En komplet guide til lithium-ion batterier: Effekt-, forbruger- og energilagringsapplikationer

Lithium-ion batterier kan opdeles i små forbrugerlithiumbatterier (3C), effektbatterier og store energilagringsbatterier ud fra deres nedstrøms applikationer.

I. Effektbatteri

Effektbatterier er batterier, der leverer strøm til maskiner og udgør i dag et hurtigt voksende anvendelsesområde for lithium-ionbatterier. De anvendes bredt inden for nye energikøretøjer, el-værktøj, el-cykler og mere. Effektbatterier er også en type energilagringsbatteri, primært brugt i el-køretøjer. På grund af størrelse- og vægtbegrænsninger i køretøjer samt krav til acceleration har effektbatterier højere ydekrav end almindelige energilagringsbatterier. Disse krav inkluderer højere energitæthed, hurtigere opladningshastigheder og større afladningsstrømme, hvorimod almindelige energilagringsbatterier ikke har så strenge krav.

1. produktets egenskaber:

For strømtyper af lithium-ion-batterier er der behov for flere overvejelser med hensyn til opladningshastighed, rækkevidde, pålidelighed og konsistens, givet de langsigtede krav (mindst 5-10 år). Energitythed: Batteripakken udgør cirka 25 % af en bils vægt, og ændringer i batterivægten påvirker direkte køretøjets energiforbrug. For samme mængde opladning resulterer en batteripakke med højere energitythed i en længere rækkevidde. Opladningshastighed: Opladningshastighed er ligeledes en afgørende indikator for nuværende strømbatterier. Større batteriproducenter designer i øjeblikket opladningshastigheder mellem 4C og 6C, eller endnu højere, for at reducere brugerens ventetid. Sikkerhed og konsistens: Strømbatteripakker til køretøjer bruger et stort antal batterier forbundet i serie og parallel. Ideelt set bør sandsynligheden for, at et strømbatteri fejlfungerer (sikkerhed, lagring, cykluslevetid osv.), være mindre end én ud af hundrede millioner. Hvis denne sandsynlighed forbliver konsekvent lav, er batteriet dog imod overopladning og overudladning under brug, hvilket potentielt kan føre til sikkerhedsproblemer.

2. Type af positiv elektrode:

I øjeblikket inkluderer de primære typer af batterier til eldrevne køretøjer på markedet lithium-ternære batterier, LiFePO4-batterier og LiMn2O4-batterier. Set i forhold til den samlede kompatibilitet af elbatterier, dominerer lithium-ternære batterier og LiFePO4-batterier markedsandelen. Selvfølgelig er et andet katodemateriale, der bør nævnes inden for elbatterier, NCA (nikkel-kobolt-aluminium) (8:1,5:0,5), som har en høj energitæthed pr. celle, men også en meget høj adgangsbarriere.

Ii. Forbrugerbatterier

Forbrugerbatterier er et andet vigtigt anvendelsesområde for lithium-ionbatterier. Forbruger-lithium-ionbatterier bruges hovedsageligt i elektronikprodukter til daglig brug såsom mobiltelefoner, bærbare computere, digitalkameraer, digitale camcorder, powerbanks og elektriske legetøj – de såkaldte "3C-produkter" – til lithiumbattericeller og -moduler. De kategoriseres hovedsageligt i cylindriske, prismatiske og bløde (pouch) batterier. Cylindriske lithiumbatterier har en større diameter, hvilket begrænser tykkelsen af slutbruger-elektronikprodukter; prismatiske lithiumbatterier har et relativt fast udseende og er vanskelige at gøre tynde. Derfor kan hverken af disse to typer lithiumbatterier opfylde kravene fra nogle forbruger-elektronikprodukter til tynde, letvægts- og variabelstørrelsesbatterier. Polymer-bløde lithiumbatterier bruger en aluminiums-plastfolie som kappe, hvilket gør dem lette, sikre og giver mere fleksible designmuligheder samt højere energitæthed, hvilket gør dem mere velegnede til kravene fra forbruger-elektronikprodukter om tynde, letvægts-, variabelstørrelses- og sikre batterier. Derfor er polymer-bløde lithiumbatterier i dag den mest almindelige type forbrugerlithiumbatteri. Industrien for forbrugerbatterier er moden, og den samlede efterspørgsel er relativt stabil.

1. produktets egenskaber:

Forbrugerlithium-ionbatterier har relativt mindre krævende anvendelsesbetingelser og kræver ikke langvarig pålidelighed. De bruges typisk alene og behøver ikke kobles med andre batterier, hvorfor kravene til ensartethed ikke er særlig høje. På grund af det begrænsede og værdifulde rum i forbrugerprodukter såsom smartphones og tablets stilles der imidlertid strenge krav til størrelse, kapacitet og energitæthed for forbrugerlithium-ionbatterier. Højtydende forbrugerbatterier anvender de mest avancerede teknologier og materialer, mens effektbatterier kræver mere avanceret processtyring, konsistensstyring og kvalitetsstyring. Kravene til cykluslevetid for forbrugerprodukter er ikke så omfattende som for effektbatterier og energilagring. For eksempel ser vi efter 2-3 års brug, at et mobils batterikapacitet er faldet til 80 %, primært fordi de fleste mobiler oplades én eller to gange om dagen. Dette betyder, at telefonens kapacitet falder under 80 % på under tre år, hvilket betyder, at enten batteriet eller telefonen skal udskiftes.

2. Type af positiv elektrode:

Lithium-kobolt-oxid (LCO) dominerer stadig markedet for forbrugerbatterier. Selvom ternært NCM (ikke-lithium-kobolt-oxid) tilbyder høj specifik kapacitet, er det ikke let at erstatte LCO med NCM på grund af dets gasproduktion ved høje spændinger. Selvom LCO-katodematerialer har ulemper som høje omkostninger (på grund af dyrt kobolt), ringe cyklusydelse og dårlig sikkerhed, giver deres høje tap-tæthed og høje driftsspænding dem stadig en fordel i ekstremt tynde elektroniske produkter. Efterspørgslen forbliver stabil i mellem- til højklassede smartphones, bærbare computere og tablets. Desuden driver den øgede batterikapacitet i 5G-telefoner og opkomsten af nye forbrugerelektronikprodukter såsom droner, TWS-høretelefoner og e-cigaretter alt sammen efterspørgslen efter LCO-katodematerialer. LCO har den højeste tap-tæthed, hvilket resulterer i den højeste volumetriske energitæthed inden for det begrænsede rum i forbruger-elektronik. Udmærket tap-tæthed, volumetrisk energitæthed, cyklusydelse og ydelse ved høje/lave temperaturer, kombineret med muligheden for yderligere at øge energitætheden i LCO ved at hæve opladningsslutpotentialet, gør højspændings-, højtaperede LCO-materialer til fremtidens retning.

III. Energilagringsbatterier

Energilagringsbatterier henviser til batterier, der opbevarer elektrisk energi ved at omdanne den til kemisk energi. I dag har markedet for energilagringsbatterier primært to store anvendelsesområder: kraftlagring og privat husholdningsenergilagring. Batterier til kraftlagring er i princippet en teknologi til lagring af elektrisk energi. Anvendelsesscenarier inkluderer pumpevandkraft, batterilagring, mekanisk lagring og trykluftlagring, som kan anvendes inden for forskellige industrielle områder. Privat husholdningsenergilagringsbatterier er generelt udformet til udendørs brug; for eksempel under strømafbrydelser derhjemme eller under camping, hvor et batteri med stor kapacitet og lang levetid er nødvendigt til uforudsete behov.

1. produktets egenskaber:

Lagring af energi med litiumbatterier stiller højere krav til levetid. Levetiden for køretøjer med ny energi er generelt 5-8 år, mens energilagringsprojekter typisk sigter mod en levetid på mere end 10 år. Cykluslevetiden for effektbatterier er 1000-2000 cyklusser, mens energilagringsbatterier som regel kræver en cykluslevetid på over 5000 cyklusser. Det skyldes, at energilagringsbatterier ikke prioriterer volumetrisk energitæthed og gravimetrisk energitæthed, men i stedet lægger vægt på sikkerhed og omkostninger. Set ud fra de indtrinsikke materialeegenskaber har lithium-jernfosfat bedre termisk stabilitet og lavere materialeomkostninger sammenlignet med ternære lithiumbatterier, og dets cykluslevetid når allerede op på næsten 10.000 cyklusser, hvilket gør, at anvendelsen af det på det globale energilagringsmarked bliver stadig mere udbredt.

2. Type af positiv elektrode:

Der er nogle forskelle mellem effektlithiumbatterier og energilagringslithiumbatterier, men set fra selve cellens side kan begge typer tilsyneladende bruge lithiumjernfosfat (LFP)-batterier og ternære lithiumbatterier. I energilagringssammenhæng anvendes dog næsten udelukkende LFP-batterier. Det skyldes primært de hyppige sikkerhedsuheld ved energilagringskraftværker. Energilagringsspecifikke lithiumbatterier kræver ikke høj energitæthed, men høj sikkerhed, fordi elektrokemiske energilagringssystemer indeholder fra hundredvis til titusindvis af batterier. Når en brand opstår og spreder sig, bliver situationen ekstremt vanskelig at håndtere. Den 29. juni 2022 udsendte National Energy Administration et høringssvar om 'Tosindfem nøglekrav til forebyggelse af ulykker i elproduktion', hvori det fastslog, at store elektrokemiske energilagringssystemer ikke må bruge ternære lithiumbatterier eller natrium-svovl-batterier og heller ikke må anvende genbrugte effektbatterier. Derfor er energilagringsbatterier stort set altid baseret på LFP.

oversigt:

Forbrugerbatterimarkedet har stort set stabiliseret sig, hvor batteriernes forskning og udvikling primært fokuserer på at opnå højere volumetrisk energitæthed og større kapacitet. Markedsandelen for førende trækbatterier er stort set etableret, med en lille del, der stadig er under genopbygning. I øjeblikket er hovedfokus for trækbatterier udvidelse af rækkevidde og øget opladningshastighed. Energilagringsbatterier har heller ikke set nogen betydelige nye udviklinger, men søger primært ekstremt store kapaciteter, fra 280 Ah til 314 Ah, og nu op til CATL og Haichens 587 Ah eller Sungrows 684 Ah.