En komplett guide til litium-ion-batterier: kraft, forbruker- og energilagringsapplikasjoner

Litium-ion-batterier kan deles inn i små forbrukerbatterier (3C), kraftige litium-ion-batterier og store energilagringsbatterier, basert på deres bruksområder.

I. Kraftbatteri

Kraftbatterier er batterier som leverer strøm til kraftdrevne enheter, og representerer for tiden et raskt voksende anvendelsesområde for lithiumionbatterier. De brukes mye i nye energiforsyningsskjørt, kraftverktøy, el-sykler og mer. Kraftbatterier er også en type energilagringsbatteri, hovedsakelig brukt i elektriske kjøretøy. På grunn av størrelse og vektsbegrensninger i biler, samt krav til akselerasjon, har kraftbatterier høyere ytelseskrav enn vanlige energilagringsbatterier. Disse kravene inkluderer høyere energitetthet, raskere lading og større utladningsstrømmer, mens vanlige energilagringsbatterier ikke har så strenge krav.

1. ei røyrsle Produktfunksjon:

For kraftbatterier av litium-ion-typen er det behov for flere vurderinger når det gjelder ladehastighet, rekkevidde, pålitelighet og konsistens, gitt de langsiktige kravene (minst 5–10 år). Energitetthet: Batteripakken utgjør omtrent 25 % av en bils vekt, og endringer i batterivekt påvirker direkte bilens energiforbruk. For samme lademengde gir en batteripakke med høyere energitetthet en lengre rekkevidde. Ladehastighet: Ladehastighet er også en viktig indikator for dagens kraftbatterier. Store batteriprodusenter designer for tiden laderater mellom 4C og 6C, eller til og med høyere, for å redusere brukerens ventetid. Sikkerhet og konsistens: Batteripakker for elektriske kjøretøy bruker et stort antall batterier koblet i serie og parallelt. Ideelt sett bør sannsynligheten for at et kraftbatteri svikter (sikkerhet, lagring, syklussliv etc.) være mindre enn én av hundre millioner. Hvis denne sannsynligheten forblir konsekvent lav, er batteriet imidlertid utsatt for overopplading og full utladning under bruk, noe som kan føre til sikkerhetsproblemer.

2. Type av positiv elektrode:

For tiden inkluderer hovedtypene av kraftbatterier på markedet ternærbatterier med litium, LiFePO4-batterier og LiMn2O4-batterier. Når det gjelder helhetlig kompatibilitet for kraftbatterier, dominerer ternærbatterier med litium og LiFePO4-batterier markedet. Selvfølgelig er et annet katodemateriale som bør merkes i kraftbatteriområdet NCA (nikkel-kobolt-aluminium) (8:1,5:0,5), som har høy energitetthet per celle, men også en svært høy inntrengningsbarriere.

II. Forbrukerbatterier

Forbrukerbatterier er et annet viktig anvendelsesområde for litium-ionbatterier. Forbruker-litium-ionbatterier brukes hovedsakelig i elektronikkprodukter som mobiltelefoner, bærbare datamaskiner, digitalkameraer, digitale videokameraer, strømbanker og elektriske leker – såkalte "3C-produkter" – for litiumbattericeller og -moduler. De kategoriseres hovedsakelig i sylindriske, prismeformede og lommetyper. Sylindriske litiumbatterier har en større diameter, noe som begrenser tykkelsen på sluttkundens elektronikkprodukter; prismeformede litiumbatterier har et relativt fast utseende og er vanskelige å gjøre tynne. Derfor kan verken disse to typene litiumbatterier oppfylle kravene fra noen elektronikkprodukter når det gjelder tynne, lette og varierende størrelser på batterier. Polymere lommetyper av litiumbatterier bruker en aluminiums-plastfolie som kappe, noe som gjør dem lette, trygge og gir mer fleksible designmuligheter og høyere energitetthet, noe som gjør dem mer egnet for kravene fra elektronikkprodukter til tynne, lette, varierende størrelser og trygge batterier. Derfor er polymer-lommetyper av litiumbatterier for tiden den mest brukte typen forbruker-litiumbatteri. Forbrukerbatteriindustrien har modnet, og den samlede etterspørselen er relativt stabil.

1. ei røyrsle Produktfunksjon:

Forbrukerlithiumionbatterier har relativt mindre strenge bruksbetingelser og krever ikke langtidsholdbarhet. De brukes vanligvis alene og trenger ikke kobles sammen med andre batterier, så kravene til konsistens er ikke særlig høye. Men på grunn av det begrensede plassen og verdien av forbrukervarer som mobiltelefoner og nettbrett, har forbrukerlithiumionbatterier strenge krav til størrelse, kapasitet og energitetthet. High-end forbrukerbatterier bruker de mest avanserte teknologiene og materialene, mens kraftbatterier krever mer avansert prosesskontroll, konsistenskontroll og kvalitetsstyring. Kravene til sykluslevetid for forbrukervarer er ikke like lange som for kraftbatterier og energilagring. For eksempel, etter 2–3 års bruk, ser vi at batterikapasiteten i en mobiltelefon har sunket til 80 %, hovedsakelig fordi de fleste mobiltelefoner lades én eller to ganger om dagen. Dette betyr at telefonens kapasitet synker under 80 % på mindre enn 3 år, og på dette tidspunktet må enten batteriet eller telefonen byttes ut.

2. Type av positiv elektrode:

Lithium-kobolt-oksider (LCO) dominerer fremdeles markedet for forbrukerbatterier. Selv om ternære NCM (ikke-lithium-kobolt-oksider) tilbyr høy spesifikk kapasitet, er de ikke enkelt å erstatte LCO med på grunn av gassproduksjon ved høye spenninger. Selv om LCO-katodematerialer har ulemper som høy kostnad (pga. dyrt kobolt), dårlig syklusytelse og dårlig sikkerhet, gir deres høye tapetetthet og høye driftsspenning dem fortsatt en fordel i ekstremt tynne elektroniske produkter. Etterspørselen forblir stabil i mellom- til høyklassede smarttelefoner, bærbare datamaskiner og nettbrett. Videre bidrar økt batterikapasitet i 5G-telefoner og oppkomsten av nye forbrukerelektronikkprodukter som droner, TWS-hodetelefoner og e-siggaretter til økt markedsetterspørsel etter LCO-katodematerialer. LCO har den høyeste tapetettheten, noe som resulterer i den høyeste volumetriske energitettheten innenfor det begrensede volumet i forbrukerelektronikk. Utmerket tapetetthet, volumetrisk energitetthet, syklusytelse og høy-/lavtemperaturytelse, i tillegg til muligheten for å ytterligere øke energitettheten i LCO ved å heve ladeavkuttingspotensialet, gjør høyvolts, høy-taper LCO-materialer til fremtidens retning.

III. Energilagringbatterier

Energilagringbatterier er batterier som lagrer elektrisk energi ved å omgjøre den til kjemisk energi. For tiden har markedet for energilagringbatterier to hovedområder: kraftlagring og hjemmelagring av energi. Kraftlagringsbatterier er i praksis teknologi for lagring av elektrisk energi. Anvendelsesområder inkluderer pumpekraftlagring, batterilagring, mekanisk lagring og komprimert luftlagring, som kan brukes i ulike industriområder. Energilagringbatterier for hjemmebruk er vanligvis beregnet på utendørs bruk; for eksempel ved strømbrudd hjemme eller under camping, hvor det trengs et kraftig, varige energilagringbatteri for uforutsette behov.

1. ei røyrsle Produktfunksjon:

Lagring av energi med litiumbatterier har høyere krav til levetid. Livsløpet for nye elbiler er vanligvis 5–8 år, mens prosjekter for energilagring som oftest sikter mot en levetid på mer enn 10 år. Sykluslevetiden for kraftlitiumbatterier er 1000–2000 sykluser, mens litiumbatterier for energilagring som regel krever en sykluslevetid på over 5000 sykluser. Dette skyldes at batterier for energilagring ikke prioritiserer volumenergitetthet og gravimetrisk energitetthet, men legger heller vekt på sikkerhet og kostnad. Sett fra et materielt intrinsikk perspektiv har litium-jernfosfat bedre termisk stabilitet og lavere materialekostnad sammenlignet med ternære litiumbatterier, og dens sykluslevetid har allerede nådd nesten 10 000 sykluser. Derfor blir bruken av dette i den globale markedet for energilagring stadig mer utbredt.

2. Type av positiv elektrode:

Det er noen forskjeller mellom litym-batterier for kraft og litym-batterier for energilagring, men sett fra cellens egen side kan begge typer tilsynelatende bruke litym-jernfosfat (LFP)-batterier og ternære litymbatterier. I energilagringsapplikasjoner brukes imidlertid nesten utelukkende LFP-batterier. Dette skyldes hovedsakelig de hyppige sikkerhetsuheldene i energilagringssentraler. Litymbatterier til energilagring krever ikke høy energitetthet, men høy sikkerhet, fordi elektrokjemiske energilagringssystemer inneholder hundrevis til titusenvis av batterier. Når brann oppstår og spres, blir situasjonen ekstremt vanskelig å håndtere. Den 29. juni 2022 utstedte Nasjonal energiadministrasjonen et utkast til «Tjue-fem hovedkrav for å forhindre ulykker i kraftproduksjon», som fastslår at store elektrokjemiske energilagringssentraler ikke skal bruke ternære litymbatterier eller natrium-svovel-batterier, og ikke skal bruke gjenvunne kraftbatterier. Derfor er energilagringsbatterier i bunn og grunn alle basert på LFP.

sammendrag:

Forbrukerbatterimarkedet har i stor grad stabilisert seg, med batteriforskning og -utvikling som hovedsakelig fokuserer på å oppnå høyere volumetrisk energitetthet og større kapasitet. Markedsandelen for ledende kraftbatterier er stort sett etablert, med en liten del som fremdeles omorganiseres. For øyeblikket er hovedfokuset for kraftbatterier å forlenge rekkevidde og øke ladehastigheten. Energilagringsbatterier har heller ikke sett betydelige nye utviklinger, og søker hovedsakelig ekstremt store kapasiteter, fra 280Ah til 314Ah, og nå til CATL og Haichens 587Ah, eller Sungrows 684Ah.