Ein vollständiger Leitfaden zu Lithium-Ionen-Batterien: Anwendungen in der Energieversorgung, im Consumer-Bereich und in der Energiespeicherung

Lithium-Ionen-Batterien können je nach ihren Anwendungen im Downstream-Bereich in kleine Verbraucher-Lithiumbatterien (3C), leistungsstarke Lithium-Ionen-Batterien und große Energiespeicherbatterien unterteilt werden.

I. Leistungsbatterie

Leistungsbatterien sind Batterien, die elektrische Geräte mit Energie versorgen, und stellen derzeit einen schnell wachsenden Anwendungsbereich für Lithium-Ionen-Batterien dar. Sie werden häufig in Elektrofahrzeugen, Elektrowerkzeugen, Elektrofahrrädern und weiteren Anwendungen eingesetzt. Leistungsbatterien sind auch eine Art Energiespeicherbatterie, hauptsächlich im Bereich der Elektrofahrzeuge verwendet. Aufgrund der Größen- und Gewichtsbeschränkungen von Fahrzeugen sowie der Anforderungen an die Beschleunigung stellen Leistungsbatterien höhere Anforderungen an die Leistung als herkömmliche Energiespeicherbatterien. Dazu gehören eine höhere Energiedichte, schnellere Ladegeschwindigkeiten und größere Entladeströme, während herkömmliche Energiespeicherbatterien keine so strengen Anforderungen aufweisen.

1. Produktmerkmale:

Bei leistungsorientierten Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund der langfristigen Anforderungen (mindestens 5–10 Jahre) zusätzliche Überlegungen hinsichtlich Ladegeschwindigkeit, Reichweite, Zuverlässigkeit und Konsistenz erforderlich. Energiedichte: Der Batteriesatz macht etwa 25 % des Fahrzeuggewichts aus, und Gewichtsänderungen der Batterie wirken sich direkt auf den Energieverbrauch des Fahrzeugs aus. Bei gleicher Ladungsmenge führt ein Batteriesatz mit höherer Energiedichte zu einer größeren Reichweite. Ladegeschwindigkeit: Auch die Ladegeschwindigkeit ist ein entscheidender Indikator für aktuelle Leistungsbatterien. Große Batteriehersteller entwickeln derzeit Laderaten zwischen 4C und 6C oder sogar höher, um die Wartezeit der Nutzer zu verkürzen. Sicherheit und Konsistenz: Leistungsbatterien für Fahrzeuge verwenden eine große Anzahl von in Reihe und parallel geschalteten Batterien. Idealweise sollte die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls einer Leistungsbatterie (Sicherheit, Speicherung, Zyklenlebensdauer usw.) unter einem zu hundert Millionen liegen. Bleibt diese Wahrscheinlichkeit konstant niedrig, neigt die Batterie im Betrieb dazu, überladen oder überentladen zu werden, was zu Sicherheitsproblemen führen kann.

2. Typ der positiven Elektrode:

Derzeit umfassen die wichtigsten Arten von Traktionsbatterien auf dem Markt Lithium-Ternär-Batterien, LiFePO4-Batterien und LiMn2O4-Batterien. In Bezug auf die Gesamtkompatibilität von Traktionsbatterien dominieren Lithium-Ternär-Batterien und LiFePO4-Batterien den Markt. Ein weiteres in der Traktionsbatterietechnologie bemerkenswertes Kathodenmaterial ist NCA (Nickel-Cobalt-Aluminium) (8:1,5:0,5), das eine hohe Energiedichte pro Zelle aufweist, jedoch auch eine sehr hohe Markteintrittsschwelle hat.

Ii. Gerätebatterien

Verbraucherbatterien sind ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich für Lithium-Ionen-Batterien. Verbraucher-Lithium-Ionen-Batterien werden hauptsächlich in Elektronikprodukten für den Endverbraucher wie Mobiltelefonen, Laptops, Digitalkameras, digitalen Camcordern, Powerbanks und elektrischen Spielzeugen – den sogenannten „3C-Produkten“ – für Lithium-Batteriezellen und -module eingesetzt. Sie werden hauptsächlich in zylindrische, prismatische und Pouch-Batterien unterteilt. Zylindrische Lithium-Batterien weisen einen größeren Durchmesser auf, was die Dicke von Endverbraucher-Elektronikprodukten begrenzt; prismatische Lithium-Batterien haben ein relativ festes Gehäusedesign und sind schwer dünn zu fertigen. Daher können diese beiden Arten von Lithium-Batterien die Anforderungen einiger Elektronikprodukte an dünne, leichte und variabel dimensionierte Batterien nicht erfüllen. Polymer-Pouch-Lithium-Batterien verwenden eine Aluminium-Kunststoff-Folie als Gehäuse, wodurch sie leicht, sicher und in der Konstruktion flexibler sowie energiedichter sind und somit besser den Anforderungen von Elektronikprodukten an dünne, leichte, variabel dimensionierte und sichere Batterien entsprechen. Daher sind Polymer-Pouch-Lithium-Batterien derzeit die am häufigsten verwendete Art von Verbraucher-Lithium-Batterien. Die Verbraucherbatterie-Industrie ist ausgereift, und die Gesamtnachfrage ist relativ stabil.

1. Produktmerkmale:

Verbraucher-Lithium-Ionen-Batterien haben vergleichsweise weniger strenge Einsatzbedingungen und erfordern keine langfristige Zuverlässigkeit. Sie werden normalerweise einzeln verwendet und müssen nicht mit anderen Batterien kombiniert werden, weshalb die Anforderungen an die Konsistenz nicht sehr hoch sind. Aufgrund des begrenzten Platzes und der Wertigkeit von Verbraucherprodukten wie Smartphones und Tablets stellen Verbraucher-Lithium-Ionen-Batterien jedoch strenge Anforderungen an Abmessungen, Kapazität und Energiedichte. Hochwertige Verbraucherbatterien nutzen die fortschrittlichsten Technologien und Materialien, während Leistungsbatterien eine fortgeschrittenere Prozesssteuerung, Konsistenzkontrolle und Qualitätsmanagement erfordern. Die Anforderungen an die Zyklenlebensdauer von Verbraucherprodukten sind nicht so hoch wie bei Leistungs- und Speicherbatterien. Beispielsweise stellen wir nach zwei bis drei Jahren Nutzung fest, dass die Kapazität einer Smartphone-Batterie auf 80 % abgenommen hat, hauptsächlich weil die meisten Smartphones ein- oder zweimal täglich geladen werden. Dies bedeutet, dass die Kapazität des Geräts innerhalb von weniger als drei Jahren unter 80 % sinkt, wodurch entweder die Batterie oder das Smartphone ausgetauscht werden muss.

2. Typ der positiven Elektrode:

Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) dominiert weiterhin den Verbraucherbatteriemarkt. Obwohl tertiäres NCM (Nicht-Lithium-Kobalt-Oxid) eine hohe spezifische Kapazität bietet, kann es LCO aufgrund der Gasentwicklung bei hohen Spannungen nicht leicht ersetzen. Obwohl LCO-Kathodenmaterialien Nachteile wie hohe Kosten (aufgrund des teuren Kobalts), schlechte Zyklenleistung und geringe Sicherheit aufweisen, verschaffen ihnen ihre hohe Schüttdichte und hohe Betriebsspannung weiterhin einen Vorteil bei ultradünnen Elektronikprodukten. Die Nachfrage bleibt in Mittel- bis High-End-Smartphones, Laptops und Tablets stabil. Darüber hinaus treiben die erhöhte Batteriekapazität von 5G-Handys sowie die Einführung neuer Unterhaltungselektronik wie Drohnen, TWS-Kopfhörer und E-Zigaretten die Marktnachfrage nach LCO-Kathodenmaterialien voran. LCO weist die höchste Schüttdichte auf, was innerhalb des begrenzten Volumens von Consumer-Elektronikprodukten die höchste volumetrische Energiedichte ergibt. Hervorragende Schüttdichte, volumetrische Energiedichte, Zyklenleistung und Hoch/Niedrig-Temperatur-Leistung sowie die Möglichkeit, die Energiedichte von LCO durch Erhöhung des Ladesperrpotentials weiter zu steigern, machen Hochspannungs- und Hochschüttdichte-LCO-Materialien zur zukünftigen Entwicklungsrichtung.

III. Energiespeicherbatterien

Energiespeicherbatterien bezeichnen Batterien, die elektrische Energie speichern und in chemische Energie umwandeln. Derzeit gibt es auf dem Markt für Energiespeicherbatterien zwei wesentliche Anwendungsgebiete: Stromspeicherung und häusliche Energiespeicherung. Stromspeicherbatterien sind im Wesentlichen eine Technologie zur Speicherung elektrischer Energie. Anwendungsszenarien umfassen Pumpspeicherkraftwerke, Batteriespeicher, mechanische Speicher und Druckluftspeicher, die in verschiedenen Industriebereichen eingesetzt werden können. Häusliche Energiespeicherbatterien sind in der Regel für den Außeneinsatz ausgelegt; beispielsweise wird bei Stromausfällen zu Hause oder beim Campen eine hochkapazitive, langlebige Energiespeicherbatterie für unvorhergesehene Bedarfe benötigt.

1. Produktmerkmale:

Lithium-Batterien für die Energiespeicherung haben höhere Anforderungen an die Lebensdauer. Die Lebensdauer von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben liegt in der Regel bei 5 bis 8 Jahren, während bei Energiespeicherprojekten üblicherweise eine Lebensdauer von mehr als 10 Jahren angestrebt wird. Die Zykluslebensdauer von Leistungs-Lithiumbatterien beträgt 1000 bis 2000 Zyklen, wohingegen Lithium-Energiespeicher in der Regel eine Zykluslebensdauer von mehr als 5000 Zyklen erfordern. Dies liegt daran, dass bei Energiespeicherbatterien nicht die volumetrische und gravimetrische Energiedichte im Vordergrund steht, sondern vielmehr Sicherheit und Kosten. Aus Sicht der inhärenten Materialeigenschaften weist Lithium-Eisenphosphat eine bessere thermische Stabilität und günstigere Materialkosten auf als ternäre Lithiumbatterien, und seine Zykluslebensdauer erreicht bereits nahezu 10.000 Zyklen. Daher findet es zunehmend breite Anwendung auf dem globalen Energiespeichermarkt.

2. Typ der positiven Elektrode:

Es gibt einige Unterschiede zwischen Leistungs-Lithiumbatterien und Energiespeicher-Lithiumbatterien, aber aus Sicht der Zelle selbst können scheinbar beide Lithium-Eisenphosphat (LFP)-Batterien und Lithium-Ternär-Batterien verwenden. Bei Energiespeicheranwendungen werden jedoch nahezu ausschließlich LFP-Batterien eingesetzt. Dies liegt hauptsächlich an den häufigen Sicherheitsvorfällen in Energiespeicherkraftwerken. Energiespeicher-spezifische Lithiumbatterien benötigen keine hohe Energiedichte, sondern hohe Sicherheit, da elektrochemische Energiespeichersysteme Hunderte bis Zehntausende von Batterien enthalten. Breitet sich ein Brand einmal aus, wird die Situation äußerst schwierig zu bewältigen. Am 29. Juni 2022 veröffentlichte die Nationale Energiebehörde einen Entwurf mit dem Titel "Fünfundzwanzig Schlüsselanforderungen zur Verhinderung von Unfällen in der Stromerzeugung", in dem festgelegt wurde, dass große elektrochemische Energiespeicherkraftwerke keine Lithium-Ternär-Batterien oder Natrium-Schwefel-Batterien verwenden dürfen und keine recycelten Leistungs-Batterien eingesetzt werden dürfen. Daher bestehen Energiespeicherbatterien im Wesentlichen ausschließlich aus LFP.

zusammenfassung:

Der Verbraucherbatteriemarkt hat sich weitgehend stabilisiert, wobei die Batterieforschung und -entwicklung hauptsächlich auf eine höhere volumetrische Energiedichte und größere Kapazitäten ausgerichtet ist. Der Marktanteil führender Antriebsbatterien ist weitgehend etabliert, wobei ein kleiner Teil weiterhin neu aufgebaut wird. Derzeit liegt der Schwerpunkt bei Antriebsbatterien hauptsächlich auf der Reichweitenverlängerung und der Erhöhung der Ladegeschwindigkeit. Bei Speicherbatterien gab es bisher ebenfalls keine nennenswerten Neuentwicklungen, sondern vor allem das Streben nach extrem großen Kapazitäten – von 280Ah über 314Ah bis hin zu CATL- und Haichen-Batterien mit 587Ah oder Sungrow-Batterien mit 684Ah.