu za lithiamu-ioni zilianza kuingia sokoni. Mnamo miaka ya 2000, mahitaji ya betri za lithiamu-ioni yaliongezeka kadri vifaa vya kielektroniki vinavyobebeka vilipokuwa maarufu, jambo ambalo huendesha betri za lithiamu ioni kuwa salama na kudumu zaidi. Magari ya umeme yalianzishwa katika miaka ya 2010, ambayo yaliunda soko jipya la betri za lithiamu-ioni 

Ukuzaji wa michakato na nyenzo mpya za utengenezaji, kama vile anodi za silicon na elektroliti za hali dhabiti, ziliendelea kuboresha utendakazi na usalama wa betri za lithiamu-ioni. Siku hizi, betri za lithiamu-ioni zimekuwa muhimu katika maisha yetu ya kila siku, kwa hivyo utafiti na uundaji wa nyenzo na teknolojia mpya unaendelea ili kuboresha utendakazi, ufanisi na usalama wa betri hizi.

4.Aina za Betri za Ioni za Lithium

Betri za lithiamu-ion huja katika maumbo na ukubwa mbalimbali, na sio zote zinafanywa sawa. Kwa kawaida kuna aina tano za betri za lithiamu-ioni.

l Oksidi ya Lithium Cobalt

Betri za lithiamu cobalt oksidi hutengenezwa kutoka kwa lithiamu carbonate na cobalti na pia hujulikana kama lithiamu cobaltate au lithiamu-ioni cobalt betri. Zina cathode ya oksidi ya kobalti na anodi ya kaboni ya grafiti, na ioni za lithiamu huhama kutoka anode hadi kwenye cathode wakati wa kutokwa, na mtiririko unarudi nyuma wakati betri inachajiwa. Kuhusu matumizi yake, hutumiwa katika vifaa vya elektroniki vinavyobebeka, magari ya umeme, na mifumo ya kuhifadhi nishati mbadala kwa sababu ya nishati mahususi ya juu, kiwango cha chini cha kutokwa kwa kibinafsi, voltage ya juu ya uendeshaji na anuwai ya joto. Lakini zingatia maswala ya usalama yanayohusiana. kwa uwezekano wa kukimbia kwa joto na kutokuwa na utulivu kwa joto la juu.

l Oksidi ya Lithiamu ya Manganese

Oksidi ya Lithium Manganese (LiMn2O4) ni nyenzo ya cathode ambayo hutumiwa kwa kawaida katika betri za lithiamu-ioni. Teknolojia ya aina hii ya betri iligunduliwa awali katika miaka ya 1980, na kuchapishwa kwa mara ya kwanza katika Bulletin ya Utafiti wa Nyenzo mnamo 1983. Mojawapo ya faida za LiMn2O4 ni kwamba ina uthabiti mzuri wa mafuta, kumaanisha kuwa kuna uwezekano mdogo wa kupata hali ya kukimbia kwa joto, ambayo pia ni salama kuliko aina zingine za betri ya lithiamu-ioni. Zaidi ya hayo, manganese ni nyingi na inapatikana kwa wingi, ambayo inafanya kuwa chaguo endelevu zaidi ikilinganishwa na vifaa vya cathode ambavyo vina rasilimali chache kama cobalt. Kwa hivyo, hupatikana mara kwa mara katika vifaa vya matibabu na vifaa, zana za nguvu, pikipiki za umeme na programu zingine. Licha ya faida zake, uthabiti duni wa baiskeli ya LiMn2O4 ikilinganishwa na LiCoO2, ambayo ina maana kwamba inaweza kuhitaji uingizwaji wa mara kwa mara, kwa hivyo inaweza haifai kwa mifumo ya kuhifadhi nishati ya muda mrefu.

l Lithium Iron Phosphate (LFP)

Phosphate hutumiwa kama cathode katika betri za phosphate ya chuma ya lithiamu, mara nyingi hujulikana kama betri za li-phosphate. Upinzani wao mdogo umeboresha utulivu wao wa joto na usalama Pia ni maarufu kwa kudumu na mzunguko wa maisha marefu, ambayo huwafanya kuwa chaguo la gharama nafuu zaidi kwa aina nyingine za betri za lithiamu-ion. Kwa hivyo, betri hizi hutumiwa mara kwa mara katika baiskeli za umeme na programu zingine zinazohitaji mzunguko wa maisha marefu na viwango vya juu vya usalama. Lakini hasara zake hufanya iwe vigumu kuendeleza haraka. Kwanza, ikilinganishwa na aina zingine za betri za lithiamu-ioni, zinagharimu zaidi kwa sababu hutumia malighafi adimu na ghali. Kwa kuongeza, betri za phosphate za chuma za lithiamu zina voltage ya chini ya uendeshaji, ambayo ina maana kwamba inaweza kuwa haifai kwa baadhi ya programu zinazohitaji voltage ya juu. Muda wake mrefu wa kuchaji huifanya kuwa mbaya katika programu zinazohitaji kuchaji upya haraka.

l Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC)

Betri za Lithium Nickel manganese Cobalt Oxide, mara nyingi hujulikana kama betri za NMC, zimeundwa kwa nyenzo mbalimbali ambazo zinapatikana ulimwenguni kote katika betri za lithiamu-ioni. Kathodi iliyotengenezwa kwa mchanganyiko wa nikeli, manganese, na kobalti imejumuishwa Msongamano wake wa juu wa nishati, utendakazi mzuri wa baiskeli, na maisha marefu yameifanya kuwa chaguo la kwanza katika magari ya umeme, mifumo ya kuhifadhi gridi ya taifa, na matumizi mengine ya utendaji wa juu, ambayo imechangia zaidi umaarufu unaokua wa magari ya umeme na mifumo ya nishati mbadala. Ili kuongeza uwezo, elektroliti mpya na viungio hutumiwa kuiwezesha kuchaji hadi 4.4V/seli na juu zaidi. Kuna mwelekeo kuelekea Li-ion iliyochanganywa na NMC kwa kuwa mfumo ni wa gharama nafuu na hutoa utendakazi mzuri. Nickel, manganese, na kobalti ni nyenzo tatu amilifu ambazo zinaweza kuunganishwa kwa urahisi ili kutosheleza utumizi mbalimbali wa mifumo ya uhifadhi wa magari na nishati (EES) ambayo huhitaji kuendesha baiskeli mara kwa mara.

 Ambayo tunaweza kuona familia ya NMC inazidi kuwa tofauti

Hata hivyo, madhara yake ya kukimbia kwa joto, hatari za moto na matatizo ya mazingira yanaweza kuzuia maendeleo yake zaidi.

l Lithium Titanate

Lithium titanate, ambayo mara nyingi hujulikana kama li-titanate, ni aina ya betri ambayo ina idadi inayoongezeka ya matumizi. Kwa sababu ya nanoteknolojia yake ya hali ya juu, ina uwezo wa kuchaji na kutokeza kwa haraka huku ikidumisha volti thabiti, ambayo huifanya inafaa kwa matumizi ya nguvu ya juu kama vile magari ya umeme, mifumo ya uhifadhi wa nishati ya kibiashara na ya viwandani, na uhifadhi wa kiwango cha gridi ya taifa. Pamoja na usalama na kutegemewa kwake, betri hizi zinaweza kutumika kwa matumizi ya kijeshi na anga, pamoja na kuhifadhi nishati ya upepo na jua na kujenga gridi mahiri. Zaidi ya hayo, kulingana na Nafasi ya Batri, betri hizi zinaweza kutumika katika chelezo muhimu za mfumo wa nguvu. Hata hivyo, betri za lithiamu titanate zinaelekea kuwa ghali zaidi kuliko betri za jadi za lithiamu-ioni kutokana na mchakato changamano wa uundaji unaohitajika ili kuzizalisha.

5.Mienendo ya Maendeleo ya Betri za Ioni za Lithium

Ukuaji wa kimataifa wa usakinishaji wa nishati mbadala umeongeza uzalishaji wa nishati mara kwa mara, na kuunda gridi isiyo na usawa. Hii imesababisha hitaji la betri. huku mkazo katika utoaji wa sifuri wa kaboni na haja ya kuondokana na nishati ya mafuta, yaani makaa ya mawe, kwa ajili ya uzalishaji wa nishati huchochea serikali zaidi kuhamasisha uwekaji wa nishati ya jua na upepo. Usakinishaji huu hujikopesha kwa mifumo ya kuhifadhi betri ambayo huhifadhi nishati ya ziada inayozalishwa. Kwa hivyo, motisha za serikali za kuhamasisha usakinishaji wa betri za Li-ion pia huchochea ukuzaji wa betri za lithiamu ion. Kwa mfano, ukubwa wa soko la kimataifa la Betri za Lithium-Ion za NMC unatarajiwa kukua kutoka dola milioni 2022 hadi dola milioni 2029; inatarajiwa kukua kwa CAGR ya% kutoka 2023 hadi 2029  Na mahitaji yanayoongezeka ya programu zinazohitaji mizigo mizito inakadiriwa kufanya betri za lithiamu ioni za 3000-10000 kuwa sehemu inayokua kwa kasi zaidi katika kipindi cha utabiri (2022-2030).

6 Uchambuzi wa uwekezaji wa Betri za Lithium Ion

Sekta ya soko la betri za lithiamu inakadiriwa kukua kutoka dola bilioni 51.16 mnamo 2022 hadi dola bilioni 118.15 ifikapo 2030, ikionyesha kiwango cha ukuaji wa kila mwaka cha 4.72% wakati wa utabiri (2022-2030), ambayo inategemea mambo kadhaa.

l Uchambuzi wa Mtumiaji wa Mwisho

Usakinishaji wa sekta ya matumizi ni viendeshaji muhimu kwa mifumo ya uhifadhi wa nishati ya betri (BESS). Sehemu hii inatarajiwa kukua kutoka $2.25 bilioni mwaka 2021 hadi $5.99 bilioni mwaka 2030 kwa CAGR ya 11.5%.  Betri za Li-ion zinaonyesha CAGR ya juu zaidi ya 34.4% kutokana na ukuaji wao wa chini. Sehemu za uhifadhi wa nishati ya makazi na biashara ni maeneo mengine yenye uwezo mkubwa wa soko wa $ 5.51 bilioni mnamo 2030, kutoka $ 1.68 bilioni mnamo 2021. Sekta ya viwanda inaendelea na maandamano yake kuelekea uzalishaji wa sifuri wa kaboni, huku kampuni zikitoa ahadi zisizo na sifuri katika miongo miwili ijayo. Kampuni za mawasiliano na kituo cha data ziko mstari wa mbele katika kupunguza utoaji wa kaboni kwa kuzingatia kuongezeka kwa vyanzo vya nishati mbadala. Yote ambayo yatakuza maendeleo ya haraka ya  betri za ioni za lithiamu huku kampuni zikitafuta njia za kuhakikisha chelezo cha kuaminika na kusawazisha gridi ya taifa.

l Uchambuzi wa Aina ya Bidhaa

Kwa sababu ya bei ya juu ya cobalt, betri isiyo na cobalt ni moja ya mwelekeo wa maendeleo ya betri za lithiamu-ioni. High-voltage LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) iliyo na msongamano wa juu wa nishati ya kinadharia ni mojawapo ya nyenzo za cathode zisizo na ushirikiano zinazoahidi zaidi kwa mbali zaidi. Zaidi ya hayo, matokeo ya majaribio yalithibitisha kuwa uendeshaji wa baiskeli na kiwango cha C cha betri ya LNMO unaboreshwa kwa kutumia elektroliti nusu-imara. Hii inaweza kupendekezwa kuwa COF ya anionic ina uwezo wa kunyonya kwa nguvu Mn3+/Mn2+ na Ni2+ kupitia mwingiliano wa Coulomb, ikizuia uhamiaji wao wa uharibifu hadi anode. Kwa hiyo, kazi hii itakuwa ya manufaa kwa uuzaji wa nyenzo za cathode za LNMO.

l Uchambuzi wa Kikanda

Asia-Pacific itakuwa soko kubwa zaidi la betri za lithiamu-ioni ifikapo 2030, inayoendeshwa na huduma na viwanda. Itapita Amerika Kaskazini na Uropa na soko la $ 7.07 bilioni mnamo 2030, ikikua kutoka $ 1.24 bilioni mnamo 2021 kwa CAGR ya 21.3%. Amerika Kaskazini na Ulaya zitakuwa masoko makubwa zaidi yanayofuata kwa sababu ya malengo yao ya kupunguza kaboni uchumi na gridi ya taifa katika miongo miwili ijayo. LATAM itaona kiwango cha juu zaidi cha ukuaji katika CAGR ya 21.4% kwa sababu ya ukubwa wake mdogo na msingi wa chini.

7 Mambo ya Kuzingatia kwa Betri za Lithium Ion za Ubora

Wakati wa kununua inverter ya jua ya macho, si tu bei na ubora lazima zizingatiwe, mambo mengine yanapaswa pia kuzingatiwa.

l Uzito wa Nishati

Msongamano wa Nishati ni kiasi cha nishati iliyohifadhiwa kwa ujazo wa kitengo. Msongamano wa juu wa nishati na uzito mdogo na saizi ni kubwa zaidi kati ya mizunguko ya kuchaji.

l  Usalama

Usalama ni kipengele kingine muhimu cha betri za lithiamu-ioni kwa kuwa milipuko na moto unaoweza kutokea wakati wa kuchaji au kuwashwa, kwa hivyo ni muhimu kuchagua betri zilizo na mifumo iliyoboreshwa ya usalama, kama vile vitambuzi vya halijoto na vitu vya kuzuia.

l Aina

Mojawapo ya mitindo ya hivi punde katika tasnia ya betri ya lithiamu-ioni ni uundaji wa betri za hali dhabiti, ambayo hutoa faida kadhaa kama vile msongamano mkubwa wa nishati na mzunguko wa maisha marefu. Kwa mfano, matumizi ya betri za hali imara katika magari ya umeme yataongeza kwa kiasi kikubwa uwezo wao na usalama.

l Kiwango cha malipo

Kasi ya kuchaji inategemea jinsi betri inavyochaji kwa usalama. Wakati mwingine betri huchukua muda mrefu kuchaji kabla ya kutumika.

l Muda wa maisha

 Hakuna betri inayotumika maisha yote lakini ina tarehe ya mwisho wa matumizi. Angalia tarehe ya mwisho wa matumizi kabla ya kufanya ununuzi. Betri za ioni za lithiamu zina maisha marefu asili kwa sababu ya kemia yake lakini kila betri hutofautiana kutoka kwa kila moja kulingana na aina, vipimo na jinsi zimetengenezwa. Betri za ubora wa juu zitadumu kwa muda mrefu kwa vile zimetengenezwa kwa nyenzo nzuri ndani.