Täydellinen opas litiumioniakkuihin: teho-, kuluttaja- ja energianvarastointisovellukset

Litiumioniakkujat voidaan jakaa pieniin kuluttaja-akkuihin (3C), tehoakkuiksi ja suuriksi energianvarastointiakkuihin niiden käyttötarkoituksen mukaan.

I. Tehoakut

Tehoakut ovat akkuja, jotka toimittavat virtaa voimakäyttöisille laitteille ja joilla on tällä hetkellä nopeasti kasvava käyttöalue litiumioniakkujen osalta. Niitä käytetään laajalti uusiutuvan energian ajoneuvoissa, sähkötyökaluissa, sähköpyörissä ja muissa vastaavissa sovelluksissa. Tehoakut ovat myös eräänlainen energianvarastointiakku, jota käytetään pääasiassa sähköajoneuvoissa. Autojen koon ja painon rajoitusten lisäksi kiihtyvyyttä koskevien vaatimusten vuoksi tehoakut asettavat korkeammat suorituskykyvaatimukset kuin tavalliset energianvarastointiakut. Näihin vaatimuksiin kuuluvat muun muassa korkeampi energiatiheys, nopeampi latausnopeus ja suuremmat purkavirrat, kun taas tavalliset energianvarastointiakut eivät vaadi näin tiukkoja vaatimuksia.

1. Säännöt Tuotteen ominaisuudet:

Tehotyypin litiumioniakkujen osalta on otettava huomioon latausnopeus, ajomatka, luotettavuus ja yhdenmukaisuus, ottaen huomioon pitkäaikaiset vaatimukset (vähintään 5–10 vuotta). Energiaetiheys: Akkupakkaus muodostaa noin 25 % auton painosta, ja akun painon muutokset vaikuttavat suoraan ajoneuvon energiankulutukseen. Samalla varauksella korkeampi energiaetiheys tarkoittaa pidempää ajomatkaa. Latausnopeus: Latausnopeus on myös keskeinen indikaattori nykyisille tehoakkuille. Suurimmat akkutehdas ovat suunnittelemassa latausnopeuksia 4C–6C tai jopa korkeampia vähentääkseen käyttäjän odotusaikaa. Turvallisuus ja yhdenmukaisuus: Tehoajoneuvojen akkupakkaus koostuu suuresta määrästä sarjaan ja rinnankytkettyjä akkuja. Ihanteellisesti tehon akun toimintahäiriön todennäköisyys (turvallisuus, säilytys, sykliselämä jne.) tulisi olla alle yksi sataa miljoonaa kohti. Jos tämä todennäköisyys pysyy jatkuvasti alhaisena, akku on käytössä altis ylilatautumiselle ja ylipurkautumiselle, mikä voi johtaa turvallisuusriskiin.

2. Positiivisen elektrodin tyyppi:

Tällä hetkellä markkinoiden pääasialliset akkutyypit ovat kolminaislitiakku, LiFePO4-akku ja LiMn2O4-akku. Kokonaisvaltaisen akkuyhteensopivuuden osalta kolminaislitiakut ja LiFePO4-akut hall dadovat markkinoita. Tietysti toinen huomionarvoinen katodimateriaali tehokentän alalla on NCA (nikkeli-koboltti-alumiini) (8:1,5:0,5), jolla on korkea yksikköenergian tiheys, mutta myös erittäin korkea kynnysarvo.

Ii. Kuluttaja-akut

Kuluttajaparistot ovat toinen tärkeä sovellusala litiumioniakkujen käytölle. Kuluttajien litiumioniakut käytetään pääasiassa kuluttajaelektroniikkatuotteissa, kuten matkapuhelimissa, kannettavissa tietokoneissa, digikameroissa, digivideokameroissa, virtapankissa ja sähköisissä leluissa – niin sanotuissa "3C-tuotteissa" – litiumakkusoluina ja -malleina. Ne luokitellaan pääasiassa lieriö-, prisma- ja pussimuotoisiin akkuihin. Lieriömäisillä litiumakkujen halkaisija on suurempi, mikä rajoittaa kuluttajaelektroniikkatuotteiden ohuutta; prismamaisilla litiumakkujen ulkonäön muotoilu on suhteellisen kiinteä, eikä niitä ole helppo tehdä ohuiksi. Näin ollen kumpikaan näistä litiumakkutyypeistä ei täytä kaikkia vaatimuksia, joita jotkin kuluttajaelektroniikkatuotteet asettavat ohuille, kevyille ja eri kokoisille akkuille. Polymeeripussimuotoiset litiumakkut käyttävät alumiinimuovikalvoa kotelona, jolloin ne ovat kevyitä, turvallisia ja tarjoavat joustavampia suunnitteluvaihtoehtoja sekä korkeampaa energiatiheyttä, mikä tekee niistä sopivammat kuluttajaelektroniikkatuotteiden vaatimusten mukaisiksi ohuille, kevyille, eri kokoisille ja turvallisille akkuille. Siksi polymeeripussimuotoiset litiumakkut ovat tällä hetkellä yleisimmin käytetty kuluttajien litiumakkutyypit. Kuluttajaparistoala on kypsä, ja kokonaiskysyntä on suhteellisen vakio.

1. Säännöt Tuotteen ominaisuudet:

Kuluttajien litium-ion-akkuja käytetään suhteellisen lievissä olosuhteissa, eikä niiltä vaadita pitkäaikaista luotettavuutta. Ne käytetään yleensä yksinään, eikä niitä tarvitse yhdistää muihin akkuihin, joten yhdenmukaisuusvaatimukset eivät ole erityisen tiukat. Kuitenkin koska tila on rajallista ja arvokasta kuluttajatuotteissa, kuten älypuhelimissa ja tableteissa, kuluttajien litium-ion-akkuja koskee tiukat vaatimukset koolle, kapasiteetille ja energiatiheydelle. Huippuluokan kuluttaja-akut käyttävät edistyneimpiä teknologioita ja materiaaleja, kun taas tehoakut vaativat kehittyneempää prosessi- ja yhdenmukaisuusohjausta sekä laadunhallintaa. Kuluttajatuotteiden sykliselkäisyyttä koskevat vaatimukset eivät ole yhtä suuret kuin tehoakkuja ja energiavarastointia koskevat. Esimerkiksi 2–3 vuoden käytön jälkeen havaitsemme, että puhelimen akun kapasiteetti on laskenut 80 prosenttiin, pääasiassa siksi, että useimmat puhelimet ladataan kerran tai kahdesti päivässä. Tämä tarkoittaa, että puhelimen kapasiteetti laskee alle 80 prosenttiin alle kolmessa vuodessa, jolloin akku tai puhelin on vaihdettava.

2. Positiivisen elektrodin tyyppi:

Litiumkobolttiodidi (LCO) hallitsee yhä kuluttajaparistomarkkinoita. Vaikka ternäärinen NCM (Non-Lithium Cobalt Oxide) tarjoaa korkean ominaiskapasiteetin, se ei helposti korvaa LCO:ta korkeissa jännitteissä tapahtuvan kaasun tuotannon vuoksi. Vaikka LCO-katodimateriaaleilla on haittapuolenaan korkea hinta (kalliin kobolttimateriaalin vuoksi), heikko syklisuojaus ja huono turvallisuus, niiden korkea tiivistystiheys ja korkea käyttöjännite antavat edelleen etulyöntiaseman erittäin ohuissa elektronisissa laitteissa. Kysyntä pysyy vakaana keski- ja yläsegmentin älypuhelimissa, kannettavissa tietokoneissa ja tableteissa. Lisäksi 5G-puhelinten paristokapasiteetin kasvu sekä uusien kuluttajaelektroniikkatuotteiden, kuten dronien, TWS-kuulokkeiden ja sähkösavukkeiden, nousu lisäävät LCO-katodimateriaalien marktikysyntää. LCO:lla on korkein tiivistystiheys, mikä johtaa korkeimpaan tilavuusenergiatiheyteen kuluttajaelektroniikan rajoitetussa tilavuudessa. Erinomainen tiivistystiheys, tilavuusenergiatiheys, syklisuojaus ja korkean/matalan lämpötilan suorituskyky yhdessä LCO:n energiatiheyden lisäämismahdollisuuden kanssa nostamalla latauksen katkaisujännitettä tekevät korkeajännitteisistä, korkeatiivistyksisistä LCO-materiaaleista tulevaisuuden suunnan.

III. Energianvarastointiakut

Energianvarastointiakut tarkoittavat akkuja, jotka varastoidaan sähköenergiaa muuntamalla se kemialliseksi energiaksi. Tällä hetkellä energianvarastointiakkujen markkinoilla on kaksi suurta sovellusaluetta: teho- ja kotitalousenergian varastointi. Tehon varastointiakut ovat olennaisesti sähköenergian varastointiteknologiaa. Sovelluskohteita ovat esimerkiksi vesivoimavarastointi, akkuvirrankäyttö, mekaaninen varastointi ja paineilman varastointi, joita voidaan käyttää eri teollisuuden aloilla. Kotitalousenergian varastointiakut on yleensä suunniteltu ulkokäyttöön; esimerkiksi kotivirrankatkosten tai leirintämatkojen aikana tarvitaan suuritehoista, pitkäkestoisia energianvarastointiakkua arvaamattomia tarpeita varten.

1. Säännöt Tuotteen ominaisuudet:

Energianvarastointiin käytettävillä litiumakkuilla on korkeammat vaatimukset kestoon. Uusiutuvan energian ajoneuvojen käyttöikä on yleensä 5–8 vuotta, kun taas energianvarastointihankkeissa pyritään yleensä yli 10 vuoden käyttöikään. Tehoakkujen kierrosmäärä on 1000–2000 kierrosta, kun taas energianvarastointiin tarkoitettujen litiumakkujen kierrosmäärän tulisi yleensä olla yli 5000 kierrosta. Tämä johtuu siitä, että energianvarastointiakut eivät aseta etusijalle tilavuusenergiatiheyttä tai massaenergiatiheyttä, vaan painottavat turvallisuutta ja kustannustehokkuutta. Materiaalien sisäisten ominaisuuksien kannalta litium-rauta-fosfaatti (LFP) on parempi kuin kolminkertainen litiumakku lämpötilavakaudessa ja materiaalikustannuksissa, ja sen kierrosmäärä on jo saavuttanut lähes 10 000 kierrosta, minkä vuoksi sitä käytetään yleisemmin maailmanlaajuisella energianvarastointimarkkinalla.

2. Positiivisen elektrodin tyyppi:

On olemassa joitakin eroja teholithiumakkujen ja energianvarastointilithiumakkujen välillä, mutta solujen itse asiassa kummallakin voidaan näennäisesti käyttää litiumrauta-fosfaattiakkuja (LFP) ja kolmiosaisia litiumakkuja. Kuitenkin energianvarastointisovelluksissa LFP-akkuja käytetään lähes yksinomaan. Tämä johtuu pääasiassa energianvarastointiasemien useista turvallisuusonnettomuuksista. Energianvarastointiin tarkoitetuille litiumakuille ei vaadita korkeaa energiatiheyttä, mutta niiden on oltava turvallisia, koska elektrokemiallisissa energianvarastojärjestelmissä on satoja–tuhansia akkuja. Jos tulipalo syttyy ja leviää, tilanne muuttuu erittäin vaikeaksi hallita. 29. kesäkuuta 2022 Kansallinen energiahallinto antoi lausuntapyynnön aiheesta "Kaksikymmentäviisi avaintekijää sähköntuotannon onnettomuuksien ehkäisemiseksi", jossa määrättiin, että suurten elektrokemiallisten energianvarastojen ei tulisi käyttää kolmiosaisia litiumakkuja tai natrium-rikkipareja eikä kierrätettyjä tehoakkuja. Siksi energianvarastointiakut ovat käytännössä kaikki LFP:stä valmistettuja.

yhteenveto:

Kuluttajaparistomarkkina on pitkälti vakautunut, ja paristojen tutkimus- ja kehitystyö keskittyy pääasiassa korkeampaan tilavuuteen perustuvaan energiatiheyteen ja suurempaan kapasiteettiin. Johtavien traktoriparistojen markkiosuudet ovat pääosin vakiintuneet, vaikka pieni osa markkinoista on edelleen uudelleenrakentumisvaiheessa. Tällä hetkellä traktoriparistojen keskeiset painopisteet ovat ajomatkan pidentäminen ja latausnopeuden kasvattaminen. Energia-akustoissa ei ole myöskään ollut merkittäviä uusia kehitysaskelia, vaan pyrkimyksenä on pääasiassa saavuttaa erittäin suuria kapasiteetteja, 280 Ah:sta 314 Ah:iin ja nyt CATL:n ja Haichenin 587 Ah:iin tai Sungrown 684 Ah:iin.