Teljes útmutató a lítium-ion akkumulátorokhoz: teljesítmény, fogyasztói és energiatárolási alkalmazások

A lítium-ion akkumulátorokat lehetséges az alkalmazásaik alapján három csoportra osztani: kis fogyasztói lítiumakkuk (3C), teljesítmény-lítium-ion akkumulátorok és nagy energiatároló akkumulátorok.

I. Teljesítményakku

A teljesítményakku olyan akkumulátor, amely energiaforrásként szolgál meghajtott eszközök számára, és jelenleg gyorsan növekvő alkalmazási területet jelent a lítiumion-akkumulátorok esetében. Ezeket széles körben használják új energiájú járművekben, elektromos kéziszerszámokban, elektromos kerékpárokban és egyebekben. A teljesítményakku az energiatároló akkumulátorok egyik fajtája, elsősorban elektromos járművekben alkalmazzák. A járművek méret- és súlykorlátai, valamint a gyorsítási igények miatt a teljesítményakku-k szigorúbb teljesítménykövetelményekkel rendelkeznek, mint az átlagos energiatároló akkumulátorok. Ezek a követelmények magasabb energiasűrűséget, gyorsabb töltési sebességet és nagyobb kisütési áramokat foglalnak el, míg az átlagos energiatároló akkumulátoroknál ilyen szigorú előírások nem állnak fenn.

1. Termék jellemzők:

Teljesítménytípusú lítium-ion akkumulátorok esetén több szempontot is figyelembe kell venni a töltési sebességgel, az autó hatótávjával, a megbízhatósággal és az egységességgel kapcsolatban, figyelembe véve a hosszú távú követelményeket (legalább 5–10 év). Energiasűrűség: Az akkumulátorcsomag körülbelül a jármű tömegének 25%-át teszi ki, és az akkumulátor tömegében bekövetkező változások közvetlenül befolyásolják a jármű energiafogyasztását. Ugyanannyi töltés esetén egy nagyobb energiasűrűségű akkumulátorcsomag hosszabb hatótávot eredményez. Töltési sebesség: A töltési sebesség jelenleg szintén fontos mutató a teljesítmény-akkumulátoroknál. A vezető akkumulárt gyártók jelenleg 4C és 6C, vagy még magasabb töltési ráták kialakításán dolgoznak, hogy csökkentsék a felhasználók várakozási idejét. Biztonság és egységesség: A villamos járművek akkumulátorcsomagjai nagyszámú soros és párhuzamos kapcsolásban lévő akkumulátort használnak. Elméletileg egy teljesítmény-akkumulátor meghibásodásának valószínűsége (biztonság, tárolás, ciklusélettartam stb.) kevesebb, mint százmillióból egy lehet. Ha ez a valószínűség folyamatosan alacsony marad, az akkumulátor túltöltődésre és túlmerítésre hajlamos lehet használat közben, ami biztonsági problémákat okozhat.

2. Pozitív elektród típus:

Jelenleg a piacon elérhető főbb teljesítmény-akkumulátor típusok közé tartoznak a háromkomponensű lítium-akkuk, a LiFePO4 akkumulátorok és a LiMn2O4 akkumulátorok. A teljesítmény-akkumulátorok összességében tekintve a piacot jelenleg a háromkomponensű lítium- és a LiFePO4 akkumulátorok uralják. Természetesen megemlítendő egy másik katódaanyag is a teljesítmény-akkumulátorok területén: az NCA (nikkel-kobalt-alumínium) (8:1,5:0,5), amely magas egysejtes energia-sűrűséggel rendelkezik, ugyanakkor nagyon magas belépési korlátokkal is bír.

II. Fogyasztói akkumulátorok

A fogyasztói akkumulátorok egy másik fontos alkalmazási területe a lítium-ion akkumulátoroknak. A fogyasztói lítium-ion akkumulátorokat elsősorban olyan fogyasztási cikkekben használják, mint mobiltelefonok, laptopok, digitális fényképezőgépek, digitális videokamerák, hordozható töltők és elektromos játékok – az úgynevezett „3C termékek” – lítium-akkumulátorcellák és -modulok formájában. Ezeket főként hengeres, prizmatikus és zacskós (pouch) akkumulátorokra osztják. A hengeres lítium-akkumulátorok nagyobb átmérőjűek, ami korlátozza a végfelhasználói elektronikai termékek vékonyabbá tételét; a prizmatikus lítium-akkumulátoroknak viszonylag merev megjelenésük van, és nehéz őket vékonyra készíteni. Ezért e két típus sem felel meg teljesen azoknak a fogyasztói elektronikai termékeknek a követelményeinek, amelyek vékony, könnyű és változó méretű akkumulátorokat igényelnek. A polimer zacskós lítium-akkumulátorok alumínium-műanyag fóliát használnak ház anyagaként, így könnyűek, biztonságosak, rugalmasabb tervezési lehetőségeket kínálnak, valamint magasabb energiasűrűséggel rendelkeznek, ezáltal jobban megfelelnek a fogyasztói elektronikai termékek vékony, könnyű, változó méretű és biztonságos akkumulátorok iránti igényeinek. Ezért a polimer zacskós lítium-akkumulátorok jelenleg a leggyakrabban használt fogyasztói lítium-akkumulátor-típusok. A fogyasztói akkumulátor-ipar éretté vált, és az összesített kereslet viszonylag stabil.

1. Termék jellemzők:

A fogyasztói lítium-ion akkumulátorok viszonylag enyhébb üzemeltetési körülmények között működnek, és nem igényelnek hosszú távú megbízhatóságot. Általában önállóan használják őket, nem kell más akkumulátorokkal párosítani, így az egységességre vonatkozó követelmények sem különösen magasak. Ugyanakkor a fogyasztói termékek, például mobiltelefonok és táblagépek korlátozott helyigénye és értékessége miatt a fogyasztói lítium-ion akkumulátoroknál szigorú előírások vonatkoznak a méretre, kapacitásra és az energia-sűrűségre. A prémium fogyasztói akkumulátorok a legfejlettebb technológiákat és anyagokat használják, míg az indítóakkumulátorok esetében fejlettebb folyamatirányításra, konzisztencia-ellenőrzésre és minőségirányításra van szükség. A ciklusélettartamra vonatkozó követelmények a fogyasztói termékeknél nem olyan magasak, mint az indító- és energiatároló akkumulátoroknál. Például 2–3 év használat után azt tapasztaljuk, hogy egy mobiltelefon akkumulátorának kapacitása 80%-ra csökkent, elsősorban azért, mert a legtöbb mobiltermék naponta egyszer vagy kétszer töltődik. Ez azt jelenti, hogy a telefon kapacitása kevesebb, mint 3 év alatt 80% alá csökken, ekkor pedig az akkumulátort vagy a telefont ki kell cserélni.

2. Pozitív elektród típus:

A lítium-kobalt-oxid (LCO) továbbra is domináns a fogyasztói akkumulátorpiacon. Bár a háromkomponensű NCM (nem lítium-kobalt-oxid) magas fajlagos kapacitást kínál, azonban nem könnyen váltja ki az LCO-t, mivel magas feszültségek mellett gázképződést mutat. Habár az LCO katódanyagoknak hátrányai vannak, mint például a magas költség (a drága kobalt miatt), gyenge ciklusállóság és rossz biztonság, a jó tömöríthetőségük (tap density) és magas működési feszültségük miatt még mindig előnyt élveznek az ultravékony elektronikai termékek terén. Az igény stabilitást mutat a közép- és felsőkategóriás okostelefonokban, laptopokban és táblagépekben. Továbbá a 5G-s telefonok növekedett akkumulátor-kapacitása, valamint új fogyasztási elektronikai termékek megjelenése, mint például drónok, TWS fülhallgatók és e-cigaretták, mind hajtják az LCO katódanyagok iránti piaci igényt. Az LCO rendelkezik a legmagasabb tömöríthetőséggel, amely az elektronikai eszközök korlátozott térfogatán belül a legmagasabb térfogati energiasűrűséget eredményezi. Kiváló tömöríthetőség, térfogati energiasűrűség, ciklusállóság és magas/alacsony hőmérsékleten való teljesítmény, valamint az LCO energia-sűrűségének további növelésének lehetősége a töltési vágási potenciál emelésével, mindez magas feszültségű, nagy tömöríthetőségű LCO anyagokat jelöl ki a jövő irányának.

III. Energia tároló akkumulátorok

Az energia tároló akkumulátorok olyan akkumulátorokat jelentenek, amelyek elektromos energiát tárolnak, és azt kémiai energiává alakítják át. Jelenleg az energia tároló akkumulátorok piaca elsősorban két fő alkalmazási területre oszlik: villamosenergia-tárolás és lakossági energia tárolás. A villamosenergia-tároló akkumulátorok lényegében villamosenergia-tárolási technológiák, melyek az elektromos energia tárolására szolgálnak. Az alkalmazási területek közé tartozik a szivattyús tározós erőmű, az akkumulátoros tárolás, a mechanikus tárolás és a sűrített levegős tárolás, amelyeket különböző ipari területeken lehet alkalmazni. A lakossági energia tároló akkumulátorok általában kültéri használatra készülnek; például áramkimaradás esetén otthon vagy túrázás közben egy nagy kapacitású, hosszú ideig működő energia tároló akkumulátorra van szükség a váratlan igények fedezésére.

1. Termék jellemzők:

Az energiatároló lítium-akkumulátorok élettartamára vonatkozó követelmények szigorúbbak. Az új energiájú járművek élettartama általában 5–8 év, míg az energiatároló projektek esetében az élettartam célja általában több mint 10 év. A teljesítmény-lítium akkumulátorok ciklusélettartama 1000–2000 ciklus, míg az energiatároló lítium-akkumulátoroknál általában 5000 ciklusnál nagyobb ciklusélettartamot követelnek meg. Ennek az az oka, hogy az energiatároló akkumulátoroknál nem elsődleges szempont a térfogati és tömegenergia-sűrűség, hanem a biztonság és a költséghatékonyság. Az anyagok belső tulajdonságai szempontjából a lítium-vas-foszfát jobb hőállósággal és kedvezőbb anyagköltséggel rendelkezik, mint a háromkomponensű lítium-akkumulátorok, ciklusélettartama pedig már majdnem 10 000 ciklusra tehető, ezért alkalmazása a globális energiatároló piacon egyre szélesebb körű.

2. Pozitív elektród típus:

Vannak különbségek a teljesítmény-lítium akkumulátorok és az energiatároló lítium akkumulátorok között, de magukat a cellákat tekintve mintha mindkettőhöz használható lenne lítium-vas-foszfát (LFP) akkumulátor és háromkomponensű lítium akkumulátor is. Az energiatárolási alkalmazásokban azonban szinte kizárólag LFP akkumulátorokat használnak. Ez főként annak köszönhető, hogy az energiatároló erőművekben gyakran történnek biztonsági balesetek. Az energiatárolásra szánt speciális lítium akkumulátoroknál nem szükséges a magas energia-sűrűség, de fontos a magas biztonság, mivel az elektrokémiai energiatároló rendszerek több száz, akár tízezer akkumulátort is tartalmazhatnak. Ha egyszer tűz keletkezik és terjedni kezd, a helyzet rendkívül nehezen kezelhetővé válik. 2022. június 29-én a Nemzeti Energiaügynökség kiadott egy javaslatot a „Huszonnégy főbb követelmény az áramtermelési balesetek megelőzésére” című dokumentumban, amely előírja, hogy nagy léptékű elektrokémiai energiatároló erőművekben nem szabad háromkomponensű lítium akkumulátorokat vagy nátrium-kén akkumulátorokat használni, valamint nem szabad újrafelhasznált teljesítmény-akkumulátorokat alkalmazni. Ezért az energiatároló akkumulátorok alapvetően kizárólag LFP-ből készülnek.

összegzés:

A fogyasztói akkumulátormarket nagyrészt stabilizálódott, az akkumulátorok fejlesztése jelenleg elsősorban a nagyobb térfogati energiasűrűség és kapacitás elérésére irányul. A vezető meghajtási akkumulátorok piaci részesedése gyakorlatilag kialakult, csupán csekély részük újrastrukturálódik. Jelenleg a meghajtási akkumulátorok fejlesztésének fő hangsúlya a hajtástartomány növelésén és a töltési sebesség javításán van. Az energia-tároló akkumulátorok területén sem történt jelentős új fejlemény, a fő cél továbbra is extrém nagy kapacitások elérése: 280Ah-ról 314Ah-ra, majd jelenleg CATL és Haichen 587Ah-ja, illetve Sungrow 684Ah-os terméke felé haladunk.