Що таке літій-іонні батареї?

1. Що таке літій-іонні батареї?

Батарея – це джерело електроенергії, що складається з одного або кількох елементів електрохімічні комірки з зовнішніми з'єднаннями для живлення електроприладів. Літій-іонна або літій-іонна батарея – це тип акумулятора, який використовує оборотне зменшення іонів літію для накопичення енергії та відоме їх високою щільність енергії.

2. Структура літій-іонних батарей

Як правило, більшість комерційних ліф-іонних акумуляторів використовують інтеркаляційні сполуки як Активні матеріали. Зазвичай вони складаються з кількох шарів матеріалів розташовані в певному порядку, щоб полегшити електрохімічний процес дозволяє акумулятору зберігати та вивільняти енергію - анод, катод, електроліт, сепаратор і струмоприймач.

Що таке анод?

Як компонент батареї, анод відіграє важливу роль у ємності, продуктивність і довговічність батареї. При зарядці графітовий анод є відповідає за прийом і зберігання іонів літію. Коли батарея є розряджаючись, іони літію рухаються від анода до катода так, що ан створюється електричний струм. Як правило, найпоширеніший комерційно використовуваний анод є графіт, який у його повністю літіованому стані LiC6 корелює з максимальним ємність 1339 Кл/г (372 мАг/г). Але з розвитком технологій нові такі матеріали, як кремній, були досліджені для підвищення щільності енергії для літій-іонних акумуляторів.

Що таке катод?

Катод працює для прийому та вивільнення позитивно заряджених іонів літію під час поточні цикли. Зазвичай він складається з шаруватої структури шаруватого оксиду (наприклад, оксид літію-кобальту), поліаніон (наприклад, фосфат літію-заліза) або шпінель (наприклад, оксид марганцю літію), покрита колектором заряду (зазвичай виготовлений з алюмінію).

Що таке електроліт?

Як сіль літію в органічному розчиннику, електроліт служить середовищем для руху іонів літію між анодом і катодом під час заряджання і розрядка.

Що таке роздільник?

Сепаратор працює як тонка мембрана або шар непровідного матеріалу запобігайте появі анода (негативного електрода) і катода (позитивного електрода). замикання, оскільки цей шар проникний для іонів літію, але не для електронів. Це також може забезпечити постійний потік іонів між електродами під час заряджання і розрядка. Тому акумулятор може підтримувати стабільну напругу і знижувати ризик перегріву, займання або вибуху.

Що таке струмоприймач?

Струмоприймач призначений для збору струму, що виробляється в електроди акумулятора і транспортує його до зовнішнього ланцюга, який є 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 Найбільш ранніми прикладами є батарея CuF2/Li, розроблена НАСА в 1965 році. І нафтова криза потрапивши у світ у 1970-х роках, дослідники звернули увагу на альтернативу джерел енергії, тому прорив, який створив найдавнішу форму в сучасна літій-іонна батарея була зроблена через малу вагу та високу енергію щільність літій-іонних батарей. У той же час Стенлі Віттінгем з Exxon виявив, що іони літію можна вводити в такі матеріали, як TiS2 створити акумуляторну батарею 

Тож він спробував комерціалізувати цю батарею, але не вдалося через високу вартість і наявність в елементах металевого літію. У 1980 році було виявлено, що новий матеріал забезпечує вищу напругу та набагато більше стабільний на повітрі, який пізніше буде використаний у першій комерційній літій-іонній батареї, хоча це само по собі не вирішило постійну проблему горючість. Того ж року Рачід Язамі винайшов літієвий графіт електрод (анод). А потім, у 1991 році, перша в світі літій-іонна акумуляторна батарея акумулятори почали виходити на ринок 

У 2000-х рр. попит на літій-іон кількість акумуляторів зросла, оскільки портативні електронні пристрої стали популярними, які приводи літій-іонні батареї безпечніші та довговічніші. Електромобілі були представлений у 2010-х роках, що створило новий ринок для літій-іонних батарей. The розробка нових виробничих процесів і матеріалів, таких як кремнієві аноди і твердотільних електролітів, продовжував покращувати продуктивність і безпеку літій-іонні акумулятори. Сьогодні літій-іонні батареї стали необхідними нашого повсякденного життя, тому дослідження та розробка нових матеріалів і технології постійно вдосконалюють продуктивність, ефективність і безпеку ці батареї.

4. Типи літій-іонних батарей

Літій-іонні батареї бувають різних форм і розмірів, і не всі їх роблять рівними. Зазвичай існує п'ять типів літій-іонних батарей.

l Оксид літію-кобальту

Літій-кобальт-оксидні батареї виготовляються з карбонату літію та кобальт і також відомі як літій-кобальтатні або літій-іонні кобальтові батареї. Вони мають кобальт-оксидний катод і графітовий вугільний анод, а також іони літію мігрують від анода до катода під час розряду, при цьому потік змінюється коли батарея заряджена. Що стосується його застосування, то вони використовуються в переносних електронні пристрої, електромобілі та системи зберігання відновлюваної енергії через їх високу питому енергію, низьку швидкість саморозряду, високу робочу напруги та широкого діапазону температур. Але зверніть увагу на питання безпеки пов’язане з потенціалом теплового розбігу та нестабільністю на високих температури.

l Оксид марганцю літію

Оксид марганцю літію (LiMn2O4) є матеріалом катода, який зазвичай використовується в літій-іонних батареях. Технологія для такого роду акумуляторів була спочатку виявлено в 1980-х роках з першою публікацією в матеріалах дослідження Вісник 1983 року. Одна з переваг LiMn2O4 полягає в тому, що він має хороші теплові характеристики стабільність, що означає меншу ймовірність зазнати теплового розбігу, який також безпечніші за інші типи літій-іонних батарей. Крім того, є марганець у великій кількості та широко доступний, що робить його більш стійким варіантом у порівнянні до катодних матеріалів, які містять обмежені ресурси, як-от кобальт. В результаті їх часто можна знайти в медичному обладнанні та приладах, електроінструментах, електриці мотоцикли та інші програми. Незважаючи на свої переваги, LiMn2O4 бідніший циклічна стабільність у порівнянні з LiCoO2, що означає, що може знадобитися більше частої заміни, тому він може бути не таким придатним для тривалого зберігання енергії системи.

l Літій-залізофосфат (LFP)

Фосфат часто використовується як катод у літій-залізо-фосфатних батареях відомі як літій-фосфатні акумулятори. Їх низький опір покращує їх термічні властивості стабільність і безпека. Вони також славляться довговічністю та тривалим життєвим циклом, що робить їх найбільш економічно ефективним варіантом для інших типів літій-іонних батареї. Отже, ці акумулятори часто використовуються в електричних велосипедах та інші програми, що вимагають тривалого життєвого циклу та високого рівня безпеки. Але його недоліки ускладнюють його швидкий розвиток. По-перше, порівняно з інші типи літій-іонних акумуляторів коштують дорожче, оскільки використовують рідкісні та дорога сировина. Крім того, літій-залізо-фосфатні акумулятори мають a нижча робоча напруга, що означає, що вони можуть не підходити для деяких програми, які вимагають вищої напруги. Більший час заряджання робить його a недолік у додатках, які потребують швидкої перезарядки.

l літій-нікель марганець оксид кобальту (NMC)

Літій-нікель-марганцеві батареї з оксидом кобальту, часто відомі як NMC батареї, виготовлені з різних матеріалів, які є універсальними літій-іонні акумулятори. Катод, виготовлений із суміші нікелю, марганцю та входить кобальт. Його висока щільність енергії, хороша циклічна продуктивність і a довгий термін служби зробив його першим вибором в електромобілях, мережевих накопичувачах систем та інших високопродуктивних програм, що ще більше сприяло зростання популярності електромобілів і систем відновлюваної енергії. до збільшення ємності, для цього використовуються нові електроліти та добавки заряджайте до 4,4 В/елемент і вище 

Відтоді існує тенденція до використання літій-іонів із сумішшю NMC система є економічно ефективною та забезпечує хорошу продуктивність. Нікель, марганець, і кобальт є трьома активними матеріалами, які можна легко комбінувати, щоб задовольнити широкий ряд додатків для автомобільних систем і систем накопичення енергії (EES). часті їзди на велосипеді. З чого ми бачимо, що сімейство NMC стає все більше Однак його побічні ефекти, такі як теплова втеча, пожежна небезпека та навколишнє середовище занепокоєння може перешкодити його подальшому розвитку.

l Титанат літію

Титанат літію, часто відомий як титанат літію, є типом батареї, яка має a зростаюча кількість використань. Завдяки своїм чудовим нанотехнологіям він здатний швидко заряджати і розряджати, зберігаючи стабільну напругу, що робить його добре підходить для потужних застосувань, таких як електромобілі, комерційні транспортні засоби і промислові системи зберігання енергії, і зберігання на рівні мережі 

Разом зі своїм Безпека та надійність, ці батареї можуть бути використані для військової та аерокосмічної промисловості застосування, а також зберігання вітрової та сонячної енергії та будівництво розумних сітки. Крім того, згідно з Battery Space, ці батареї можуть бути використовується для резервного копіювання систем енергосистеми. Тим не менш, титанат літію батареї, як правило, дорожчі, ніж традиційні літій-іонні батареї до складного процесу виготовлення, необхідного для їх виготовлення.

5. Тенденції розвитку літій-іонних батарей

Глобальне зростання інсталяцій відновлюваної енергетики збільшилося переривчасте виробництво енергії, створюючи незбалансовану мережу. Це призвело до а попит на батареї.поки ми зосереджені на нульових викидах вуглекислого газу та повинні рухатися від викопного палива, а саме вугілля, для виробництва електроенергії підказують більше уряди стимулюють установки сонячної та вітрової енергії. Ці установки піддаються системам зберігання акумуляторів, які накопичують надлишкову енергію створений 

Таким чином, державні стимули для стимулювання літій-іонних акумуляторів установки також стимулюють розвиток літій-іонних акумуляторів. Наприклад, Прогнозується, що світовий ринок літій-іонних батарей NMC зросте з дол мільйон у 2022 році до мільйонів доларів США у 2029 році; очікується, що він зросте на рівні CAGR % з 2023 по 2029 рік. І зростаючі потреби додатків, що вимагають важких прогнозується, що літій-іонні батареї на 3000-10000 найшвидших зростаючий сегмент протягом прогнозного періоду (2022-2030 рр.).

6. Інвестиційний аналіз літій-іонних батарей

Прогнозується, що галузь ринку літій-іонних акумуляторів зросте з 51,16 дол мільярдів у 2022 році до 118,15 мільярдів доларів США до 2030 року, демонструючи складний річний показник темп зростання 4,72% протягом прогнозного періоду (2022-2030), який залежить від кілька факторів.

l Аналіз кінцевого користувача

Установки комунального сектору є ключовими рушійними силами накопичення енергії акумуляторів системи (BESS). Очікується, що цей сегмент зросте з 2,25 мільярда доларів у 2021 році 5,99 мільярда доларів у 2030 році при CAGR 11,5%. Літій-іонні батареї показують вищі 34,4% CAGR через низьку базу зростання. Житлові та комерційні накопичувачі енергії сегменти – це інші сфери з великим ринковим потенціалом у 5,51 мільярда доларів США у 2030 році, з $1,68 млрд у 2021 році. Промисловий сектор продовжує свій похід назустріч нульові викиди вуглецю, а компанії зобов’яжуться звести нуль чистих викидів у наступні два десятиліть. Телекомунікаційні компанії та компанії центрів обробки даних перебувають на передньому краї скорочення викиди вуглецю з підвищеною увагою до відновлюваних джерел енергії. всі які сприятимуть швидкому розвитку літій-іонних акумуляторів компанії знаходять способи забезпечити надійне резервне копіювання та балансування мережі.

l Аналіз типу продукту

Через високу ціну на кобальт безкобальтова батарея є однією з таких тенденції розвитку літій-іонних акумуляторів. Високовольтний LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) з високою теоретичною щільністю енергії є одним із найперспективніших Co-free катодні матеріали в подальшому. Крім того, результати експериментів довели це Завдяки використанню напівтвердий електроліт. Це можна припустити, на що здатний аніонний COF сильно поглинаючи Mn3+/Mn2+ та Ni2+ через кулонівську взаємодію, стримуючи їх руйнівну міграцію до анода. Тому ця робота буде бути корисним для комерціалізації катодного матеріалу LNMO.

l Регіональний аналіз

Азіатсько-Тихоокеанський регіон стане найбільшим ринком стаціонарних літій-іонних батарей 2030 р., керований комунальними підприємствами та промисловістю. Вона вижене Північну Америку і Європа з ринком у 7,07 мільярдів доларів у 2030 році, що зросте з 1,24 мільярдів доларів у 2030 році 2021 при середньорічному темпі зростання 21,3%. Північна Америка та Європа будуть наступними за величиною ринки через їхні цілі декарбонізації їхніх економік і мережі на наступному два десятиліття. Латинська Америка спостерігатиме найвищі темпи зростання при CAGR 21,4%, тому що його меншого розміру та низької основи.

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

При покупці оптичного сонячного інвертора важливо враховувати не тільки ціну і якість враховуючи, інші фактори також слід мати на увазі.

l Щільність енергії

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

l Безпека

Безпека є ще одним важливим аспектом літій-іонних батарей після вибухів і пожежі, які можуть виникнути під час заряджання або розряджання, тому необхідно вибирайте батареї з покращеними механізмами безпеки, такими як датчики температури та інгібуючі речовини.

l Тип

Однією з останніх тенденцій в індустрії літій-іонних акумуляторів є розробка твердотільних акумуляторів, які пропонують низку переваг, як-от більш висока щільність енергії та довший життєвий цикл. Наприклад, використання твердотільні батареї в електрокарах значно збільшать їх запас ходу здатність і безпека.

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. Перевірте термін придатності дату перед здійсненням покупки. Літій-іонні батареї мають властиву довший час термін служби завдяки хімічному складу, але кожна батарея відрізняється одна від одної залежно від тип, специфікації та спосіб їх виготовлення. Будуть високоякісні акумулятори служать довше, оскільки всередині вони виготовлені з високоякісних матеріалів.