راهنمای جامع باتری‌های لیتیوم-یون: کاربردهای قدرت، مصرف‌کننده و ذخیره‌سازی انرژی

باتری‌های لیتیوم-یون از نظر کاربردهای پایین‌دستی به باتری‌های لیتیوم کوچک مصرفی (3C)، باتری‌های لیتیومی قدرت و باتری‌های بزرگ ذخیره‌سازی انرژی تقسیم می‌شوند.

الف. باتری قدرت

باتری‌های قدرت، باتری‌هایی هستند که انرژی مورد نیاز دستگاه‌های برقی را تأمین می‌کنند و در حال حاضر یکی از حوزه‌های کاربردی سریعاً رو به رشد برای باتری‌های لیتیوم-یون محسوب می‌شوند. این باتری‌ها به‌طور گسترده در خودروهای انرژی نو، ابزارهای برقی، دوچرخه‌های برقی و موارد دیگر استفاده می‌شوند. باتری‌های قدرت نوعی از باتری‌های ذخیره‌سازی انرژی نیز هستند که عمدتاً در خودروهای الکتریکی به کار می‌روند. با توجه به محدودیت‌های اندازه و وزن در خودروها و همچنین نیاز به شتاب‌دهی، باتری‌های قدرت نسبت به باتری‌های ذخیره‌سازی معمولی الزامات عملکردی بالاتری دارند. این الزامات شامل چگالی انرژی بالاتر، سرعت شارژ سریع‌تر و جریان دشارژ بزرگ‌تر است، در حالی که باتری‌های ذخیره‌سازی معمولی چنین الزامات سخت‌گیرانه‌ای ندارند.

۱. ویژگی‌های محصول:

برای باتری‌های لیتیومیونی از نوع توان، با توجه به نیازهای بلندمدت (حداقل ۵ تا ۱۰ سال)، باید ملاحظات بیشتری در مورد سرعت شارژ، برد رانندگی، قابلیت اطمینان و یکنواختی در نظر گرفته شود. چگالی انرژی: بسته باتری حدود ۲۵ درصد از وزن یک خودرو را تشکیل می‌دهد و تغییر در وزن باتری مستقیماً بر مصرف انرژی خودرو تأثیر می‌گذارد. برای مقدار یکسان شارژ، بسته باتری با چگالی انرژی بالاتر، برد رانندگی طولانی‌تری فراهم می‌کند. سرعت شارژ: سرعت شارژ همچنین یک شاخص مهم برای باتری‌های توانی فعلی است. تولیدکنندگان بزرگ باتری در حال حاضر در حال طراحی نرخ‌های شارژ بین ۴C تا ۶C یا حتی بالاتر هستند تا زمان انتظار کاربران را کاهش دهند. ایمنی و یکنواختی: بسته‌های باتری وسایل نقلیه توانی از تعداد زیادی باتری که به صورت سری و موازی به هم متصل شده‌اند، استفاده می‌کنند. در حالت ایده‌آل، احتمال خرابی باتری توانی (از نظر ایمنی، ذخیره‌سازی، عمر چرخه و غیره) باید کمتر از یک در صد میلیون باشد. اگر این احتمال به طور مداوم پایین باقی بماند، باتری در طول استفاده مستعد شارژ بیش از حد و دشارژ بیش از حد می‌شود که ممکن است منجر به مشکلات ایمنی شود.

2. نوع الکترود مثبت:

در حال حاضر، انواع اصلی باتری‌های قدرت در بازار شامل باتری‌های لیتیوم سه‌جزئی، باتری‌های LiFePO4 و باتری‌های LiMn2O4 هستند. از نظر سازگاری کلی باتری قدرت، باتری‌های لیتیوم سه‌جزئی و باتری‌های LiFePO4 سهم عمده بازار را به خود اختصاص داده‌اند. البته ماده کاتدی دیگری که در زمینه باتری قدرت قابل توجه است NCA (نیکل-کبالت-آلومینیوم) (8:1.5:0.5) می‌باشد که چگالی انرژی بالایی در هر سلول دارد اما همچنین سد ورود بسیار بالایی نیز دارد.

II. باتری‌های مصرفی

باتری‌های مصرفی حوزهٔ مهم دیگری برای باتری‌های لیتیوم-یونی هستند. باتری‌های لیتیوم-یونی مصرفی عمدتاً در محصولات الکترونیکی مصرفی مانند تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ‌ها، دوربین‌های دیجیتال، دوربین‌های ویدئویی دیجیتال، پاوربانک‌ها و اسباب‌بازی‌های برقی — به‌طور کلی معروف به «محصولات 3C» — به‌عنوان سلول‌ها و ماژول‌های باتری لیتیومی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این باتری‌ها عمدتاً به سه دسته استوانه‌ای، منشوری و پاکتی تقسیم می‌شوند. باتری‌های لیتیومی استوانه‌یی قطر بزرگتری دارند و ضخامت محصولات الکترونیکی نهایی را محدود می‌کنند؛ باتری‌های لیتیومی منشوری طراحی ظاهری نسبتاً ثابتی دارند و ساخت آن‌ها به صورت نازک دشوار است. بنابراین هیچ‌یک از این دو نوع باتری لیتیومی نمی‌توانند نیازهای برخی از محصولات الکترونیکی مصرفی را در زمینه باتری‌های نازک، سبک‌وزن و با اندازه‌های متغیر برآورده کنند. باتری‌های لیتیومی پلیمری پاکتی از فیلم آلومینیوم-پلاستیک به‌عنوان پوسته استفاده می‌کنند که آن‌ها را سبک‌وزن، ایمن و دارای گزینه‌های طراحی انعطاف‌پذیرتر و چگالی انرژی بالاتر می‌کند و از این رو مناسب‌تر از باتری‌های مصرفی الکترونیکی از نظر نازک بودن، سبک‌وزنی، اندازه‌های متغیر و ایمنی هستند. در نتیجه، باتری‌های لیتیومی پلیمری پاکتی در حال حاضر رایج‌ترین نوع باتری لیتیومی مصرفی هستند. صنعت باتری مصرفی بالغ شده و کلیه تقاضاها نسبتاً پایدار است.

۱. ویژگی‌های محصول:

باتری‌های لیتیوم-یون مصرف‌کننده شرایط استفاده کمتر سفت‌وسختی دارند و به قابلیت اطمینان بلندمدت نیازی ندارند. معمولاً به صورت جداگانه استفاده می‌شوند و نیازی به جفت‌شدن با باتری‌های دیگر ندارند، بنابراین الزامات انطباق و یکدستی خیلی بالا نیست. با این حال، به دلیل محدودیت فضا و اهمیت بالای محصولات الکترونیکی مصرف‌کننده مانند تلفن‌های همراه و تبلت‌ها، باتری‌های لیتیوم-یون مصرف‌کننده در مورد اندازه، ظرفیت و چگالی انرژی الزامات بسیار سفت‌وسختی دارند. باتری‌های پیشرفته مصرف‌کننده از پیشرفته‌ترین فناوری‌ها و مواد استفاده می‌کنند، در حالی که باتری‌های قدرتی به کنترل فرآیند پیشرفته‌تر، کنترل یکدستی و مدیریت کیفیت بهتری نیاز دارند. الزامات عمر چرخه‌ای برای محصولات مصرف‌کننده به اندازه باتری‌های قدرتی و ذخیره‌سازی انرژی طولانی نیست. به عنوان مثال، پس از ۲ تا ۳ سال استفاده، متوجه می‌شویم که ظرفیت باتری یک تلفن همراه به ۸۰٪ کاهش یافته است، عمدتاً به این دلیل که بیشتر تلفن‌ها روزانه یک یا دو بار شارژ می‌شوند. این بدین معناست که در کمتر از ۳ سال ظرفیت تلفن به زیر ۸۰٪ می‌رسد و در این مرحله باید باتری یا خود تلفن تعویض شود.

2. نوع الکترود مثبت:

اکسید لیتیوم کبالت (LCO) همچنان در بازار باتری مصرفی مسلط است. اگرچه NCM سه جزئی (اکسید غیر لیتیوم کبالت) ظرفیت ویژه بالایی ارائه می‌دهد، اما به دلیل تولید گاز در ولتاژهای بالا به راحتی جایگزین LCO نمی‌شود. اگرچه مواد کاتدی LCO معایبی مانند هزینه بالا (به دلیل کبالت گران‌قیمت)، عملکرد چرخه ضعیف و ایمنی پایین دارند، اما چگالی تپ بالا و ولتاژ کاری بالای آن‌ها همچنان به آن‌ها مزیتی در محصولات الکترونیکی فوق‌العاده نازک می‌دهد. تقاضا در گوشی‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها و تبلت‌های میان‌رده تا بالارده، پایدار باقی مانده است. علاوه بر این، افزایش ظرفیت باتری گوشی‌های 5G و ظهور الکترونیک مصرفی جدید مانند پهپادها، هدفون‌های TWS و سیگارهای الکترونیکی، همگی در حال افزایش تقاضای بازار برای مواد کاتدی LCO هستند. LCO بالاترین چگالی تپ را دارد که منجر به بالاترین چگالی انرژی حجمی در حجم محدود الکترونیک مصرفی می‌شود. چگالی تپ عالی، چگالی انرژی حجمی، عملکرد چرخه، عملکرد دما بالا/پایین و همچنین توانایی افزایش بیشتر چگالی انرژی LCO با افزایش پتانسیل قطع شارژ، مواد LCO با ولتاژ بالا و تپ بالا را به سمت جهت آینده تبدیل کرده است.

III. باتری‌های ذخیره انرژی

باتری‌های ذخیره انرژی به باتری‌هایی اطلاق می‌شوند که انرژی الکتریکی را ذخیره کرده و آن را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کنند. در حال حاضر، بازار باتری‌های ذخیره انرژی عمدتاً دو حوزه اصلی کاربردی دارد: ذخیره انرژی برقی و ذخیره انرژی مسکونی. باتری‌های ذخیره برق در اصل فناوری ذخیره‌سازی توان الکتریکی هستند؛ فناوری برای ذخیره انرژی الکتریکی. سناریوهای کاربردی شامل نگهداری با استفاده از پمپ-ذخیره آبی، ذخیره باتری، ذخیره مکانیکی و ذخیره هوای فشرده است که می‌تواند در حوزه‌های صنعتی مختلف به کار رود. باتری‌های ذخیره انرژی مسکونی عموماً برای استفاده در فضای باز طراحی شده‌اند؛ به عنوان مثال در زمان قطعی برق در خانه یا هنگام کمپینگ، نیاز به یک باتری ذخیره انرژی با ظرفیت بالا و عمر طولانی برای پاسخگویی به نیازهای غیرمنتظره وجود دارد.

۱. ویژگی‌های محصول:

باتری‌های لیتیومی ذخیره‌سازی انرژی نیازمند عمر مفید بالاتری هستند. عمر وسایل نقلیه انرژی جدید معمولاً ۵ تا ۸ سال است، در حالی که پروژه‌های ذخیره‌سازی انرژی معمولاً به دنبال عمری بیش از ۱۰ سال هستند. عمر چرخه‌ای باتری‌های لیتیومی قدرت ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ چرخه است، در حالی که باتری‌های لیتیومی ذخیره‌سازی معمولاً به عمر چرخه‌ای بیش از ۵۰۰۰ چرخه نیاز دارند. این امر به این دلیل است که باتری‌های ذخیره‌سازی انرژی چگالی انرژی حجمی و چگالی انرژی جرمی را اولویت نمی‌دهند، بلکه بر ایمنی و هزینه تأکید می‌کنند. از دیدگاه خواص ذاتی مواد، فسفات لیتیوم آهن (LFP) در مقایسه با باتری‌های لیتیومی سه‌جزئی، پایداری حرارتی بهتری داشته و هزینه مادهٔ آن کمتر است و عمر چرخه‌ای آن اکنون به تقریباً ۱۰۰۰۰ چرخه رسیده است؛ بنابراین کاربرد آن در بازار جهانی ذخیره‌سازی انرژی به طور فزاینده‌ای گسترده می‌شود.

2. نوع الکترود مثبت:

تفاوت‌هایی بین باتری‌های لیتیومی قدرت و باتری‌های لیتیومی ذخیره‌سازی انرژی وجود دارد، اما از دیدگاه خود سلول، به ظاهر هر دو می‌توانند از باتری‌های فسفات لیتیوم آهن (LFP) و باتری‌های لیتیوم سه‌گانه استفاده کنند. با این حال، در کاربردهای ذخیره‌سازی انرژی، تقریباً به طور انحصاری از باتری‌های LFP استفاده می‌شود. این موضوع عمدتاً به دلیل وقوع مکرر حوادث ایمنی در نیروگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی است. باتری‌های اختصاصی ذخیره‌سازی نیازی به چگالی انرژی بالا ندارند، بلکه به ایمنی بالایی نیاز دارند، زیرا سیستم‌های الکتروشیمیایی ذخیره‌سازی انرژی شامل صدها تا ده‌ها هزار باتری هستند. هنگامی که آتش‌سوزی رخ دهد و گسترش یابد، وضعیت بسیار دشوار خواهد شد. در تاریخ ۲۹ ژوئن ۲۰۲۲، سازمان انرژی ملی ایالات متحده پیش‌نویس نظریه‌ای در مورد "بیست و پنج الزام کلیدی برای جلوگیری از حوادث تولید برق" منتشر کرد که در آن مشخص شد نیروگاه‌های بزرگ مقیاس الکتروشیمیایی ذخیره‌سازی انرژی نباید از باتری‌های لیتیوم سه‌گانه یا باتری‌های سدیم-گوگرد استفاده کنند و نباید از باتری‌های قدرتی بازیافتی استفاده شود. بنابراین، باتری‌های ذخیره‌سازی اساساً همگی از نوع LFP ساخته می‌شوند.

خلاصه:

بازار باتری مصرفی عمدتاً ثبات یافته است و تحقیق و توسعه باتری عمدتاً بر دستیابی به چگالی انرژی حجمی بالاتر و ظرفیت بزرگ‌تر متمرکز شده است. سهم بازار باتری‌های قدرت عمدهٔ آن تعیین شده و تنها بخش کوچکی همچنان در حال بازسازی است. در حال حاضر، تمرکز اصلی باتری‌های قدرت بر افزایش برد حرکتی و سرعت شارژ است. باتری‌های ذخیره‌سازی نیز شاهد هیچ پیشرفت چشمگیر جدیدی نبوده‌اند و عمدتاً به دنبال دستیابی به ظرفیت‌های بسیار بزرگ هستند، از ۲۸۰ آمپر ساعت به ۳۱۴ آمپر ساعت و اکنون به ۵۸۷ آمپر ساعت شرکت CATL و Haichen و یا ۶۸۴ آمپر ساعت شرکت Sungrow.