Що таке літій-іонні батареї

1 Що таке літій-іонні батареї?

Батарея - це джерело електроенергії, що складається з одного або кількох електрохімічних елементів із зовнішніми з'єднаннями для живлення електричних пристроїв Літій-іонна або літій-іонна батарея — це тип акумуляторної батареї, яка використовує оборотне відновлення іонів літію для накопичення енергії та відома своєю високою щільністю енергії.

2 Структура літій-іонних батарей

Як правило, більшість комерційних літій-іонних батарей використовують інтеркаляційні сполуки як активні матеріали. Зазвичай вони складаються з кількох шарів матеріалів, які розташовані в певному порядку для полегшення електрохімічного процесу, який дозволяє батареї накопичувати та вивільняти енергію: анод, катод, електроліт, сепаратор і струмознімач.

Що таке анод?

Як компонент батареї, анод відіграє важливу роль у ємності, продуктивності та довговічності батареї. Під час зарядки графітовий анод відповідає за прийом і зберігання іонів літію. Коли акумулятор розряджається, іони літію рухаються від анода до катода, утворюючи електричний струм. Як правило, найпоширенішим комерційно використовуваним анодом є графіт, який у повністю літіованому стані LiC6 відповідає максимальній ємності 1339 C/г (372 мАг/г). Але з розвитком технологій були досліджені нові матеріали, такі як кремній, щоб покращити щільність енергії для літій-іонних батарей.

Що таке катод?

Катод працює для прийому та вивільнення позитивно заряджених іонів літію під час циклів струму. Зазвичай він складається з шаруватої структури шаруватого оксиду (наприклад, оксиду кобальту літію), поліаніону (наприклад, фосфату заліза літію) або шпінелі (наприклад, оксиду марганцю літію), нанесеного на колектор заряду (зазвичай зроблений з алюмінію). 

Що таке електроліт?

Будучи сіллю літію в органічному розчиннику, електроліт служить середовищем для руху іонів літію між анодом і катодом під час заряджання та розряджання.

Що таке роздільник?

Будучи тонкою мембраною або шаром непровідного матеріалу, сепаратор запобігає короткому замиканню анода (негативного електрода) і катода (позитивного електрода), оскільки цей шар проникний для іонів літію, але не для електронів. Він також може забезпечити постійний потік іонів між електродами під час заряджання та розряджання. Таким чином, акумулятор може підтримувати стабільну напругу та зменшити ризик перегріву, займання або вибуху.

Що таке струмоприймач?

Струмоприймач призначений для збирання струму, що виробляється електродами акумулятора, і транспортування його до зовнішнього ланцюга, що важливо для забезпечення оптимальної продуктивності та довговічності акумулятора. І зазвичай він зазвичай виготовляється з тонкого листа алюмінію або міді.

3 Історія розвитку літій-іонних батарей

Дослідження перезаряджуваних літій-іонних акумуляторів датуються 1960-ми роками, одним із найперших прикладів є батарея CuF2/Li, розроблена НАСА в 1965 А нафтова криза вразила світ у 1970-х роках, дослідники звернули свою увагу на альтернативні джерела енергії, тому прорив, який створив найпершу форму сучасної літій-іонної батареї, був зроблений завдяки малій вазі та високій щільності енергії літій-іонних батарей. У той же час Стенлі Вітінгем з Exxon виявив, що іони літію можна вставляти в такі матеріали, як TiS2, для створення акумуляторної батареї. 

Тож він спробував комерціалізувати цю батарею, але зазнав невдачі через високу вартість і наявність у елементах металевого літію. У 1980 році було виявлено, що новий матеріал забезпечує більш високу напругу та є набагато стабільнішим на повітрі, що пізніше буде використано у першій комерційній літій-іонній батареї, хоча сам по собі він не вирішує постійну проблему займистості. того ж року Рачід Язамі винайшов літієво-графітовий електрод (анод). А потім у 1991 році на ринок почали надходити перші в світі акумуляторні літій-іонні батареї. У 2000-х роках попит на літій-іонні батареї зріс, оскільки портативні електронні пристрої стали популярними, що робить літій-іонні батареї безпечнішими та довговічнішими. Електромобілі були представлені в 2010-х роках, що створило новий ринок для літій-іонних акумуляторів 

Розробка нових виробничих процесів і матеріалів, таких як кремнієві аноди та твердотільні електроліти, продовжує покращувати продуктивність і безпеку літій-іонних батарей. Сьогодні літій-іонні батареї стали необхідними в нашому повсякденному житті, тому тривають дослідження та розробки нових матеріалів і технологій для покращення продуктивності, ефективності та безпеки цих батарей.

4. Типи літій-іонних батарей

Літій-іонні акумулятори бувають різних форм і розмірів, і не всі вони однакові. Зазвичай існує п'ять типів літій-іонних батарей.

l Оксид літію-кобальту

Літій-кобальт-оксидні батареї виготовляються з карбонату літію та кобальту і також відомі як літій-кобальтатні або літій-іонні кобальтові батареї. Вони мають катод із оксиду кобальту та графітовий вуглецевий анод, і іони літію мігрують від анода до катода під час розряду, при цьому потік змінюється на зворотний, коли акумулятор заряджається. Що стосується його застосування, вони використовуються в портативних електронних пристроях, електричних транспортних засобах і системах зберігання відновлюваної енергії через їх високу питому енергію, низьку швидкість саморозряду, високу робочу напругу та широкий діапазон температур. Але зверніть увагу на проблеми безпеки, пов’язані до потенціалу теплового розбігу та нестабільності при високих температурах.

l Оксид марганцю літію

Оксид марганцю літію (LiMn2O4) є катодним матеріалом, який зазвичай використовується в літій-іонних батареях. Технологія для такого типу батареї була вперше відкрита в 1980-х роках з першою публікацією в бюлетені дослідження матеріалів у 1983 році. Одна з переваг LiMn2O4 полягає в тому, що він має хорошу термічну стабільність, що означає меншу ймовірність перегріву, що також безпечніше, ніж інші типи літій-іонних батарей. Крім того, марганець у великій кількості та широко доступний, що робить його більш стійким варіантом порівняно з катодними матеріалами, які містять обмежені ресурси, як-от кобальт. Тому їх часто можна знайти в медичному обладнанні та пристроях, електроінструментах, електричних мотоциклах та інших додатках. Незважаючи на свої переваги, LiMn2O4 нижча циклічна стабільність порівняно з LiCoO2, що означає, що він може вимагати більш частої заміни, тому він може бути не таким придатним для довготривалих систем зберігання енергії.

l Літій-залізофосфат (LFP)

Фосфат використовується як катод у літій-залізо-фосфатних акумуляторах, часто відомих як літій-фосфатні акумулятори. Їх низький опір покращує термічну стабільність і безпеку Вони також славляться довговічністю та тривалим життєвим циклом, що робить їх найвигіднішим варіантом порівняно з іншими типами літій-іонних батарей. Отже, ці батареї часто використовуються в електричних велосипедах та інших додатках, що вимагають тривалого життєвого циклу та високого рівня безпеки. Але його недоліки ускладнюють його швидкий розвиток. По-перше, порівняно з іншими типами літій-іонних акумуляторів вони коштують дорожче, оскільки використовують рідкісну та дорогу сировину. Крім того, літій-залізо-фосфатні батареї мають нижчу робочу напругу, що означає, що вони можуть не підходити для деяких застосувань, які потребують вищої напруги. Більший час заряджання робить його недоліком у додатках, які потребують швидкого заряджання.

l літій-нікель марганець оксид кобальту (NMC)

Літій-нікель-марганцеві батареї з оксидом кобальту, часто відомі як батареї NMC, виготовлені з різноманітних матеріалів, універсальних для літій-іонних батарей. До складу входить катод із суміші нікелю, марганцю та кобальту Висока щільність енергії, хороша циклічна продуктивність і довгий термін служби зробили його першим вибором для електромобілів, мережевих систем зберігання та інших високопродуктивних застосувань, що ще більше сприяло зростанню популярності електромобілів і систем відновлюваної енергії. Щоб збільшити ємність, використовуються нові електроліти та добавки, які дозволяють заряджати до 4,4 В/елемент і вище. Існує тенденція до використання літій-іонів із сумішшю NMC, оскільки система є економічно ефективною та забезпечує хорошу продуктивність. Нікель, марганець і кобальт є трьома активними матеріалами, які можна легко комбінувати, щоб задовольнити широкий спектр застосувань в автомобілях і системах накопичення енергії (EES), які вимагають частого циклу.

 З чого ми бачимо, що сімейство NMC стає все більш різноманітним

Однак його побічні ефекти, такі як теплова втеча, небезпека пожежі та екологічні проблеми, можуть перешкодити його подальшому розвитку.

l Титанат літію

Титанат літію, часто відомий як титанат літію, — це тип акумулятора, який має дедалі більше застосувань. Завдяки чудовій нанотехнології він здатний швидко заряджатися та розряджатися, зберігаючи стабільну напругу, що робить його добре придатним для потужних застосувань, таких як електромобілі, комерційні та промислові системи накопичення енергії та накопичувачі на рівні мережі. Разом із безпекою та надійністю ці батареї можна використовувати у військових і аерокосмічних цілях, а також для зберігання вітрової та сонячної енергії та побудови розумних мереж. Крім того, згідно з Battery Space, ці батареї можуть бути використані в критично важливих резервних системах енергосистеми. Незважаючи на це, батареї з титанату літію, як правило, дорожчі за традиційні літій-іонні батареї через складний процес виготовлення, необхідний для їх виробництва.

5. Тенденції розвитку літій-іонних батарей

Глобальне зростання установок відновлюваної енергетики збільшило періодичне виробництво енергії, створюючи незбалансовану мережу. Це призвело до попиту на батареї. Хоча зосередженість на нульових викидах вуглецю та необхідність відмови від викопного палива, а саме вугілля, для виробництва електроенергії спонукають уряди стимулювати встановлення сонячної та вітрової енергії. Ці установки піддаються системам зберігання акумуляторів, які накопичують надлишкову вироблену електроенергію. Таким чином, державні стимули для стимулювання встановлення літій-іонних батарей також стимулюють розвиток літій-іонних батарей Наприклад, прогнозується, що глобальний ринок літій-іонних батарей NMC зросте з мільйонів доларів США у 2022 році до мільйонів доларів США у 2029 році; Очікується, що з 2023 по 2023 рік він зростатиме на рівні % 2029  Зростаючі потреби додатків, які вимагають великих навантажень, прогнозують, що зроблять літій-іонні батареї 3000-10000 найшвидше зростаючим сегментом протягом прогнозованого періоду (2022-2030).

6 Інвестиційний аналіз літій-іонних батарей

Прогнозується, що галузь ринку літій-іонних акумуляторів зросте з 51,16 мільярда доларів США у 2022 році до 118,15 мільярда доларів США до 2030 року, демонструючи загальний річний темп зростання 4,72% протягом прогнозованого періоду (2022-2030 роки), що залежить від кількох факторів.

l Аналіз кінцевого користувача

Об’єкти комунального господарства є ключовими рушійними силами для систем зберігання енергії від акумуляторів (BESS). Очікується, що цей сегмент зросте з 2,25 мільярда доларів США у 2021 році до 5,99 мільярда доларів США у 2030 році при середньорічному темпі зростання 11,5%.  Літій-іонні акумулятори показують вищий CAGR на 34,4% через низьку базу зростання. Житлові та комерційні сегменти зберігання енергії є іншими сферами з великим ринковим потенціалом у 5,51 мільярда доларів США у 2030 році проти 1,68 мільярда доларів у 2021 році. Промисловий сектор продовжує свій крок до нульових викидів вуглецю, а компанії обіцяють нуль чистих викидів у наступні два десятиліття. Телекомунікаційні компанії та компанії центрів обробки даних є передовими у скороченні викидів вуглекислого газу, зосереджуючись на відновлюваних джерелах енергії Все це сприятиме швидкому розвитку  літій-іонні батареї, оскільки компанії знаходять способи забезпечити надійне резервне живлення та балансування мережі.

l Аналіз типу продукту

Через високу ціну на кобальт безкобальтова батарея є однією з тенденцій розвитку літій-іонних батарей. Високовольтний LiNi0,5Mn1,5O4 (LNMO) з високою теоретичною щільністю енергії є одним із найперспективніших безкобальтових катодних матеріалів у подальшому. Крім того, експериментальні результати довели, що використання напівтвердого електроліту покращує циклічність і продуктивність батареї LNMO. Можна припустити, що аніонний COF здатний сильно поглинати Mn3+/Mn2+ і Ni2+ через кулонівську взаємодію, стримуючи їхню деструктивну міграцію до анода. Таким чином, ця робота буде корисною для комерціалізації катодного матеріалу LNMO.

l Регіональний аналіз

Азіатсько-Тихоокеанський регіон стане найбільшим ринком стаціонарних літій-іонних акумуляторів до 2030 року, який буде розвиватися за рахунок комунальних і промислових підприємств. Він випередить Північну Америку та Європу з ринком у 7,07 мільярда доларів у 2030 році, що зросте з 1,24 мільярда доларів у 2021 році при середньорічному темпі зростання на 21,3%. Північна Америка та Європа стануть наступними найбільшими ринками через їхні цілі щодо декарбонізації їхніх економік та мережі протягом наступних двох десятиліть. LATAM матиме найвищі темпи зростання при CAGR 21,4% через його менший розмір і низьку базу.

7 На що слід звернути увагу, щоб отримати високоякісні літій-іонні батареї

Купуючи оптичний сонячний інвертор, слід враховувати не тільки ціну та якість, але й інші фактори.

l Щільність енергії

Щільність енергії — це кількість енергії, накопиченої на одиницю об’єму. Вища щільність енергії з меншою вагою та розміром є більшою між циклами заряджання.

л  Безпека

Безпека є ще одним важливим аспектом літій-іонних акумуляторів, оскільки під час заряджання або розряджання можуть виникнути вибухи та пожежі, тому необхідно вибирати акумулятори з покращеними механізмами безпеки, такими як датчики температури та інгібітори.

l Тип

Однією з останніх тенденцій у виробництві літій-іонних акумуляторів є розробка твердотільних акумуляторів, які пропонують низку переваг, таких як більша щільність енергії та довший життєвий цикл. Наприклад, використання твердотільних акумуляторів в електромобілях значно збільшить їх запас ходу та безпеку.

l Норма зарядки

Швидкість заряджання залежить від того, наскільки швидко акумулятор заряджається безпечно. Іноді акумулятор заряджається довго, перш ніж їх можна буде використовувати.

l Тривалість життя

 Жодна батарея не працює протягом усього терміну служби, але має термін придатності. Перед покупкою перевірте термін придатності. Літій-іонні батареї мають довший термін служби завдяки своєму хімічному складу, але кожна батарея відрізняється одна від одної залежно від типу, технічних характеристик і способу їх виготовлення. Високоякісні батареї прослужать довше, оскільки всередині вони виготовлені з високоякісних матеріалів.