Ένας Πλήρης Οδηγός για τις Μπαταρίες Ιόντων Λιθίου: Εφαρμογές Ισχύος, Καταναλωτικές και Αποθήκευσης Ενέργειας

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου μπορούν να διαιρεθούν σε μικρές καταναλωτικές μπαταρίες λιθίου (3C), μπαταρίες ιόντων λιθίου για κίνηση και μεγάλες μπαταρίες αποθήκευσης ενέργειας, ανάλογα με τις εφαρμογές τους.

Ι. Μπαταρία ισχύος

Οι μπαταρίες ισχύος είναι μπαταρίες που παρέχουν ενέργεια σε συσκευές ισχύος και αποτελούν προς το παρόν μια γρήγορα αναπτυσσόμενη εφαρμογή για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε οχήματα νέας ενέργειας, ηλεκτρικά εργαλεία, ηλεκτρικά ποδήλατα και άλλα. Οι μπαταρίες ισχύος αποτελούν επίσης ένα είδος μπαταρίας αποθήκευσης ενέργειας, το οποίο χρησιμοποιείται κυρίως σε ηλεκτρικά οχήματα. Λόγω των περιορισμών σε μέγεθος και βάρος των αυτοκινήτων, καθώς και των απαιτήσεων για επιτάχυνση, οι μπαταρίες ισχύος έχουν υψηλότερες απαιτήσεις απόδοσης σε σύγκριση με τις συνηθισμένες μπαταρίες αποθήκευσης ενέργειας. Αυτές οι απαιτήσεις περιλαμβάνουν υψηλότερη πυκνότητα ενέργειας, ταχύτερες ταχύτητες φόρτισης και μεγαλύτερα ρεύματα εκφόρτισης, ενώ οι συνηθισμένες μπαταρίες αποθήκευσης ενέργειας δεν έχουν τόσο αυστηρές απαιτήσεις.

1. Χαρακτηριστικά Προϊόντος:

Για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου τύπου ισχύος, απαιτούνται περισσότερες εξετάσεις όσον αφορά την ταχύτητα φόρτισης, την εμβέλεια οδήγησης, την αξιοπιστία και τη συνέπεια, λόγω των μακροπρόθεσμων απαιτήσεων (τουλάχιστον 5-10 έτη). Πυκνότητα ενέργειας: η μπαταρία αποτελεί περίπου το 25% του βάρους ενός αυτοκινήτου, και οι αλλαγές στο βάρος της επηρεάζουν άμεσα την κατανάλωση ενέργειας του οχήματος. Για την ίδια ποσότητα φορτίου, μια μπαταρία με υψηλότερη πυκνότητα ενέργειας παρέχει μεγαλύτερη εμβέλεια οδήγησης. Ταχύτητα φόρτισης: Η ταχύτητα φόρτισης είναι επίσης ένας σημαντικός δείκτης για τις σημερινές μπαταρίες ισχύος. Οι κύριοι κατασκευαστές μπαταριών σχεδιάζουν επί του παρόντος ρυθμούς φόρτισης μεταξύ 4C και 6C, ή ακόμη και υψηλότερους, προκειμένου να μειώσουν τον χρόνο αναμονής των χρηστών. Ασφάλεια και συνέπεια: Οι μπαταρίες ισχύος για οχήματα χρησιμοποιούν μεγάλο αριθμό μπαταριών συνδεδεμένων σε σειρά και παράλληλα. Ιδανικά, η πιθανότητα μια μπαταρία ισχύος να εμφανίσει βλάβη (ασφάλεια, αποθήκευση, διάρκεια ζωής κύκλου κ.λπ.) θα πρέπει να είναι μικρότερη από μία στα εκατό εκατομμύρια. Εάν αυτή η πιθανότητα παραμένει συνεχώς χαμηλή, η μπαταρία είναι επιρρεπής σε υπερφόρτιση και υπερεκκένωση κατά τη χρήση, γεγονός που ενδέχεται να οδηγήσει σε προβλήματα ασφαλείας.

2. Τύπος θετικού ηλεκτροδίου:

Αυτή τη στιγμή, οι κύριοι τύποι μπαταριών ισχύος στην αγορά περιλαμβάνουν μπαταρίες τριονίου λιθίου, μπαταρίες LiFePO4 και μπαταρίες LiMn2O4. Σε γενικές γραμμές, όσον αφορά τη συμβατότητα των μπαταριών ισχύος, οι μπαταρίες τριονίου λιθίου και οι μπαταρίες LiFePO4 κυριαρχούν στην αγορά. Φυσικά, ένα άλλο υλικό καθόδου που αξίζει να σημειωθεί στον τομέα των μπαταριών ισχύος είναι το NCA (νικέλιο-κοβάλτιο-αργίλιο) (8:1,5:0,5), το οποίο διαθέτει υψηλή πυκνότητα ενέργειας ανά κελί, αλλά έχει επίσης πολύ υψηλό εμπορικό φραγμό.

Ii. Μπαταρίες Καταναλωτή

Οι καταναλωτικές μπαταρίες αποτελούν έναν ακόμη σημαντικό τομέα εφαρμογής για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Οι καταναλωτικές μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται κυρίως σε προϊόντα ηλεκτρονικών καταναλωτή, όπως κινητά τηλέφωνα, φορητοί υπολογιστές, ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, ψηφιακές βιντεοκάμερες, power banks και ηλεκτρικά παιχνίδια — τα λεγόμενα «προϊόντα 3C» — για κελιά και μονάδες μπαταριών λιθίου. Κατηγοριοποιούνται κυρίως σε κυλινδρικές, πρίσματος και σε μορφή περιβλήματος (pouch). Οι κυλινδρικές μπαταρίες λιθίου έχουν μεγαλύτερη διάμετρο, περιορίζοντας έτσι το πάχος των προϊόντων ηλεκτρονικών καταναλωτή· οι μπαταρίες πρίσματος έχουν σχετικά σταθερό σχέδιο εμφάνισης και είναι δύσκολο να γίνουν λεπτές. Ως εκ τούτου, καμία από αυτές τις δύο κατηγορίες μπαταριών λιθίου δεν μπορεί να καλύψει τις απαιτήσεις ορισμένων προϊόντων ηλεκτρονικών καταναλωτή για λεπτές, ελαφριές και μεταβλητού μεγέθους μπαταρίες. Οι πολυμερικές μπαταρίες λιθίου σε περίβλημα χρησιμοποιούν αλουμινο-πλαστική μεμβράνη ως περίβλημα, κάνοντάς τις ελαφριές, ασφαλείς και προσφέροντας πιο εύκαμπτες επιλογές σχεδίασης και υψηλότερη πυκνότητα ενέργειας, κάνοντάς τις πιο κατάλληλες για τις απαιτήσεις των προϊόντων ηλεκτρονικών καταναλωτή όσον αφορά λεπτές, ελαφριές, μεταβλητού μεγέθους και ασφαλείς μπαταρίες. Ως εκ τούτου, οι πολυμερικές μπαταρίες λιθίου σε περίβλημα είναι προς το παρόν ο πιο συνηθισμένος τύπος καταναλωτικής μπαταρίας λιθίου. Η βιομηχανία καταναλωτικών μπαταριών έχει ωριμάσει, και η συνολική ζήτηση είναι σχετικά σταθερή.

1. Χαρακτηριστικά Προϊόντος:

Οι καταναλωτικές μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν σχετικά λιγότερο αυστηρές συνθήκες χρήσης και δεν απαιτούν μακροπρόθεσμη αξιοπιστία. Συνήθως χρησιμοποιούνται μόνες τους και δεν χρειάζεται να είναι ταιριαστές με άλλες μπαταρίες, γι' αυτό οι απαιτήσεις συνέπειας δεν είναι πολύ υψηλές. Ωστόσο, λόγω του περιορισμένου χώρου και της σπουδαιότητας των καταναλωτικών προϊόντων όπως τα κινητά τηλέφωνα και οι ταμπλέτες, οι καταναλωτικές μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν αυστηρές απαιτήσεις ως προς το μέγεθος, τη χωρητικότητα και την πυκνότητα ενέργειας. Οι εξελιγμένες καταναλωτικές μπαταρίες χρησιμοποιούν τις πιο προηγμένες τεχνολογίες και υλικά, ενώ οι μπαταρίες ισχύος απαιτούν πιο προηγμένο έλεγχο διαδικασιών, έλεγχο συνέπειας και διαχείριση ποιότητας. Οι απαιτήσεις ως προς τη διάρκεια ζωής φόρτισης-εκφόρτισης για τα καταναλωτικά προϊόντα δεν είναι τόσο μεγάλες όσο για τις μπαταρίες ισχύος και την αποθήκευση ενέργειας. Για παράδειγμα, μετά από 2-3 χρόνια χρήσης, διαπιστώνουμε ότι η χωρητικότητα της μπαταρίας ενός κινητού τηλεφώνου έχει μειωθεί στο 80%, κυρίως επειδή τα περισσότερα κινητά φορτίζονται μία ή δύο φορές την ημέρα. Αυτό σημαίνει ότι η χωρητικότητα του τηλεφώνου πέφτει κάτω από το 80% σε λιγότερο από 3 χρόνια, οπότε είτε θα πρέπει να αντικατασταθεί η μπαταρία είτε το ίδιο το τηλέφωνο.

2. Τύπος θετικού ηλεκτροδίου:

Το οξείδιο λιθίου-κοβαλτίου (LCO) εξακολουθεί να κυριαρχεί στην αγορά μπαταριών καταναλωτικών προϊόντων. Αν και το τριαδικό NCM (Μη Οξείδιο Λιθίου-Κοβαλτίου) προσφέρει υψηλή ειδική χωρητικότητα, δεν αντικαθιστά εύκολα το LCO λόγω της παραγωγής αερίου σε υψηλές τάσεις. Παρόλο που τα καθοδικά υλικά LCO έχουν μειονεκτήματα, όπως υψηλό κόστος (λόγω του ακριβού κοβαλτίου), κακή απόδοση κύκλου και μέτρια ασφάλεια, η υψηλή πυκνότητα συμπύκνωσης και η υψηλή τάση λειτουργίας τους τους παρέχουν πλεονέκτημα σε εξαιρετικά λεπτά ηλεκτρονικά προϊόντα. Η ζήτηση παραμένει σταθερή σε smartphones, laptops και tablets μεσαίας έως υψηλής κατηγορίας. Επιπλέον, η αυξημένη χωρητικότητα μπαταρίας των τηλεφώνων 5G και η εμφάνιση νέων καταναλωτικών ηλεκτρονικών προϊόντων, όπως drones, ακουστικά TWS και ηλεκτρονικά τσιγάρα, αυξάνουν όλα τη ζήτηση για καθοδικά υλικά LCO. Το LCO διαθέτει την υψηλότερη πυκνότητα συμπύκνωσης, με αποτέλεσμα την υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα κατ' όγκο εντός του περιορισμένου όγκου των καταναλωτικών ηλεκτρονικών. Η εξαιρετική πυκνότητα συμπύκνωσης, η ενεργειακή πυκνότητα κατ' όγκο, η απόδοση κύκλου και η απόδοση σε υψηλές/χαμηλές θερμοκρασίες, μαζί με τη δυνατότητα περαιτέρω αύξησης της ενεργειακής πυκνότητας του LCO μέσω αύξησης της τάσης αποκοπής φόρτισης, καθιστούν τα υλικά LCO υψηλής τάσης και υψηλής συμπύκνωσης τη μελλοντική κατεύθυνση.

III. Μπαταρίες Αποθήκευσης Ενέργειας

Οι μπαταρίες αποθήκευσης ενέργειας αναφέρονται σε μπαταρίες που αποθηκεύουν ηλεκτρική ενέργεια, μετατρέποντάς την σε χημική ενέργεια. Προς το παρόν, η αγορά μπαταριών αποθήκευσης ενέργειας διαθέτει δύο κύριες περιοχές εφαρμογής: αποθήκευση ισχύος και οικιακή αποθήκευση ενέργειας. Οι μπαταρίες αποθήκευσης ισχύος αποτελούν ουσιαστικά τεχνολογία αποθήκευσης ισχύος, δηλαδή τεχνολογία για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας. Τα σενάρια εφαρμογής περιλαμβάνουν την υδροηλεκτρική αποθήκευση με αντληση, την αποθήκευση με μπαταρίες, τη μηχανική αποθήκευση και την αποθήκευση με συμπιεσμένο αέρα, οι οποίες μπορούν να εφαρμοστούν σε διάφορους βιομηχανικούς τομείς. Οι μπαταρίες οικιακής αποθήκευσης ενέργειας προορίζονται συνήθως για χρήση σε εξωτερικούς χώρους· για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια διακοπών ρεύματος στο σπίτι ή όταν κάνουμε κάμπινγκ, απαιτείται μια υψηλής χωρητικότητας και μεγάλης διάρκειας μπαταρία αποθήκευσης ενέργειας για απρόβλεπτες ανάγκες.

1. Χαρακτηριστικά Προϊόντος:

Οι μπαταρίες λιθίου για αποθήκευση ενέργειας έχουν υψηλότερες απαιτήσεις όσον αφορά τη διάρκεια ζωής. Η διάρκεια ζωής των οχημάτων νέας ενέργειας είναι συνήθως 5-8 χρόνια, ενώ τα έργα αποθήκευσης ενέργειας στοχεύουν συνήθως σε διάρκεια ζωής μεγαλύτερη των 10 ετών. Ο κύκλος ζωής των μπαταριών λιθίου για κίνηση είναι 1000-2000 κύκλοι, ενώ οι μπαταρίες λιθίου για αποθήκευση ενέργειας απαιτούν συνήθως κύκλο ζωής μεγαλύτερο των 5000 κύκλων. Αυτό συμβαίνει επειδή οι μπαταρίες αποθήκευσης δεν δίνουν προτεραιότητα στην ενεργειακή πυκνότητα όγκου ή μάζας, αλλά τονίζουν την ασφάλεια και το κόστος. Από την άποψη των εγγενών ιδιοτήτων των υλικών, η φωσφορική σιδηρολιθίου έχει καλύτερη θερμική σταθερότητα και χαμηλότερο κόστος υλικού σε σύγκριση με τις τριτοταγείς μπαταρίες λιθίου, ενώ ο κύκλος ζωής της έχει ήδη φτάσει σχεδόν τους 10.000 κύκλους, γεγονός που εξηγεί την ολοένα και ευρύτερη εφαρμογή της στην παγκόσμια αγορά αποθήκευσης ενέργειας.

2. Τύπος θετικού ηλεκτροδίου:

Υπάρχουν κάποιες διαφορές μεταξύ των ισχυρών λιθιοϊονικών μπαταριών και των μπαταριών αποθήκευσης ενέργειας, αλλά από την άποψη του στοιχείου καθεαυτό, και οι δύο φαίνεται να μπορούν να χρησιμοποιήσουν μπαταρίες φωσφορικού σιδήρου λιθίου (LFP) και τριτοταγείς λιθιοϊονικές μπαταρίες. Ωστόσο, σε εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας, χρησιμοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά μπαταρίες LFP. Αυτό οφείλεται κυρίως στα συχνά ατυχήματα που σχετίζονται με την ασφάλεια στους σταθμούς αποθήκευσης ενέργειας. Οι ειδικές για αποθήκευση ενέργειας λιθιοϊονικές μπαταρίες δεν απαιτούν υψηλή πυκνότητα ενέργειας, αλλά υψηλή ασφάλεια, επειδή τα ηλεκτροχημικά συστήματα αποθήκευσης ενέργειας περιέχουν εκατοντάδες έως δεκάδες χιλιάδες μπαταρίες. Μόλις ξεσπάσει πυρκαγιά και εξαπλωθεί, η κατάσταση γίνεται εξαιρετικά δύσκολη στη διαχείριση. Στις 29 Ιουνίου 2022, η Εθνική Διοίκηση Ενέργειας εξέδωσε σχέδιο γνώμης για τις «Είκοσι Πέντε Βασικές Απαιτήσεις για την Αποφυγή Ατυχημάτων στην Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας», το οποίο προβλέπει ότι οι μεγάλης κλίμακας ηλεκτροχημικοί σταθμοί αποθήκευσης ενέργειας δεν πρέπει να χρησιμοποιούν τριτοταγείς λιθιοϊονικές μπαταρίες ή μπαταρίες νατρίου-θείου, ούτε επαναχρησιμοποιούμενες μπαταρίες ισχύος. Ως εκ τούτου, οι μπαταρίες αποθήκευσης ενέργειας βασίζονται σχεδόν αποκλειστικά σε LFP.

περίληψη:

Η αγορά των καταναλωτικών μπαταριών έχει σταθεροποιηθεί σε μεγάλο βαθμό, με την έρευνα και ανάπτυξη μπαταριών να επικεντρώνεται κυρίως στην επίτευξη υψηλότερης ενεργειακής πυκνότητας κατ' όγκο και μεγαλύτερης χωρητικότητας. Το μερίδιο αγοράς των κορυφαίων μπαταριών ισχύος έχει καθιερωθεί σε μεγάλο βαθμό, με ένα μικρό μέρος να αναδιαμορφώνεται ακόμη. Προς το παρόν, η κύρια εστίαση για τις μπαταρίες ισχύος είναι η επέκταση της εμβέλειας οδήγησης και η αύξηση της ταχύτητας φόρτισης. Οι μπαταρίες αποθήκευσης ενέργειας δεν έχουν δει κάποια σημαντική νέα εξέλιξη, αναζητώντας κυρίως εξαιρετικά μεγάλες χωρητικότητες, από 280Ah σε 314Ah, και τώρα σε 587Ah της CATL και της Haichen, ή σε 684Ah της Sungrow.