Un ghid complet pentru bateriile cu litiu-ion: aplicații de putere, consumer și stocare a energiei

Bateriile cu litiu-ion pot fi împărțite în baterii mici pentru consumatori (3C), baterii cu litiu-ion pentru propulsie și baterii mari pentru stocarea energiei, în funcție de aplicațiile lor finale.

I. Baterie de putere

Bateriile de putere sunt baterii care furnizează energie dispozitivelor electrice și reprezintă în prezent o arie de aplicare în creștere rapidă pentru bateriile cu litiu-ion. Sunt utilizate pe scară largă în vehiculele electrice, uneltele electrice, bicicletele electrice și multe altele. Bateriile de putere sunt, de asemenea, un tip de baterie de stocare a energiei, utilizată în principal în vehiculele electrice. Din cauza limitărilor legate de dimensiune și greutate ale autovehiculelor, precum și a cerințelor privind accelerarea, bateriile de putere au cerințe de performanță mai mari decât bateriile obișnuite de stocare a energiei. Aceste cerințe includ o densitate energetică mai mare, viteze de încărcare mai rapide și curenți de descărcare mai mari, în timp ce bateriile obișnuite de stocare a energiei nu au astfel de cerințe stricte.

1. să se Caracteristici ale produsului:

Pentru bateriile de tip putere cu litiu-ion, sunt necesare mai multe considerații legate de viteza de încărcare, autonomie, fiabilitate și consistență, având în vedere cerințele pe termen lung (cel puțin 5-10 ani). Densitate energetică: Pachetul de baterii reprezintă aproximativ 25% din greutatea unui autovehicul, iar modificările greutății bateriei afectează direct consumul de energie al vehiculului. Pentru aceeași cantitate de sarcină, un pachet de baterii cu o densitate energetică mai mare oferă o autonomie mai mare. Viteză de încărcare: Viteza de încărcare este, de asemenea, un indicator crucial pentru bateriile de tracțiune actuale. Principalii producători de baterii proiectează în prezent rate de încărcare între 4C și 6C, sau chiar mai mari, pentru a reduce timpul de așteptare al utilizatorilor. Siguranță și consistență: Pachetele de baterii pentru vehicule electrice folosesc un număr mare de baterii conectate în serie și paralel. În mod ideal, probabilitatea ca o baterie de tracțiune să funcționeze defectuos (siguranță, stocare, durată de viață în ciclu etc.) ar trebui să fie mai mică de una la o sută de milioane. Dacă această probabilitate rămâne constant scăzută, bateria este predispusă la suprîncărcare și descărcare excesivă în timpul utilizării, ceea ce poate duce la probleme de siguranță.

2. Tipul electrodului pozitiv:

În prezent, principalele tipuri de baterii pentru tracțiune de pe piață includ bateriile cu litiu ternar, bateriile LiFePO4 și bateriile LiMn2O4. În ceea ce privește compatibilitatea generală a bateriilor pentru tracțiune, bateriile cu litiu ternar și bateriile LiFePO4 domină piața. Desigur, un alt material catodic care merită menționat în domeniul bateriilor pentru tracțiune este NCA (nickel-cobalt-aluminiu) (8:1,5:0,5), care se remarcă prin densitate energetică foarte mare la nivel de celulă, dar are și o barieră de intrare extrem de ridicată.

Ii. Baterii pentru consumatori

Bateriile pentru consumatori reprezintă o altă aplicație importantă pentru bateriile cu ion de litiu. Bateriile cu litiu-ion pentru consumatori sunt utilizate în principal în produse electronice de uz casnic precum telefoane mobile, laptopuri, camere digitale, camcorder-e digitale, power bank-uri și jucării electrice — așa-numitele „produse 3C” — pentru celule și module de baterii cu litiu. Acestea sunt clasificate în principal în baterii cilindrice, prismatice și tip pouch. Bateriile cilindrice cu litiu au un diametru mai mare, ceea ce limitează grosimea produselor electronice pentru utilizatorul final; bateriile prismatice cu litiu au un design estetic relativ fix și este dificil să fie realizate subțiri. Prin urmare, niciunul dintre aceste două tipuri de baterii cu litiu nu poate satisface cerințele unor produse electronice de uz casnic privind bateriile subțiri, ușoare, cu dimensiuni variabile. Bateriile polimerice cu litiu tip pouch utilizează o folie aluminiu-plastic ca înveliș, fiind ușoare, sigure și oferind opțiuni de design mai flexibile și o densitate energetică mai ridicată, făcându-le mai potrivite pentru cerințele produselor electronice de uz casnic privind bateriile subțiri, ușoare, cu dimensiuni variabile și sigure. Prin urmare, bateriile polimerice cu litiu tip pouch sunt în prezent cel mai frecvent utilizat tip de baterie cu litiu pentru consumatori. Industria bateriilor pentru consumatori s-a maturizat, iar cererea generală este relativ stabilă.

1. să se Caracteristici ale produsului:

Bateriile consumer de litiu-ion au condiții de utilizare relativ mai puțin stricte și nu necesită o fiabilitate pe termen lung. Ele sunt de obicei utilizate individual și nu trebuie cuplate cu alte baterii, astfel că cerințele privind consistența nu sunt foarte ridicate. Totuși, din cauza spațiului limitat și a caracterului prețios al produselor consumer, cum ar fi telefoanele mobile și tabletele, bateriile de litiu-ion pentru consumator au cerințe stricte privind dimensiunea, capacitatea și densitatea energetică. Bateriile premium pentru consumator folosesc cele mai avansate tehnologii și materiale, în timp ce bateriile pentru propulsie necesită un control procesual, un control al consistenței și o gestionare a calității mai avansate. Cerințele privind durata de viață în ciclu pentru produsele consumer nu sunt atât de mari ca în cazul bateriilor pentru propulsie sau pentru stocarea energiei. De exemplu, după 2-3 ani de utilizare, observăm că capacitatea bateriei unui telefon mobil a scăzut la 80%, în principal pentru că majoritatea telefoanelor sunt încărcate o dată sau de două ori pe zi. Aceasta înseamnă că capacitatea telefonului scade sub 80% în mai puțin de 3 ani, moment în care trebuie înlocuită fie bateria, fie telefonul.

2. Tipul electrodului pozitiv:

Oxidul de litiu-cobalt (LCO) domină încă piața bateriilor pentru consumatori. Deși NCM ternar (oxid non-litiu-cobalt) oferă o capacitate specifică ridicată, acesta nu înlocuiește ușor LCO din cauza producerii de gaze la tensiuni mari. Deși materialele catodice LCO au dezavantaje precum costul ridicat (datorită cobaltului scump), performanță slabă la ciclare și siguranță redusă, densitatea lor mare de umplere și tensiunea de funcționare ridicată le conferă totuși un avantaj în produsele electronice ultra-subțiri. Cererea rămâne stabilă pe segmentul mediu și premium al smartphone-urilor, laptopurilor și tabletelor. În plus, creșterea capacității bateriei în telefoanele 5G și apariția unor noi electronice de uz casnic, cum ar fi dronele, căștile TWS și țigările electronice, stimulează toate cererea de pe piața materialelor catodice LCO. LCO se remarcă prin cea mai mare densitate de umplere, rezultând în cea mai mare densitate volumetrică de energie în cadrul volumului limitat al dispozitivelor electronice de consum. Densitatea excelentă de umplere, densitatea volumetrică de energie, performanța la ciclare și la temperaturi ridicate/scăzute, precum și posibilitatea de a crește ulterior densitatea energetică a LCO prin mărirea potențialului de oprire la încărcare, fac din materialele LCO cu înaltă tensiune și înaltă tăiere direcția viitoare.

III. Baterii de stocare a energiei

Bateriile de stocare a energiei se referă la bateriile care stochează energia electrică, transformând-o în energie chimică. În prezent, piața bateriilor de stocare a energiei are două domenii principale de aplicare: stocarea energiei electrice și stocarea energiei pentru uz rezidențial. Bateriile pentru stocarea energiei electrice sunt esențial tehnologie de stocare a energiei electrice, adică tehnologia de stocare a energiei electrice. Scenariile de aplicare includ stocarea prin hidrocentrală cu pompare, stocarea prin baterii, stocarea mecanică și stocarea prin aer comprimat, care pot fi aplicate în diverse domenii industriale. Bateriile de stocare a energiei pentru uz rezidențial sunt în general destinate utilizării în aer liber; de exemplu, în timpul întreruperilor de curent acasă sau atunci când se face camping, este nevoie de o baterie de stocare a energiei cu capacitate mare și durată lungă de funcționare pentru nevoi neprevăzute.

1. să se Caracteristici ale produsului:

Bateriile de stocare a energiei cu litiu au cerințe mai mari privind durata de viață. Durata de viață a vehiculelor electrice este în general de 5-8 ani, în timp ce proiectele de stocare a energiei vizează de obicei o durată de viață mai mare de 10 ani. Ciclul de viață al bateriilor de tracțiune cu litiu este de 1000-2000 de cicluri, în timp ce bateriile de stocare a energiei cu litiu necesită în general un ciclu de viață mai mare de 5000 de cicluri. Acest lucru se datorează faptului că bateriile de stocare nu prioritizează densitatea energetică volumetrică și cea gravimetrică, ci accentuează în schimb siguranța și costul. Din perspectiva proprietăților intrinseci ale materialelor, fosfatul de fier și litiu are o stabilitate termică și un cost al materialului mai bune decât bateriile cu litiu ternar, iar ciclul său de viață a atins deja aproape 10.000 de cicluri; prin urmare, aplicarea sa pe piața globală de stocare a energiei devine din ce în ce mai răspândită.

2. Tipul electrodului pozitiv:

Există anumite diferențe între bateriile de putere din litiu și bateriile de stocare a energiei din litiu, dar din perspectiva celulei în sine, ambele par să poată utiliza baterii cu fosfat de fier și litiu (LFP) și baterii cu litiu ternar. Totuși, în aplicațiile de stocare a energiei, se folosesc aproape în exclusivitate baterii LFP. Acest lucru se datorează în principal accidentelor frecvente de siguranță din centralele de stocare a energiei. Bateriile de stocare a energiei dedicate nu necesită o densitate energetică ridicată, ci o siguranță mare, deoarece sistemele electrochimice de stocare a energiei conțin sute până la zeci de mii de baterii. Odată ce izbucnește un incendiu și se răspândește, situația devine extrem de dificil de gestionat. Pe 29 iunie 2022, Administrația Națională pentru Energie a emis un proiect de opinie privind "Douăzeci și Cinci de Cerințe Cheie pentru Prevenirea Accidentelor în Producția de Energie Electrică", care prevedea că centralele electrochimice de stocare a energiei la scară largă nu trebuie să utilizeze baterii cu litiu ternar sau baterii sodiu-sulf, și să nu utilizeze baterii de putere reciclate. Prin urmare, bateriile de stocare sunt în esență toate realizate din LFP.

rezumat:

Piața bateriilor pentru consumatori s-a stabilizat în mare parte, cercetarea și dezvoltarea bateriilor concentrându-se în principal pe obținerea unei densități energetice volumetrice mai mari și a unei capacități mai mari. Ponderea de piață a bateriilor de înaltă performanță este în mare parte consolidată, cu o mică parte încă în curs de restructurare. În prezent, accentul principal pentru bateriile de tracțiune este pe mărirea autonomiei și pe creșterea vitezei de încărcare. Nici bateriile pentru stocarea energiei nu au cunoscut dezvoltări semnificative, urmărind în principal capacități extrem de mari, de la 280Ah la 314Ah, iar acum la 587Ah de la CATL și Haichen, sau 684Ah de la Sungrow.