Lityum-ion batareyalar nima

1 Lityum-ion batareyalar nima?

Batareya bir yoki bir nechta elektrokimyoviy hujayralardan tashkil topgan elektr quvvat manbai bo'lib, elektr qurilmalarini quvvatlantirish uchun tashqi ulanishga ega. Lityum-ion yoki Li-ion batareya - bu energiyani saqlash uchun lityum ionlarining teskari qisqarishidan foydalanadigan va yuqori energiya zichligi bilan mashhur qayta zaryadlanuvchi batareyaning bir turi.

2 Lityum-ionli batareyalarning tuzilishi

Odatda, ko'pgina tijorat Li-ion batareyalari faol moddalar sifatida interkalatsiya birikmalaridan foydalanadi. Ular odatda batareyaga energiyani saqlash va chiqarishga imkon beruvchi elektrokimyoviy jarayonni osonlashtirish uchun ma'lum bir tartibda joylashtirilgan bir necha qatlamli materiallardan iborat - anod, katod, elektrolitlar, ajratuvchi va oqim kollektori.

Anod nima?

Batareyaning tarkibiy qismi sifatida anod batareyaning quvvati, ishlashi va chidamliligida muhim rol o'ynaydi. Zaryad olayotganda grafit anod lityum ionlarini qabul qilish va saqlash uchun javobgardir. Batareya zaryadsizlanganda, lityum ionlari anoddan katodga o'tadi, shunda elektr toki hosil bo'ladi. Umuman olganda, eng keng tarqalgan tijorat maqsadlarida ishlatiladigan anod grafit bo'lib, uning to'liq LiC6 holatida maksimal quvvati 1339 C / g (372 mA / g) ga teng. Ammo texnologiyalarning rivojlanishi bilan lityum-ion batareyalar uchun energiya zichligini yaxshilash uchun silikon kabi yangi materiallar o'rganildi.

Katod nima?

Katod joriy davrlarda musbat zaryadlangan litiy ionlarini qabul qilish va chiqarish uchun ishlaydi. Odatda zaryad kollektori (odatda alyuminiydan qilingan) bilan qoplangan qatlamli oksid (masalan, litiy kobalt oksidi), polianion (litiy temir fosfat kabi) yoki shpinel (litiy marganets oksidi kabi) qatlamli strukturasidan iborat. 

Elektrolit nima?

Organik erituvchida litiy tuzi sifatida elektrolit zaryadlash va tushirish vaqtida litiy ionlarining anod va katod o'rtasida harakatlanishi uchun vosita bo'lib xizmat qiladi.

Ajratuvchi nima?

Yupqa membrana yoki o'tkazmaydigan material qatlami sifatida ajratuvchi anod (salbiy elektrod) va katod (ijobiy elektrod) qisqarishining oldini olish uchun ishlaydi, chunki bu qatlam litiy ionlari uchun o'tkazuvchan, lekin elektronlar uchun emas. Bundan tashqari, zaryadlash va tushirish vaqtida elektrodlar orasidagi ionlarning barqaror oqimini ta'minlashi mumkin. Shuning uchun batareya barqaror kuchlanishni saqlab turishi va qizib ketish, yonish yoki portlash xavfini kamaytirishi mumkin.

Hozirgi kollektor nima?

Oqim kollektori batareyaning elektrodlari tomonidan ishlab chiqarilgan oqimni yig'ish va uni tashqi kontaktlarning zanglashiga olib o'tish uchun mo'ljallangan, bu batareyaning optimal ishlashi va uzoq umr ko'rishini ta'minlash uchun muhimdir. Va odatda u odatda alyuminiy yoki misning yupqa qatlamidan tayyorlanadi.

3 Lityum-ion batareyalarning rivojlanish tarixi

Zaryadlanuvchi Li-ion batareyalari bo'yicha tadqiqotlar 1960-yillarga to'g'ri keladi, eng birinchi misollardan biri NASA tomonidan ishlab chiqilgan CuF2/Li batareyadir. 1965 1970-yillarda neft inqirozi dunyoni qamrab oldi, tadqiqotchilar e'tiborini muqobil energiya manbalariga qaratdilar, shuning uchun zamonaviy Li-ion batareyasining eng qadimgi shaklini ishlab chiqargan yutuq lityum-ionli batareyalarning engil vazni va yuqori energiya zichligi tufayli amalga oshirildi. Shu bilan birga, Exxon kompaniyasidan Stenli Uittingem qayta zaryadlanuvchi batareya yaratish uchun lityum ionlarini TiS2 kabi materiallarga kiritish mumkinligini aniqladi. 

Shunday qilib, u ushbu akkumulyatorni tijoratlashtirishga harakat qildi, lekin yuqori narx va hujayralardagi metall lityum mavjudligi sababli muvaffaqiyatsizlikka uchradi. 1980 yilda yangi material yuqori kuchlanishga ega va havoda ancha barqaror bo'lib, keyinchalik birinchi tijorat Li-ion batareyasida qo'llaniladi, ammo u o'z-o'zidan yonuvchanlik muammosini hal qilmagan. o'sha yili Rachid Yazami lityum grafit elektrodini (anod) ixtiro qildi. Va keyin 1991 yilda dunyodagi birinchi qayta zaryadlanuvchi lityum-ion batareyalar bozorga chiqa boshladi. 2000-yillarda lityum-ion batareyalarga bo'lgan talab portativ elektron qurilmalar mashhur bo'lib, lityum-ionli batareyalarni xavfsizroq va mustahkamroq bo'lishiga olib keldi. 2010-yillarda elektr transport vositalari paydo bo'ldi, bu lityum-ion batareyalar uchun yangi bozorni yaratdi. 

Silikon anodlar va qattiq elektrolitlar kabi yangi ishlab chiqarish jarayonlari va materiallarini ishlab chiqish lityum-ion batareyalarning ishlashi va xavfsizligini yaxshilashni davom ettirdi. Hozirgi kunda lityum-ion batareyalar kundalik hayotimizda muhim ahamiyatga ega bo'lib qoldi, shuning uchun ushbu batareyalarning ishlashi, samaradorligi va xavfsizligini yaxshilash uchun yangi materiallar va texnologiyalarni tadqiq qilish va ishlab chiqish davom etmoqda.

4. Lityum-ionli batareyalar turlari

Lityum-ion batareyalar har xil shakl va o'lchamlarda bo'ladi va ularning hammasi ham bir xil emas. Odatda besh turdagi lityum-ion batareyalar mavjud.

l Litiy kobalt oksidi

Lityum kobalt oksidi batareyalari lityum karbonat va kobaltdan ishlab chiqariladi va lityum kobalt yoki litiy-ion kobalt batareyalari sifatida ham tanilgan. Ularda kobalt oksidi katodi va grafitli uglerod anodi mavjud va litiy ionlari zaryadsizlanish vaqtida anoddan katodga o'tadi, batareya zaryadlanganda oqim teskari tomonga o'zgaradi. Uning qo'llanilishiga kelsak, ular yuqori o'ziga xos energiya, past o'z-o'zidan zaryadsizlanish tezligi, yuqori ish kuchlanishi va keng harorat oralig'i tufayli portativ elektron qurilmalar, elektr transport vositalari va qayta tiklanadigan energiya saqlash tizimlarida qo'llaniladi. Lekin xavfsizlik bilan bog'liq muammolarga e'tibor bering yuqori haroratlarda termal qochish va beqarorlik potentsialiga.

l Litiy marganets oksidi

Lityum marganets oksidi (LiMn2O4) litiy-ionli akkumulyatorlarda keng qoʻllaniladigan katodli materialdir. Bu turdagi batareyalar uchun texnologiya dastlab 1980-yillarda kashf etilgan va 1983-yilda Materials Research Bulletin-da birinchi nashr etilgan. LiMn2O4 ning afzalliklaridan biri shundaki, u yaxshi termal barqarorlikka ega, ya'ni u boshqa lityum-ion batareya turlariga qaraganda xavfsizroq bo'lgan termal qochib ketish ehtimoli kamroq. Bundan tashqari, marganets juda ko'p va keng tarqalgan bo'lib, bu uni kobalt kabi cheklangan resurslarni o'z ichiga olgan katod materiallariga nisbatan ancha barqaror variant qiladi. Natijada, ular tez-tez tibbiy asbob-uskunalar va qurilmalarda, elektr asboblarda, elektr mototsikllarda va boshqa ilovalarda topiladi. Uning afzalliklariga qaramay, LiMn2O4 LiCoO2 ga nisbatan pastroq velosiped barqarorligi, ya'ni u tez-tez almashtirishni talab qilishi mumkin, shuning uchun u uzoq muddatli energiya saqlash tizimlari uchun mos kelmasligi mumkin.

l lityum temir fosfat (LFP)

Fosfat ko'pincha li-fosfat batareyalari deb nomlanuvchi lityum temir fosfat batareyalarida katod sifatida ishlatiladi. Ularning past qarshiligi ularning termal barqarorligi va xavfsizligini yaxshilaydi Ular, shuningdek, chidamliligi va uzoq umr ko'rish davri bilan mashhur, bu ularni boshqa turdagi lityum-ion batareyalar uchun eng tejamkor variantga aylantiradi. Shunday qilib, bu batareyalar ko'pincha elektr velosipedlarda va uzoq umr va yuqori darajadagi xavfsizlikni talab qiladigan boshqa ilovalarda qo'llaniladi. Ammo uning kamchiliklari tez rivojlanishni qiyinlashtiradi. Birinchidan, boshqa turdagi lityum-ion batareyalar bilan solishtirganda, ular qimmatroq, chunki ular kamdan-kam va qimmatbaho xom ashyolardan foydalanadilar. Bundan tashqari, lityum temir fosfat batareyalari pastroq ish kuchlanishiga ega, ya'ni ular yuqori kuchlanish talab qiladigan ba'zi ilovalar uchun mos kelmasligi mumkin. Uning uzoqroq zaryadlash vaqti uni tez zaryadlashni talab qiladigan ilovalarda kamchilikka aylantiradi.

l Lityum nikel marganets kobalt oksidi (NMC)

Ko'pincha NMC batareyalari sifatida tanilgan lityum-nikel marganets kobalt oksidi batareyalari lityum-ion batareyalarda universal bo'lgan turli xil materiallardan qurilgan. Nikel, marganets va kobalt aralashmasidan qurilgan katod kiritilgan Uning yuqori energiya zichligi, yaxshi velosiped ishlashi va uzoq umr ko'rish muddati uni elektr transport vositalari, tarmoq saqlash tizimlari va boshqa yuqori samarali ilovalarda birinchi tanlovga aylantirdi, bu esa elektr transport vositalari va qayta tiklanadigan energiya tizimlarining tobora ommalashib borishiga hissa qo'shdi. Imkoniyatlarni oshirish uchun yangi elektrolitlar va qo'shimchalar uni 4,4V / hujayra va undan yuqori quvvatga zaryad qilish imkonini beradi. NMC bilan aralashtirilgan Li-ionga nisbatan tendentsiya mavjud, chunki tizim tejamkor va yaxshi ishlashni ta'minlaydi. Nikel, marganets va kobalt tez-tez velosipedda yurishni talab qiladigan keng ko'lamli avtomobil va energiya saqlash tizimlari (EES) ilovalariga mos kelish uchun osongina birlashtirilishi mumkin bo'lgan uchta faol materialdir.

 Bundan biz NMC oilasi tobora xilma-xil bo'lib borayotganini ko'rishimiz mumkin

Biroq, uning yon ta'siri, issiqlik oqimi, yong'in xavfi va atrof-muhit muammolari uning keyingi rivojlanishiga to'sqinlik qilishi mumkin.

l Lityum titanat

Lityum titanat, ko'pincha li-titanat sifatida tanilgan, ko'proq foydalanishga ega bo'lgan batareya turidir. Yuqori nanotexnologiyasi tufayli u barqaror kuchlanishni saqlab turganda tez zaryadlash va zaryadsizlantirishga qodir, bu esa uni elektr transport vositalari, tijorat va sanoat energiya saqlash tizimlari va tarmoq darajasidagi saqlash kabi yuqori quvvatli ilovalar uchun juda mos keladi. Xavfsizligi va ishonchliligi bilan birga, bu batareyalar harbiy va aerokosmik ilovalar uchun, shuningdek, shamol va quyosh energiyasini saqlash va aqlli tarmoqlarni qurish uchun ishlatilishi mumkin. Bundan tashqari, Battery Space ma'lumotlariga ko'ra, bu batareyalar energiya tizimining muhim zaxira nusxalarida ishlatilishi mumkin. Shunga qaramay, lityum titanat batareyalari ularni ishlab chiqarish uchun zarur bo'lgan murakkab ishlab chiqarish jarayoni tufayli an'anaviy lityum-ion batareyalarga qaraganda qimmatroq bo'ladi.

5. Lityum-ionli batareyalarning rivojlanish tendentsiyalari

Qayta tiklanadigan energiya qurilmalarining global o'sishi uzluksiz energiya ishlab chiqarishni oshirib, muvozanatsiz tarmoqni yaratdi. Bu batareyalarga bo'lgan talabni keltirib chiqardi. Shu bilan birga, nol uglerod chiqindilariga e'tibor qaratish va energiya ishlab chiqarish uchun qazib olinadigan yoqilg'ilardan, ya'ni ko'mirdan uzoqlashish zarurati ko'proq hukumatlarni quyosh va shamol energiyasi qurilmalarini rag'batlantirishga undadi. Ushbu qurilmalar ishlab chiqarilgan ortiqcha quvvatni saqlaydigan akkumulyatorlarni saqlash tizimlariga xizmat qiladi. Shu sababli, Li-ion batareyalarini o'rnatishni rag'batlantirish bo'yicha hukumat rag'batlari ham lityum-ion batareyalarning rivojlanishiga turtki bo'ladi. Misol uchun, global NMC lityum-ion batareyalar bozori hajmi 2022 yilda million AQSh dollaridan 2029 yilda million AQSh dollariga o'sishi prognoz qilinmoqda; 2023 yildan boshlab CAGR% ga o'sishi kutilmoqda 2029  Va og'ir yuklarni talab qiladigan ilovalarning ortib borayotgan ehtiyojlari 3000-10000 lityum-ion batareyalarni prognoz davrida (2022-2030) eng tez o'sadigan segmentga aylantirishi prognoz qilinmoqda.

6 Lityum-ion batareyalarning investitsiya tahlili

Lityum-ion batareyalar bozori sanoati 2022 yildagi 51,16 milliard dollardan 2030 yilga kelib 118,15 milliard dollargacha o'sishi prognoz qilinmoqda, bu prognoz davrida (2022-2030) yillik murakkab o'sish sur'atini 4,72 foizni tashkil etadi, bu bir necha omillarga bog'liq.

l Yakuniy foydalanuvchi tahlili

Kommunal sektor o'rnatish batareya quvvatini saqlash tizimlari (BESS) uchun asosiy drayverlarga ega. Ushbu segment 2021 yildagi 2,25 milliard dollardan 2030 yilda 5,99 milliard dollargacha CAGR 11,5 foizga o'sishi kutilmoqda.  Li-ion batareyalar past o'sish bazasi tufayli yuqori 34,4% CAGR ko'rsatadi. Uy-joy va tijorat energiyasini saqlash segmentlari 2021 yilda 1,68 milliard dollardan 2030 yilda 5,51 milliard dollarni tashkil etadigan katta bozor salohiyatiga ega bo'lgan boshqa sohalardir. Sanoat sektori nol uglerod emissiyasi tomon yurishni davom ettirmoqda, kompaniyalar kelgusi yigirma yil ichida aniq nolga va'da berishadi. Telekom va ma'lumotlar markazlari kompaniyalari qayta tiklanadigan energiya manbalariga e'tiborni kuchaytirgan holda uglerod chiqindilarini kamaytirishda birinchi o'rinda turadi. Bularning barchasi jadal rivojlanishiga yordam beradi  lityum-ion batareyalar, chunki kompaniyalar ishonchli zaxira va tarmoq muvozanatini ta'minlash yo'llarini topadilar.

l Mahsulot turini tahlil qilish

Kobaltning yuqori narxi tufayli kobaltsiz batareya lityum-ion batareyalarning rivojlanish tendentsiyalaridan biridir. Yuqori nazariy energiya zichligiga ega yuqori voltli LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) kelajakdagi eng istiqbolli Co-free katod materiallaridan biridir. Bundan tashqari, eksperimental natijalar yarim qattiq elektrolitlar yordamida LNMO akkumulyatorining aylanish va C tezligining ishlashini isbotladi. Anion COF Kulon o'zaro ta'siri orqali Mn3+/Mn2+ va Ni2+ ni kuchli singdira oladi va ularning anodga halokatli migratsiyasini cheklaydi. Shuning uchun, bu ish LNMO katod materialini tijoratlashtirish uchun foydali bo'ladi.

l Mintaqaviy tahlil

Osiyo-Tinch okeani mintaqasi 2030 yilgacha kommunal xizmatlar va sanoat tomonidan boshqariladigan eng yirik statsionar lityum-ion batareyalar bozori bo'ladi. U 2030 yilda 7,07 milliard dollarlik bozor bilan Shimoliy Amerika va Yevropani ortda qoldirib, 2021 yildagi 1,24 milliard dollardan CAGR 21,3 foizga o'sadi. Shimoliy Amerika va Yevropa kelgusi yigirma yil ichida o'z iqtisodiyotlari va tarmoqlarini karbonsizlantirish maqsadlari tufayli keyingi eng yirik bozorlar bo'ladi. LATAM kichikroq o'lchamlari va past bazasi tufayli 21,4% CAGRda eng yuqori o'sish sur'atini ko'radi.

7 Yuqori sifatli lityum-ion batareyalar uchun e'tiborga olish kerak bo'lgan narsalar

Optik quyosh inverterini sotib olayotganda, nafaqat narx va sifatni hisobga olish kerak, balki boshqa omillarni ham hisobga olish kerak.

l Energiya zichligi

Energiya zichligi - bu hajm birligi uchun saqlanadigan energiya miqdori. Kamroq vazn va o'lchamdagi yuqori energiya zichligi zaryadlash davrlari orasida kengroqdir.

l  XavfsizlikName

Xavfsizlik litiy-ion batareyalarning yana bir muhim jihati hisoblanadi, chunki zaryad olayotganda yoki zaryadsizlanayotganda portlash va yong'inlar yuzaga kelishi mumkin, shuning uchun harorat sensori va inhibitiv moddalar kabi xavfsizlik mexanizmlari yaxshilangan batareyalarni tanlash kerak.

l yozing

Lityum-ion batareyalar sanoatidagi so'nggi tendentsiyalardan biri yuqori energiya zichligi va uzoq umr ko'rish kabi bir qator afzalliklarni taklif qiluvchi qattiq holatdagi batareyalarni ishlab chiqishdir. Masalan, elektromobillarda qattiq xolatli akkumulyatorlardan foydalanish ularning diapazon imkoniyatlari va xavfsizligini sezilarli darajada oshiradi.

l Zaryadlash tezligi

Zaryadlash tezligi batareyaning xavfsiz tarzda qanchalik tez zaryadlanishiga bog'liq. Ba'zan batareyani ishlatishdan oldin zaryadlash uchun uzoq vaqt kerak bo'ladi.

l Hayot muddati

 Batareya butun umri davomida ishlamaydi, lekin yaroqlilik muddati bor. Xarid qilishdan oldin amal qilish muddatini tekshiring. Lityum-ionli batareyalar kimyosi tufayli uzoq umrga ega, ammo har bir batareya turi, texnik xususiyatlari va ishlab chiqarish usuliga qarab bir-biridan farq qiladi. Yuqori sifatli batareyalar uzoqroq xizmat qiladi, chunki ular ichida nozik materiallardan tayyorlangan.