Kompletní průvodce lithiově-iontovými bateriemi: výkon, spotřební a akumulační aplikace

Lithiově-iontové baterie lze dělit podle jejich odvětví využití na malé spotřební lithiové baterie (3C), výkonové lithiově-iontové baterie a velké baterie pro ukládání energie.

I. Napájecí baterie

Napájecí baterie jsou baterie, které poskytují energii pro pohonné zařízení a v současnosti představují rychle rostoucí oblast použití lithium-iontových baterií. Jsou široce využívány u vozidel s alternativními zdroji energie, nářadí na elektrický pohon, elektrických kol a dalších. Napájecí baterie patří také mezi baterie pro skladování energie, primárně se používají u elektrických vozidel. Kvůli omezením velikosti a hmotnosti automobilů a také požadavkům na akceleraci mají napájecí baterie vyšší nároky na výkon než běžné baterie pro skladování energie. Tyto nároky zahrnují vyšší energetickou hustotu, rychlejší nabíjení a vyšší vybíjecí proudy, zatímco běžné baterie pro skladování energie takové přísné požadavky nemají.

1. Vlastnosti produktu:

U výkonových lithiově-iontových baterií je třeba dávat větší pozor na rychlost nabíjení, dojezd, spolehlivost a konzistenci, a to zejména s ohledem na dlouhodobé požadavky (minimálně 5 až 10 let). Hustota energie: Bateriový balanc tvoří přibližně 25 % hmotnosti vozidla a změny hmotnosti baterie přímo ovlivňují spotřebu vozidla. U stejného množství náboje vede bateriový balanc s vyšší hustotou energie k delšímu dojezdu. Rychlost nabíjení: Rychlost nabíjení je rovněž klíčovým ukazatelem u současných výkonových baterií. Hlavní výrobci baterií nyní navrhují nabíjecí proudy mezi 4C až 6C, nebo dokonce vyšší, aby se snížila doba čekání uživatelů. Bezpečnost a konzistence: Bateriové balancy pohonných vozidel používají velké množství baterií zapojených sériově a paralelně. V ideálním případě by pravděpodobnost poruchy výkonové baterie (bezpečnost, skladování, životnost cyklu atd.) měla být menší než jedna ku sto milionům. Pokud zůstane tato pravděpodobnost trvale nízká, hrozí u baterie přebíjení a přebíjení, což může vést k bezpečnostním problémům.

2. Typ kladné elektrody:

V současnosti jsou hlavními typy trakčních baterií na trhu baterie s trojčlennou sloučeninou lithia, baterie LiFePO4 a baterie LiMn2O4. Co se týče celkové kompatibility trakčních baterií, dominantní pozici na trhu zaujímají baterie s trojčlennou sloučeninou lithia a baterie LiFePO4. Samozřejmě dalším katodovým materiálem, na který je třeba upozornit v oblasti trakčních baterií, je NCA (nikl-kobalt-hliník) (8:1,5:0,5), který vykazuje vysokou hustotu energie na jednotku, ale zároveň má velmi vysokou vstupní bariéru.

II. Spotřební baterie

Spotřebitelské baterie jsou další důležitou oblastí využití lithiových iontových baterií. Tyto baterie se používají hlavně v elektronických spotřebičích, jako jsou mobilní telefony, notebooky, digitální fotoaparáty, digitální kamery, power banky a elektrické hračky – takzvané „3C produkty“ – a to pro lithium-iontové články a moduly. Hlavně se dělí na válcové, hranolové a pouzdrové baterie. Válcové lithiové baterie mají větší průměr, což omezuje tloušťku konečných elektronických zařízení; hranolové lithiové baterie mají relativně pevný tvar a je obtížné je ztenčit. Proto tyto dva typy lithiových baterií nemohou splnit požadavky některých spotřebitelských elektronických zařízení na tenké, lehké a variabilně velikostní baterie. Polymerové pouzdrové lithiové baterie používají jako pouzdro hliníko-plastovou fólii, díky čemuž jsou lehké, bezpečné a nabízejí větší flexibilitu v návrhu a vyšší hustotu energie, což je činí vhodnějšími pro požadavky spotřebitelských elektronických zařízení na tenké, lehké, variabilně velikostní a bezpečné baterie. Proto jsou v současnosti polymerové pouzdrové lithiové baterie nejčastěji používaným typem spotřebitelských lithiových baterií. Průmysl spotřebitelských baterií je vyspělý a celková poptávka je relativně stabilní.

1. Vlastnosti produktu:

Běžné lithiové baterie mají relativně mírnější provozní podmínky a nevyžadují dlouhodobou spolehlivost. Obvykle se používají samostatně a není třeba je párovat s jinými bateriemi, takže požadavky na shodnost nejsou příliš vysoké. Vzhledem však k omezenému prostoru a cennosti spotřebitelských výrobků, jako jsou mobilní telefony a tablety, mají spotřebitelské lithiové baterie přísné požadavky na rozměry, kapacitu a hustotu energie. Vyspělé spotřebitelské baterie využívají nejmodernější technologie a materiály, zatímco trakční baterie vyžadují pokročilejší řízení procesů, kontrolu shodnosti a řízení kvality. Požadavky na životnost cyklu u spotřebitelských výrobků nejsou tak vysoké jako u trakčních baterií a baterií pro skladování energie. Například po 2–3 letech používání zjistíme, že kapacita baterie mobilního telefonu klesla na 80 %, hlavně proto, že většina mobilních telefonů se nabíjí jednou nebo dvakrát denně. To znamená, že kapacita telefonu klesne pod 80 % za méně než 3 roky, v tu chvíli je nutné buď vyměnit baterii, nebo telefon.

2. Typ kladné elektrody:

Lithium-kobaltový oxid (LCO) stále dominuje na trhu s bateriemi pro spotřebitele. Ačkoli ternární NCM (Non-Lithium Cobalt Oxide) nabízí vysokou specifickou kapacitu, není snadno nahraditelným LCO kvůli tvorbě plynu při vysokých napětích. I když katodové materiály LCO mají nevýhody, jako je vysoká cena (kvůli drahému kobaltu), špatný cyklický výkon a nízká bezpečnost, jejich vysoká objemová hustota a vysoké provozní napětí jim stále poskytují výhodu v ultra tenkých elektronických produktech. Poptávka zůstává stabilní ve středních až vyšších třídách chytrých telefonů, notebookech a tabletech. Navíc zvyšování kapacity baterií u 5G telefonů a vznik nových spotřebitelských elektronických zařízení, jako jsou drony, TWS sluchátka a elektronické cigarety, všechno to podporuje poptávku po katodových materiálech LCO. LCO disponuje nejvyšší objemovou hustotou, což v omezeném objemu spotřebitelské elektroniky znamená nejvyšší objemovou energetickou hustotu. Vynikající objemová hustota, objemová energetická hustota, cyklický výkon a výkon při vysokých/nízkých teplotách, spolu s možností dále zvyšovat energetickou hustotu LCO zvýšením napětí nabíjení, činí materiály LCO s vysokým napětím a vysokou hustotou budoucím směrem vývoje.

III. Akumulační baterie

Akumulační baterie jsou baterie, které ukládají elektrickou energii a přeměňují ji na energii chemickou. V současnosti má trh s akumulačními bateriemi dvě hlavní oblasti použití: skladování energie pro energetiku a domácí skladování energie. Baterie pro skladování energie jsou v podstatě technologií pro ukládání elektrické energie. Mezi scénáře využití patří čerpadlové hydroakumulace, bateriové úložiště, mechanické ukládání a stlačené vzduchové akumulace, které lze využít v různých průmyslových odvětvích. Akumulační baterie pro domácnosti jsou obecně určeny pro venkovní použití; například při výpadcích proudu doma nebo při kempování je potřeba vysoce kapacitní, dlouhotrvající akumulační baterie pro nepředvídané potřeby.

1. Vlastnosti produktu:

Akumulační lithiové baterie mají vyšší požadavky na životnost. Životnost vozidel s novými druhy pohonu je obecně 5 až 8 let, zatímco u akumulačních projektů se obvykle požaduje životnost delší než 10 let. Počet cyklů u trakčních lithiových baterií činí 1000 až 2000 cyklů, zatímco u akumulačních lithiových baterií se obecně vyžaduje životnost vyšší než 5000 cyklů. Důvodem je, že u akumulačních baterií není rozhodující objemová ani hmotnostní hustota energie, ale spíše bezpečnost a cena. Z hlediska vlastních vlastností materiálů má lithium-železo-fosfát lepší tepelnou stabilitu a nižší náklady na materiál ve srovnání s ternárními lithiovými bateriemi a jeho životnost již dosahuje téměř 10 000 cyklů, a proto se jeho uplatnění na trhu energetických zdrojů světově stále více rozšiřuje.

2. Typ kladné elektrody:

Existují určité rozdíly mezi lithiovými bateriemi pro pohon a lithiovými bateriemi pro skladování energie, avšak z hlediska samotného článku se zdá, že mohou používat jak baterie na bázi fosforečnanu železitohlinitého (LFP), tak ternární lithiové baterie. Nicméně v aplikacích pro skladování energie se téměř výhradně používají LFP baterie. To je především způsobeno častými nehodami souvisejícími s požárem ve stanicích pro skladování energie. Lithiové baterie určené speciálně pro skladování energie nepožadují vysokou hustotu energie, ale vysokou bezpečnost, protože elektrochemické systémy pro ukládání energie obsahují stovky až desetitisíce baterií. Jakmile dojde k požáru a jeho šíření, situace se stane extrémně obtížně řešitelnou. Dne 29. června 2022 vydalo Národní energetické úřad návrh stanoviska k dokumentu „Dvacet pět klíčových požadavků pro prevenci nehod při výrobě elektrické energie“, který stanovil, že velké elektrochemické stanice pro skladování energie by neměly používat ternární lithiové baterie ani sodno-sírové baterie a nesmí používat recyklované trakční baterie. Proto jsou baterie pro skladování energie v podstatě všechny vyrobeny z LFP.

shrnutí:

Trh spotřebních baterií se výrazně stabilizoval, přičemž výzkum a vývoj baterií se zaměřuje primárně na dosažení vyšší objemové energetické hustoty a větší kapacity. Tržní podíl vedoucích výrobců trakčních baterií je již z velké části ustálen, pouze malá část se stále přeuspořádává. V současnosti je hlavním cílem u trakčních baterií prodloužení dojezdové vzdálenosti a zvýšení rychlosti nabíjení. U akumulačních baterií nedošlo rovněž k žádným významným novým vývojům, sleduje se především extrémně velké kapacity, od 280 Ah až po 314 Ah a nyní dokonce 587 Ah od CATL a Haichen nebo 684 Ah od Sungrow.