Een compleet overzicht van lithium-ionbatterijen: toepassingen in voeding, consumentenelektronica en energieopslag

Lithium-ionbatterijen kunnen worden onderverdeeld in kleine consumentenlithiumbatterijen (3C), power lithium-ionbatterijen en grote batterijen voor energieopslag, afhankelijk van hun toepassingen.

I. Power Battery

Powerbatterijen zijn batterijen die vermogen leveren aan aangedreven apparaten en vormen momenteel een snel groeiend toepassingsgebied voor lithium-ionbatterijen. Ze worden veel gebruikt in voertuigen op nieuwe energie, elektrisch gereedschap, elektrische fietsen en meer. Powerbatterijen zijn ook een type opslagbatterij, voornamelijk ingezet in elektrische voertuigen. Vanwege de beperkingen qua afmeting en gewicht van auto's, alsook de eisen aan acceleratie, hebben powerbatterijen hogere prestatie-eisen dan gewone opslagbatterijen. Deze eisen omvatten een hogere energiedichtheid, snellere oplaadsnelheden en grotere ontladingsstromen, terwijl gewone opslagbatterijen niet aan dergelijke strenge eisen hoeven te voldoen.

1. kenmerken van het product:

Voor vermogenstype lithium-ionbatterijen zijn meer overwegingen nodig met betrekking tot laadsnelheid, actieradius, betrouwbaarheid en consistentie, gezien de langetermijnvereisten (minstens 5-10 jaar). Energie-dichtheid: De batterijpack vormt ongeveer 25% van het gewicht van een auto, en veranderingen in het gewicht van de batterij beïnvloeden direct het energieverbruik van het voertuig. Voor dezelfde hoeveelheid lading leidt een batterijpack met een hogere energiedichtheid tot een grotere actieradius. Laadsnelheid: Laadsnelheid is ook een cruciale indicator voor huidige vermogensbatterijen. Grote batterijfabrikanten ontwerpen momenteel laadstanden tussen 4C en 6C, of zelfs hoger, om de wachttijd voor gebruikers te verkorten. Veiligheid en consistentie: Vermogensvoertuigbatterijpacks gebruiken een groot aantal in serie en parallel geschakelde batterijen. In het ideale geval zou de kans op een defect aan een vermogensbatterij (veiligheid, opslag, cyclustijd, enz.) minder dan één op honderd miljoen moeten zijn. Als deze kans continu laag blijft, is de batterij gevoelig voor overladen en ontladen tijdens gebruik, wat mogelijk veiligheidsproblemen kan veroorzaken.

2. Type positieve elektrode:

Momenteel zijn de belangrijkste soorten stroombatterijen op de markt drievoudige lithiumbatterijen, LiFePO4-batterijen en LiMn2O4-batterijen. Wat betreft algemene compatibiliteit van stroombatterijen, domineren drievoudige lithiumbatterijen en LiFePO4-batterijen de markt. Natuurlijk is er een ander kathodemateriaal dat in het gebied van stroombatterijen de aandacht waard is: NCA (nikkel-kobalt-aluminium) (8:1,5:0,5), dat een hoge energiedichtheid per cel biedt, maar ook een zeer hoge instapbarrière heeft.

Ii. Consumentenbatterijen

Consumentenbatterijen zijn een ander belangrijk toepassingsgebied voor lithium-ionbatterijen. Consumentenlithium-ionbatterijen worden voornamelijk gebruikt in consumentenelektronica zoals mobiele telefoons, laptops, digitale camera's, digitale camcorders, powerbanks en elektrische speelgoed—de zogenaamde "3C-producten"—voor lithiumbatterijcellen en -modules. Ze worden voornamelijk ingedeeld in cilindrische, prismatische en zakbatterijen. Cilindrische lithiumbatterijen hebben een grotere diameter, waardoor de dikte van eindconsumentenelektronica beperkt wordt; prismatische lithiumbatterijen hebben een relatief vaste uiterlijke vorm en zijn moeilijk dun te maken. Daarom kunnen deze twee soorten lithiumbatterijen de eisen van sommige consumentenelektronica met betrekking tot dunne, lichtgewicht en variabel van formaat zijn, niet volledig voldoen. Polymeer zaklithiumbatterijen gebruiken een aluminium-plastic folie als behuizing, waardoor ze licht van gewicht, veilig zijn en meer flexibele ontwerpmogelijkheden bieden en een hogere energiedichtheid hebben, waardoor ze beter aansluiten bij de eisen van consumentenelektronica voor dunne, lichtgewicht, variabel van formaat en veilige batterijen. Daarom zijn polymeer zaklithiumbatterijen momenteel het meest gebruikte type consumentenlithiumbatterij. De consumentenbatterijindustrie is gerijpt en de totale vraag is relatief stabiel.

1. kenmerken van het product:

Consumentenlithium-ionbatterijen hebben relatief minder strenge gebruiksomstandigheden en vereisen geen langdurige betrouwbaarheid. Ze worden meestal afzonderlijk gebruikt en hoeven niet gekoppeld te worden aan andere batterijen, waardoor de eisen aan consistentie niet erg hoog zijn. Vanwege de beperkte ruimte en het belang van consumentenproducten zoals mobiele telefoons en tablets, hebben consumentenlithium-ionbatterijen echter strikte eisen met betrekking tot afmeting, capaciteit en energiedichtheid. Hoogwaardige consumentenbatterijen maken gebruik van de meest geavanceerde technologieën en materialen, terwijl stroombatterijen meer geavanceerde procesbeheersing, consistentiebeheersing en kwaliteitsbeheersing vereisen. De eisen aan levensduur in cycli voor consumententoepassingen zijn niet zo groot als voor stroombatterijen en opslag van energie. Bijvoorbeeld: na 2 à 3 jaar gebruik merken we dat de batterijcapaciteit van een mobiele telefoon is gedaald tot 80%, voornamelijk omdat de meeste mobiele telefoons één of twee keer per dag worden opgeladen. Dit betekent dat de capaciteit van de telefoon in minder dan 3 jaar onder de 80% daalt, waarna ofwel de batterij ofwel de telefoon vervangen moet worden.

2. Type positieve elektrode:

Lithiumkobaltoxide (LCO) domineert nog steeds de consumentenbatterijmarkt. Hoewel ternair NCM (Niet-Lithium Kobaltoxide) een hoge specifieke capaciteit biedt, kan het LCO niet gemakkelijk vervangen vanwege gasvorming bij hoge spanningen. Hoewel LCO-kathodematerialen nadelen hebben, zoals hoge kosten (vanwege het dure kobalt), matige cyclische prestaties en beperkte veiligheid, geven hun hoge tapdichtheid en hoge bedrijfsspanning hen nog steeds een voordeel in uiterst dunne elektronische producten. De vraag blijft stabiel in midden- tot hoogwaardige smartphones, laptops en tablets. Bovendien zorgen de grotere batterijcapaciteit van 5G-telefoons en het opkomen van nieuwe consumentenelektronica zoals drones, TWS-oortelefoons en e-sigaretten voor een stijgende marktvraag naar LCO-kathodematerialen. LCO heeft de hoogste tapdichtheid, wat resulteert in de hoogste volumetrische energiedichtheid binnen het beperkte volume van consumentenelektronica. Uitstekende tapdichtheid, volumetrische energiedichtheid, cyclische prestaties en prestaties bij hoge/lage temperaturen, gecombineerd met de mogelijkheid om de energiedichtheid van LCO verder te verhogen door de laadstopsnelheid te verhogen, maken hoogspannings- en hoogdichtheids-LCO-materialen de toekomstige richting.

III. Energieslagterijbatterijen

Energieslagterijbatterijen zijn batterijen die elektrische energie opslaan en omzetten in chemische energie. Momenteel kent de markt voor energieslagterijbatterijen twee belangrijke toepassingsgebieden: opslag van elektriciteit en huishoudelijke energieopslag. Batterijen voor elektriciteitsopslag zijn in wezen technologie voor het opslaan van elektrische energie. Toepassingsscenario's zijn onder andere pompwateropslag, batterijopslag, mechanische opslag en opslag via gecomprimeerde lucht, die kunnen worden toegepast in diverse industriële sectoren. Huishoudelijke energieslagterijbatterijen zijn over het algemeen bedoeld voor gebruik buitenshuis; bijvoorbeeld bij stroomuitval thuis of tijdens het kamperen, waar een hoge capaciteit en langdurige energieopslagbatterij nodig is voor onvoorziene situaties.

1. kenmerken van het product:

Lithiumbatterijen voor energieopslag hebben hogere eisen ten aanzien van levensduur. De levensduur van voertuigen op nieuwe energie bedraagt over het algemeen 5 tot 8 jaar, terwijl energieopslagprojecten doorgaans een levensduur nastreven van meer dan 10 jaar. De cycluslevensduur van stroomlithiumbatterijen bedraagt 1000-2000 cycli, terwijl lithiumbatterijen voor energieopslag over het algemeen een cycluslevensduur van meer dan 5000 cycli vereisen. Dit komt omdat energieopslagbatterijen niet als prioriteit hebben om volumetrische en gravimetrische energiedichtheid te maximaliseren, maar eerder veiligheid en kosten benadrukken. Vanuit het oogpunt van intrinsieke materiaaleigenschappen beschikt lithium-ijzerfosfaat over betere thermische stabiliteit en lagere materiaalkosten dan tertiaire lithiumbatterijen, en de cycluslevensduur ervan heeft al bijna 10.000 cycli bereikt, waardoor de toepassing ervan op de wereldwijde energieopslagmarkt steeds wijdverspreider wordt.

2. Type positieve elektrode:

Er zijn enkele verschillen tussen lithiumbatterijen voor aandrijving en lithiumbatterijen voor energieopslag, maar vanuit het oogpunt van de cel zelf kunnen beide ogenschijnlijk gebruikmaken van lithium-ijzerfosfaat (LFP)-batterijen en drievoudige lithiumbatterijen. In toepassingen voor energieopslag worden echter vrijwel uitsluitend LFP-batterijen gebruikt. Dit komt vooral doordat in opslagcentrales regelmatig veiligheidsincidenten optreden. Lithiumbatterijen die specifiek voor energieopslag zijn bedoeld, hebben geen hoge energiedichtheid nodig, maar moeten wel zeer veilig zijn, omdat elektrochemische systemen voor energieopslag honderden tot tienduizenden batterijen bevatten. Zodra een brand uitbreekt en zich verspreidt, wordt de situatie uiterst moeilijk te beheersen. Op 29 juni 2022 stelde de Nationale Energiebeheerautoriteit een conceptversie vast van "Vijfentwintig belangrijke eisen ter voorkoming van ongevallen bij elektriciteitsproductie", waarin werd bepaald dat grootschalige elektrochemische energieopslagcentrales geen gebruik mogen maken van drievoudige lithiumbatterijen of natrium-zwavelbatterijen, en ook geen gerecycleerde accu's voor aandrijving mogen gebruiken. Daarom zijn batterijen voor energieopslag vrijwel altijd gemaakt van LFP.

samenvatting:

De consumentenbatterijmarkt heeft zich grotendeels gestabiliseerd, waarbij het batterij-O&O voornamelijk gericht is op een hogere volumetrische energiedichtheid en grotere capaciteit. Het marktaandeel van toonaangevende stroombatterijen is grotendeels vastgesteld, met een klein deel dat nog steeds wordt herbouwd. Momenteel ligt de nadruk bij stroombatterijen vooral op het verlengen van de actieradius en het vergroten van de oplaadsnelheid. Ook bij opslagbatterijen zijn geen significante nieuwe ontwikkelingen te zien; het gaat hier voornamelijk om het nastreven van uiterst grote capaciteiten, van 280Ah naar 314Ah, en nu naar CATL en Haichen's 587Ah, of Sungrow's 684Ah.