Kompletny przewodnik po bateriach litowo-jonowych: zastosowania w napędach, urządzeniach konsumenckich i magazynowaniu energii

Baterie litowo-jonowe można podzielić na małe baterie konsumenckie (3C), baterie trakcyjne oraz duże baterie do magazynowania energii, w zależności od ich zastosowań końcowych.

I. Akumulatory trakcyjne

Akumulatory trakcyjne to baterie dostarczające energię do urządzeń napędowych i obecnie stanowią szybko rozwijającą się dziedzinę zastosowań akumulatorów litowo-jonowych. Są powszechnie stosowane w pojazdach napędzanych alternatywną energią, narzędziach elektrycznych, rowerach elektrycznych i innych. Akumulatory trakcyjne to również rodzaj baterii magazynujących energię, głównie wykorzystywanych w pojazdach elektrycznych. Ze względu na ograniczenia rozmiaru i masy samochodów oraz wymagania dotyczące przyspieszenia, akumulatory trakcyjne muszą spełniać wyższe wymagania eksploatacyjne niż zwykłe akumulatory magazynujące energię. Obejmują one wyższą gęstość energii, szybsze ładowanie oraz większe prądy rozładowania, podczas gdy zwykłe akumulatory magazynujące energię nie mają tak restrykcyjnych wymagań.

1. cechy produktu:

W przypadku baterii litowo-jonowych typu power należy uwzględnić dodatkowe czynniki, takie jak szybkość ładowania, zasięg, niezawodność i spójność, biorąc pod uwagę długoterminowe wymagania (co najmniej 5–10 lat). Gęstość energii: Zestaw baterii stanowi około 25% masy pojazdu, a zmiany masy baterii wpływają bezpośrednio na zużycie energii przez pojazd. Przy tej samej pojemności ładunku wyższa gęstość energii zestawu baterii przekłada się na większy zasięg. Szybkość ładowania: Jest to również kluczowy wskaźnik dla obecnych baterii trakcyjnych. Główni producenci baterii projektują obecnie szybkość ładowania w zakresie od 4C do 6C, a nawet wyższą, aby skrócić czas oczekiwania użytkowników. Bezpieczeństwo i spójność: Zestawy baterii w pojazdach elektrycznych wykorzystują dużą liczbę ogniw połączonych szeregowo i równolegle. W warunkach idealnych prawdopodobieństwo awarii baterii trakcyjnej (bezpieczeństwo, przechowywanie, żywotność cykliczna itp.) powinno być mniejsze niż jedno na sto milionów. Jeśli to prawdopodobieństwo będzie stale niskie, bateria będzie skłonna do przeładowania i nadmiernego rozładowania podczas użytkowania, co może prowadzić do problemów z bezpieczeństwem.

2. Typ elektrody dodatniej:

Obecnie główne typy baterii trakcyjnych dostępne na rynku to baterie litowo-jonowe trójskładnikowe, baterie LiFePO4 oraz baterie LiMn2O4. Pod względem ogólnej kompatybilności baterii trakcyjnych, rozwiązania oparte na litowo-jonowych trójskładnikowych i LiFePO4 dominują na rynku. Oczywiście innym materiałem katodowym, który warto zauważyć w dziedzinie baterii trakcyjnych, jest NCA (nikiel-kobalt-aluminium) (8:1,5:0,5), charakteryzujący się wysoką gęstością energii pojedynczej komórki, ale również bardzo wysokim progiem wejścia.

Ii. Baterie użytkowe

Baterie konsumenckie to kolejza istotna dziedzina zastosowań baterii litowo-jonowych. Baterie litowo-jonowe konsumenckie są głównie stosowane w produktach elektroniki użytkowej, takich jak telefony komórkowe, laptopy, aparaty cyfrowe, kamery cyfrowe, power banki oraz zabawki elektryczne – tzw. produkty "3C" – jako ogniwa i moduły litowo-jonowe. Klasyfikuje się je głównie na baterie cylindryczne, pryzmatyczne i foliowe. Baterie litowo-jonowe cylindryczne mają większy średnicę, co ogranicza grubość końcowych produktów elektronicznych; baterie litowo-jonowe pryzmatyczne charakteryzują się względnie ustalonym kształtem i trudno je wykonać cienko. Dlatego żaden z tych dwóch typów baterii litowo-jonowych nie spełnia wymagań niektórych urządzeń elektronicznych konsumenckich pod względem cienkich, lekkich i o zmiennych rozmiarach baterii. Litowe baterie polimerowe w foliowej obudowie wykorzystują folię aluminiowo-plastиковą jako osłonę, dzięki czemu są lekkie, bezpieczne, oferują bardziej elastyczne możliwości projektowania i wyższą gęstość energii, przez co lepiej odpowiadają wymaganiom urządzeń elektronicznych konsumenckich dotyczącym cienkich, lekkich, o zmiennych rozmiarach i bezpiecznych baterii. Dlatego baterie litowo-polimerowe w foliowej obudowie są obecnie najczęsciej stosowanym typem baterii litowo-jonowych konsumenckich. Przemysł baterii konsumenckich dojrzał, a ogólna potrzeba jest stosunkowo stabilna.

1. cechy produktu:

Baterie litowo-jonowe użytkowe mają stosunkowo mniej rygorystyczne warunki użytkowania i nie wymagają długotrwałej niezawodności. Zazwyczaj są używane samodzielnie i nie muszą być łączone z innymi bateriami, dlatego wymagania dotyczące jednolitości nie są bardzo wysokie. Jednak ze względu na ograniczoną przestrzeń i cenność produktów konsumenckich, takich jak telefony komórkowe i tablety, baterie litowo-jonowe użytkowe muszą spełniać surowe wymagania dotyczące wymiarów, pojemności i gęstości energii. Szerokie baterie użytkowe wykorzystują najnowocześniejsze technologie i materiały, podczas gdy baterie trakcyjne wymagają bardziej zaawansowanej kontroli procesu, kontroli jednolitości oraz zarządzania jakością. Wymagania dotyczące liczby cykli dla produktów konsumenckich nie są tak duże jak w przypadku baterii trakcyjnych czy magazynów energii. Na przykład po 2–3 latach użytkowania stwierdzamy, że pojemność baterii telefonu spadła do 80%, głównie dlatego, że większość telefonów ładowana jest raz lub dwa razy dziennie. Oznacza to, że pojemność telefonu spada poniżej 80% w ciągu mniej niż 3 lat, co oznacza, że należy wymienić baterię lub cały telefon.

2. Typ elektrody dodatniej:

Tlenek litowo-kobaltowy (LCO) wciąż dominuje na rynku baterii konsumenckich. Chociaż trójskładnikowy NCM (tlenek bez litowo-kobaltowy) oferuje wysoką pojemność właściwą, nie wypiera łatwo LCO ze względu na wydzielanie gazów przy wysokich napięciach. Mimo że materiały katodowe LCO mają wady, takie jak wysoki koszt (z powodu drogiego kobaltu), słaba wydajność cykliczną i niska bezpieczeństwo, ich wysoka gęstość nasypowa oraz wysokie napięcie pracy dają im nadal przewagę w ultra cienkich urządzeniach elektronicznych. Popyt pozostaje stabilny w segmentach smartfonów, laptopów i tabletów średniego i wysokiego segmentu. Dodatkowo, zwiększona pojemność baterii w telefonach 5G oraz pojawienie się nowych urządzeń konsumenckich, takich jak drony, słuchawki TWS i papierosy elektroniczne, napędzają popyt na materiały katodowe LCO. LCO charakteryzuje się najwyższą gęstością nasypową, co przekłada się na najwyższą gęstość energii objętościowej w ograniczonej przestrzeni urządzeń konsumenckich. Doskonała gęstość nasypowa, gęstość energii objętościowej, wydajność cykliczna oraz właściwości w zakresie wysokich i niskich temperatur, a także możliwość dalszego zwiększenia gęstości energii LCO poprzez podniesienie potencjału cutoff ładowania, sprawiają, że materiały LCO o wysokim napięciu i wysokiej gęstości nasypowej stanowią kierunek przyszłego rozwoju.

III. Baterie do magazynowania energii

Baterie do magazynowania energii to baterie, które magazynują energię elektryczną, przekształcając ją w energię chemiczną. Obecnie rynek baterii do magazynowania energii obejmuje dwa główne obszary zastosowań: magazynowanie mocy oraz magazynowanie energii w gospodarstwach domowych. Baterie do magazynowania mocy są zasadniczo technologią przechowywania energii elektrycznej. Scenariusze zastosowania obejmują magazynowanie hydrauliczne z pompowaniem, magazynowanie za pomocą baterii, magazynowanie mechaniczne oraz magazynowanie powietrza sprężonego, które mogą być stosowane w różnych dziedzinach przemysłu. Baterie do magazynowania energii w gospodarstwach domowych są zazwyczaj przeznaczone do użytku na zewnątrz; na przykład podczas przerw w dostawie prądu w domu lub podczas biwakowania potrzebna jest pojemna, trwała bateria do magazynowania energii na wypadek nagłych potrzeb.

1. cechy produktu:

Baterie litowo-jonowe do magazynowania energii mają wyższe wymagania dotyczące trwałości. Okres użytkowania pojazdów napędzanych energią elektryczną zwykle wynosi 5–8 lat, podczas gdy projekty magazynowania energii zakładają żywotność przekraczającą 10 lat. Żywotność cykliczna baterii trakcyjnych wynosi 1000–2000 cykli, natomiast baterie do magazynowania energii wymagają zazwyczaj żywotności cyklicznej przekraczającej 5000 cykli. Dzieje się tak, ponieważ baterie do magazynowania energii nie kładą nacisku na gęstość objętościową i masową energii, lecz raczej na bezpieczeństwo i koszt. Z punktu widzenia własności materiałowych, litowo-żelazowo-fosforanowe (LFP) mają lepszą stabilność termiczną i niższy koszt materiału niż baterie litowo-jonowe z trójskładnikowym katodą (NMC), a ich żywotność cykliczna osiąga już prawie 10 000 cykli, dzięki czemu ich zastosowanie na rynku magazynowania energii na całym świecie staje się coraz powszechniejsze.

2. Typ elektrody dodatniej:

Istnieją pewne różnice między bateriami litowymi trakcyjnymi a bateriami litowymi do magazynowania energii, ale z punktu widzenia samego ogniwa oba typy mogą wydawać się stosowane w technologiach fosforanu litowo-żelazowej (LFP) oraz bateriach litowych trójskładnikowych. Jednak w zastosowaniach magazynowania energii niemal wyłączne zastosowanie mają akumulatory LFP. Dzieje się tak głównie ze względu na częste wypadki związane z bezpieczeństwem w elektrowniach magazynujących energię. Baterie litowe przeznaczone specjalnie do magazynowania energii nie wymagają wysokiej gęstości energetycznej, lecz przede wszystkim wysokiego poziomu bezpieczeństwa, ponieważ elektrochemiczne systemy magazynowania energii zawierają od setek do dziesiątek tysięcy ogniw. Gdy dojdzie do pożaru i jego rozprzestrzenienia, sytuacja staje się niezwykle trudna do opanowania. 29 czerwca 2022 r. Administracja Energii Państwowej opublikowała projekt opinii na temat "Dwudziestu pięciu kluczowych wymagań zapobiegania wypadkom produkcyjnym w energetyce", który stanowił, że duże elektrochemiczne stacje magazynowania energii nie powinny używać baterii litowych trójskładnikowych ani baterii sodowo-siarkowych, a także nie powinny wykorzystywać regenerowanych baterii trakcyjnych. Dlatego baterie do magazynowania energii są w zasadzie wyłącznie wykonane z technologii LFP.

streszczenie:

Rynek baterii konsumenckich w dużej mierze się ustabilizował, a badania i rozwój koncentrują się przede wszystkim na osiąganiu wyższej gęstości energii objętościowej i większej pojemności. Udział w rynku wiodących baterii trakcyjnych jest już w dużej mierze ustalony, choć niewielka część nadal się zmienia. Obecnie głównym celem dla baterii trakcyjnych jest wydłużenie zasięgu oraz zwiększenie szybkości ładowania. Również w przypadku baterii do magazynowania energii nie odnotowano żadnych znaczących nowych rozwiązań, trwają jednak prace nad osiąganiem ekstremalnie dużych pojemności – od 280 Ah do 314 Ah, a obecnie do 587 Ah firmy CATL i Haichen, czy nawet 684 Ah firmy Sungrow.