Пълно ръководство за литиево-йонните батерии: приложения за захранване, потребителски уреди и съхранение на енергия

Литиево-йонните батерии могат да се разделят на малки потребителски литиеви батерии (3C), силови литиево-йонни батерии и големи батерии за съхранение на енергия в зависимост от тяхното приложение.

I. Батерии за захранване

Батериите за захранване са батерии, които осигуряват енергия на устройства с двигателно задвижване и в момента представляват бързо развиваща се област на приложение за литиев-йонните батерии. Те намират широко приложение в превозни средства с нова енергия, електрически инструменти, електрически велосипеди и други. Батериите за захранване са също така вид акумулаторни батерии за съхранение на енергия, използвани предимно в електрически превозни средства. Поради ограниченията по размер и тегло на автомобилите, както и поради изискванията за ускорение, батериите за захранване имат по-високи изисквания за производителност в сравнение с обикновените батерии за съхранение на енергия. Тези изисквания включват по-висока плътност на енергията, по-бързи скорости на зареждане и по-големи разрядни токове, докато обикновените батерии за съхранение на енергия нямат толкова строги изисквания.

1. Особености на продукта:

За силовите литиево-йонни батерии са необходими допълнителни разглеждания относно скоростта на зареждане, пробега, надеждността и последователността, като се имат предвид дългосрочните изисквания (поне 5–10 години). Плътност на енергията: Батерийният пакет представлява приблизително 25% от теглото на автомобила, а промените в теглото на батерията директно повлияват върху енергийното потребление на превозното средство. При едно и също количество заряд, батерия с по-висока плътност на енергия осигурява по-дълъг пробег. Скорост на зареждане: Тя също е важен показател за съвременните силови батерии. Основните производители на батерии в момента проектират скорости на зареждане между 4C и 6C или дори по-високи, за да се намали времето за изчакване на потребителите. Безопасност и последователност: Батерийните пакети за превозни средства се състоят от голям брой батерии, свързани последователно и успоредно. Идеално, вероятността от повреда на силова батерия (безопасност, съхранение, цикличен живот и др.) трябва да е по-малка от една на сто милиона. Ако тази вероятност остане постоянно ниска, батерията е склонна към прекомерно зареждане и прекомерно разреждане по време на употреба, което потенциално може да доведе до проблеми с безопасността.

2. Тип положителен електрод:

В момента основните типове силови батерии на пазара включват трикомпонентни литиеви батерии, батерии LiFePO4 и батерии LiMn2O4. От гледна точка на общата съвместимост на силови батерии, трикомпонентните литиеви батерии и батериите LiFePO4 доминират на пазара. Разбира се, друг катоден материал, който заслужава внимание в областта на силовите батерии, е NCA (никел-кобалт-алуминий) (8:1,5:0,5), който притежава висока плътност на енергията на отделната клетка, но също така има много висока входна бариера.

II. Битови батерии

Батериите за битова употреба са друга важна област на приложение на литиево-йонните батерии. Литиево-йонните батерии за битова употреба се използват основно в електронни продукти за крайни потребители като мобилни телефони, лаптопи, цифрови фотоапарати, цифрови видеокамери, power bank-ове и електрически играчки – така наречените "3C продукти" – за литиеви батерийни елементи и модули. Те се класифицират основно на цилиндрични, призматични и пликови батерии. Цилиндричните литиеви батерии имат по-голям диаметър, което ограничава дебелината на електронните продукти за крайни потребители; призматичните литиеви батерии имат сравнително фиксиран дизайн на външния вид и е трудно да бъдат направени тънки. Поради това нито един от тези два вида литиеви батерии не може да отговаря на изискванията на някои електронни продукти за крайни потребители за тънки, леки и с променливи размери батерии. Полимерните пликови литиеви батерии използват алуминиево-пластмасова фолиа за корпус, което ги прави леки, безопасни и с по-голяма гъвкавост при дизайна, както и с по-висока плътност на енергията, което ги прави по-подходящи за изискванията на електронните продукти за тънки, леки, с променливи размери и безопасни батерии. Поради това полимерните пликови литиеви батерии в момента са най-често срещаният тип битови литиеви батерии. Индустрията на батерии за битова употреба е зряла, а общото търсене е сравнително стабилно.

1. Особености на продукта:

Батериите с литиев-йонен тип за потребителски цели имат относително по-малко строги условия на използване и не изискват дългосрочна надеждност. Обикновено се използват самостоятелно и нямат нужда от комбиниране с други батерии, поради което изискванията за еднородност не са много високи. Въпреки това, поради ограничено пространство и ценността на потребителските продукти като мобилни телефони и таблети, батериите за тези устройства имат строги изисквания към размер, капацитет и плътност на енергията. Висококласните потребителски батерии използват най-съвременните технологии и материали, докато тяговите батерии изискват по-напреднало управление на процесите, контрол на еднородността и управление на качеството. Изискванията за цикличен живот при потребителските продукти не са толкова дълги, колкото при тяговите батерии и системите за съхранение на енергия. Например, след 2-3 години употреба установяваме, че капацитетът на батерията на мобилен телефон е намалял до 80%, основно защото повечето телефони се зареждат веднъж или два пъти на ден. Това означава, че капацитетът на телефона пада под 80% за по-малко от 3 години, в което време или батерията, или целият телефон трябва да бъде сменен.

2. Тип положителен електрод:

Литиевият кобалтов оксид (LCO) все още доминира пазара на батерии за потребителска електроника. Въпреки че тройният NCM (нелициев кобалтов оксид) предлага висока специфична капацитетност, той не може лесно да замени LCO поради отделянето на газ при високи напрежения. Макар катодните материали от LCO да имат недостатъци като висока цена (поради скъпия кобалт), слаб цикличен ресурс и понижена безопасност, високата им насипна плътност и високо работно напрежение все още им дават предимство при ултратънки електронни продукти. Търсенето остава стабилно при смартфони, лаптопи и таблети от среден и висок клас. Освен това увеличаването на капацитета на батериите при 5G телефоните и появата на нова потребителска електроника като дронове, TWS слушалки и е-цигари допринасят за растящото търсене на катодни материали от LCO. LCO притежава най-висока насипна плътност, което води до най-висока обемна плътност на енергията в ограничения обем на потребителската електроника. Отличната насипна плътност, обемна плътност на енергията, циклични характеристики и работа при високи/ниски температури, както и възможността за още по-голямо увеличаване на плътността на енергията чрез повишаване на потенциала за прекратяване на зареждането, правят високонапрежните и високоплътни LCO материали бъдещата посока на развитие.

III. Батерии за съхранение на енергия

Батериите за съхранение на енергия са батерии, които съхраняват електрическа енергия, като я преобразуват в химическа енергия. В момента пазарът на батерии за съхранение на енергия включва две основни приложни области: съхранение на енергия за електроцентрали и битово съхранение на енергия. Батериите за съхранение на енергия за електроцентрали по същество представляват технология за съхранение на електроенергия – технология за съхранение на електрическа енергия. Приложните сценарии включват съхранение чрез помпено-хидравлични системи, батерийно съхранение, механично съхранение и съхранение чрез компресиран въздух, които могат да се прилагат в различни индустриални сфери. Батериите за битово съхранение на енергия обикновено са предназначени за употреба на открито; например при прекъсвания на електрозахранването у дома или когато се кемпуват, се нуждаете от висока мощност и дълготрайна батерия за съхранение на енергия за непредвидени нужди.

1. Особености на продукта:

Литиевите батерии за съхранение на енергия имат по-високи изисквания за продължителност на живота. Срокът на служба на новите електромобили обикновено е 5-8 години, докато при проекти за съхранение на енергия той обикновено е над 10 години. Цикличният живот на силовите литиеви батерии е 1000-2000 цикъла, докато литиевите батерии за съхранение на енергия обикновено изискват цикличен живот над 5000 цикъла. Това се дължи на факта, че батериите за съхранение на енергия не поставят като приоритет обемната и гравиметричната плътност на енергията, а по-скоро подчертават безопасността и разходите. От гледна точка на вътрешните материални свойства, литиево-желязната фосфатна технология притежава по-добра топлинна стабилност и по-ниска материална цена в сравнение с тернарните литиеви батерии, а нейният цикличен живот вече достига почти 10 000 цикъла, поради което приложението ѝ на пазара за съхранение на енергия в световен мащаб става все по-широко.

2. Тип положителен електрод:

Има някои разлики между силовите литиеви батерии и литиевите батерии за съхранение на енергия, но от гледна точка на самите елементи, изглежда, че и двете могат да използват батерии с литиев оловно-фосфат (LFP) и тройни литиеви батерии. Въпреки това, в приложенията за съхранение на енергия почти изключително се използват LFP батерии. Това се дължи предимно на честите инциденти с пожари в енергийни съоръжения за съхранение. Специализираните за съхранение литиеви батерии не изискват висока плътност на енергията, но високо ниво на безопасност, тъй като електрохимичните системи за съхранение на енергия съдържат от стотици до десетки хиляди батерии. Ако възникне пожар и той се разпространи, ситуацията става изключително трудно контролируема. На 29 юни 2022 г. Националната енергийна администрация издаде проектно становище относно "Двадесет и пет ключови изисквания за предотвратяване на инциденти при производство на електроенергия", в което се посочва, че големи електрохимични енергийни съоръжения за съхранение не трябва да използват тройни литиеви батерии или натриево-сулфурни батерии и не трябва да използват регенерирани силови батерии. Поради това батериите за съхранение са изработени почти изцяло от LFP.

резюме:

Пазарът на батерии за потребителски електроника е предимно стабилизиран, като изследванията и разработките се насочват основно към постигане на по-висока обемна плътност на енергията и по-голям капацитет. Пазарният дял на водещите тягови батерии е предимно установен, като само малка част все още се преустроява. В момента основният фокус при тяговите батерии е върху удължаване на пробега и увеличаване на скоростта на зареждане. Батериите за съхранение на енергия също не показват значителни нови разработки, като се насочват предимно към изключително големи капацитети – от 280 Ah до 314 Ah, а сега вече и до 587 Ah на CATL и Haichen или 684 Ah на Sungrow.