Potpuni vodič kroz baterije litij-ionske tehnologije: primjene u pogonu, potrošačkoj elektronici i pohrani energije

Litij-ionske baterije mogu se podijeliti na male potrošačke litijeve baterije (3C), litij-ionske pogonske baterije i velike baterije za pohranu energije, ovisno o njihovim primjenama u nizvodnim procesima.

I. Pogonska baterija

Pogonske baterije su baterije koje pružaju energiju uređajima za pogon i trenutno predstavljaju brzo rastuću primjenu litij-ionskih baterija. Široko se koriste u vozilima na obnovljivu energiju, električnim alatima, električnim biciklima i drugim uređajima. Pogonske baterije su također vrsta baterije za pohranu energije, koja se uglavnom koristi u električnim vozilima. Zbog ograničenja u veličini i težini automobila, kao i zahtjeva za ubrzanjem, pogonske baterije imaju više zahtjeve za performansama u odnosu na uobičajene baterije za pohranu energije. Ti zahtjevi uključuju veću gustoću energije, brže brzine punjenja i veće izlazne struje, dok uobičajene baterije za pohranu energije nemaju toliko stroge zahtjeve.

1. za Karakteristike proizvoda:

Kod baterija za pogon temeljenih na litiju, potrebno je uzeti u obzir dodatne čimbenike poput brzine punjenja, dosega vožnje, pouzdanosti i dosljednosti, s obzirom na dugoročne zahtjeve (najmanje 5–10 godina). Gustoća energije: paket baterija čini otprilike 25% težine automobila, a promjene u težini baterije izravno utječu na potrošnju energije vozila. Za istu količinu naboja, baterijski paket veće gustoće energije omogućuje dulji domet vožnje. Brzina punjenja: brzina punjenja također je ključni pokazatelj za današnje pogonske baterije. Glavni proizvođači baterija trenutačno projektiraju brzine punjenja između 4C i 6C, ili čak više, kako bi smanjili vrijeme čekanja korisnika. Sigurnost i dosljednost: pogonski baterijski paketi u vozilima koriste velik broj baterija spojenih u seriju i paralelno. Idealno, vjerojatnost kvara pogonske baterije (sigurnost, skladištenje, vijek trajanja ciklusa itd.) trebala bi biti manja od jedne na sto milijuna. Ako ta vjerojatnost ostane stalno niska, baterija je sklonija prekomjernom punjenju i pražnjenju tijekom uporabe, što može dovesti do sigurnosnih problema.

2. Tip pozitivne elektrode:

Trenutačno glavne vrste baterija na tržištu uključuju baterije s trostrukim litijem, LiFePO4 baterije i LiMn2O4 baterije. S obzirom na ukupnu kompatibilnost baterija za pogon, baterije s trostrukim litijem i LiFePO4 baterije dominiraju na tržištu. Naravno, još jedan materijal katode koji vrijedi istaknuti u području pogonskih baterija je NCA (nikal-kobalt-aluminij) (8:1,5:0,5), koji se ističe visokom gustoćom energije po ćeliji, ali istovremeno ima i vrlo visoku ulaznu barijeru.

II. Potrošačke baterije

Potrošačke baterije su još jedna važna područja primjene litij-ionskih baterija. Potrošačke litij-ionske baterije koriste se uglavnom u proizvodima potrošačke elektronike poput mobitela, laptopova, digitalnih fotoaparata, digitalnih kamerica, power banaka i električnih igračaka – tzv. „3C proizvodima“ – za ćelije i module litij-ionskih baterija. One se uglavnom kategoriziraju na cilindrične, prizmatične i lijepljive (pouch) baterije. Cilindrične litij-ionske baterije imaju veći promjer, što ograničava debljinu konačnih proizvoda potrošačke elektronike; prizmatične litij-ionske baterije imaju relativno fiksni dizajn izgleda i teško je napraviti ih tanke. Stoga nijedan od ova dva tipa litij-ionskih baterija ne može zadovoljiti zahtjeve nekih proizvoda potrošačke elektronike za tankim, laganim i varijabilnih veličina baterijama. Polimerne lijepljive litij-ionske baterije koriste aluminijsko-plastičnu foliju kao kućište, zbog čega su lake, sigurne i nude fleksibilnije mogućnosti dizajna te veću gustoću energije, čime su prikladnije za zahtjeve proizvoda potrošačke elektronike za tankim, laganim, varijabilnih veličina i sigurnim baterijama. Stoga su polimerne lijepljive litij-ionske baterije trenutačno najčešći tip potrošačkih litij-ionskih baterija. Industrija potrošačkih baterija sazrela je, a ukupna potražnja je relativno stabilna.

1. za Karakteristike proizvoda:

Potrošačke litij-ionske baterije imaju relativno manje stroge uvjete korištenja i ne zahtijevaju dugotrajnu pouzdanost. Obično se koriste samostalno i ne trebaju se kombinirati s drugim baterijama, pa stoga nisu potrebne visoke razine dosljednosti. Međutim, zbog ograničenog prostora i važnosti potrošačkih proizvoda poput mobilnih telefona i tableta, potrošačke litij-ionske baterije imaju stroge zahtjeve u pogledu veličine, kapaciteta i gustoće energije. Vršne potrošačke baterije koriste najnaprednije tehnologije i materijale, dok baterije za pogon zahtijevaju napredniju kontrolu procesa, kontrolu dosljednosti i upravljanje kvalitetom. Zahtjevi za vijek trajanja punjenja kod potrošačkih uređaja nisu tako dugi kao kod pogonskih baterija i baterija za pohranu energije. Na primjer, nakon 2-3 godine korištenja, primijetimo da je kapacitet baterije mobitela opao na 80%, uglavnom zato što se većina mobitela puni jedan ili dva puta dnevno. To znači da će kapacitet telefona pasti ispod 80% za manje od 3 godine, a u tom trenutku treba zamijeniti bateriju ili cijeli telefon.

2. Tip pozitivne elektrode:

Litij-kobalt-oksidi (LCO) i dalje dominiraju tržištem potrošačkih baterija. Iako ternarni NCM (ne-litij-kobalt-oksidi) nudi visoku specifičnu kapacitet, ne može lako zamijeniti LCO zbog proizvodnje plina pri visokim naponima. Iako katodni materijali LCO imaju nedostatke poput visoke cijene (zbog skupog kobalta), loše cikličnosti i loše sigurnosti, njihova visoka gustoća nasipanja i visoki radni napon i dalje im daju prednost u ultra tankim elektroničkim uređajima. Potražnja ostaje stabilna na srednjem i višem segmentu pametnih telefona, laptopova i tableta. Štoviše, povećani kapacitet baterije kod 5G telefona te pojava novih potrošačkih elektroničkih uređaja kao što su dronovi, TWS slušalice i elektroničke cigarete potiču potražnju za LCO katodnim materijalima. LCO ima najveću gustoću nasipanja, čime postiže najveću volumnu energijsku gustoću unutar ograničenog volumena potrošačkih elektroničkih uređaja. Izvrsna gustoća nasipanja, volumna energijska gustoća, ciklična izvedba i izvedba pri visokim/niskim temperaturama, uz mogućnost dodatnog povećanja energijske gustoće LCO-e podizanjem napona isključivanja punjenja, čine visokonaponske i visokotlačne LCO materijale budućim smjerom razvoja.

III. Baterije za pohranu energije

Baterije za pohranu energije su baterije koje pohranjuju električnu energiju pretvarajući je u kemijsku energiju. Trenutačno na tržištu baterija za pohranu energije postoje dvije glavne područja primjene: pohrana energije za električnu energiju i pohrana energije za kućanstva. Baterije za pohranu električne energije zapravo su tehnologija za pohranu električne energije. Scenariji primjene uključuju pumpanu hidroenergiju, baterijsku pohranu, mehaničku pohranu i pohranu zraka pod tlakom, koje se mogu primijeniti u različitim industrijskim područjima. Baterije za pohranu energije za kućanstva uglavnom su namijenjene za uporabu na otvorenom; na primjer, tijekom prekida struje kod kuće ili tijekom kampiranja, potrebna je visokokapacitivna, dugotrajna baterija za pohranu energije za nepredviđene potrebe.

1. za Karakteristike proizvoda:

Litij-ionske baterije za pohranu energije imaju veće zahtjeve u pogledu vijeka trajanja. Vrijeme trajanja vozila s novom energijom općenito je 5-8 godina, dok projekti pohrane energije obično ciljaju na vijek trajanja veći od 10 godina. Broj ciklusa punjenja i pražnjenja kod potencijalnih litij-ionskih baterija iznosi 1000-2000 ciklusa, dok litij-ionske baterije za pohranu energije općenito zahtijevaju više od 5000 ciklusa. Razlog tome je što baterije za pohranu energije ne stavljaju na prvo mjesto zapreminsku gustoću energije niti gustoću energije po masi, već više naglašavaju sigurnost i troškove. S obzirom na unutarnja svojstva materijala, litij-fosfat (LiFePO4) ima bolju termičku stabilnost i povoljniji omjer cijene i performansi u odnosu na ternarne litij-baterije, a njegov broj ciklusa već se približava 10.000, zbog čega se sve više široko koristi na globalnom tržištu za pohranu energije.

2. Tip pozitivne elektrode:

Postoje određene razlike između baterija za pogon na temelju litija i baterija za pohranu energije na temelju litija, ali s obzirom na samu ćeliju, obje naizgled mogu koristiti baterije litij-željezo-fosfat (LFP) te ternarne litij-baterije. Međutim, u primjenama za pohranu energije gotovo isključivo se koriste LFP baterije. To je uglavnom posljedica čestih sigurnosnih incidenata u postrojenjima za pohranu energije. Litij-baterije namijenjene isključivo pohrani energije ne zahtijevaju visoku gustoću energije, već visoku razinu sigurnosti, jer elektrokemijski sustavi za pohranu energije sadrže stotine do desetaka tisuća baterija. Jednom kad dođe do požara i njegova širenja, situacija postaje iznimno teška za kontrolu. Dana 29. lipnja 2022. godine Administracija za energiju Kine objavila je nacrt mišljenja o "Dvadeset i pet ključnih zahtjeva za sprječavanje nesreća u proizvodnji električne energije", kojim se propisuje da se u velikim elektrokemijskim postrojenjima za pohranu energije ne smiju koristiti ternarne litij-baterije ili natrij-sumpor baterije, te da se ne smiju upotrebljavati reciklirane baterije za pogon. Stoga su baterije za pohranu energije u osnovi sve izrađene od LFP-a.

sažetak:

Tržište potrošačkih baterija u velikoj je mjeri stabilizirano, a istraživanje i razvoj baterija uglavnom se fokusiraju na postizanje veće energetske gustoće po jedinici volumena i većeg kapaciteta. Udio na tržištu vodećih baterija za pogon uvelike je utvrđen, dok se još uvijek obnavlja manji dio. Trenutačno je glavni fokus kod baterija za pogon produljenje dosega vožnje i povećanje brzine punjenja. Na tržištu baterija za pohranu energije također nije bilo značajnih novih razvoja, te se uglavnom nastavlja s proizvodnjom iznimno velikih kapaciteta, od 280Ah do 314Ah, a sada i do 587Ah od CATL-a i Haichena, odnosno do 684Ah od Sungrowa.