Полное руководство по литий-ионным аккумуляторам: применение в энергетике, потребительских устройствах и системах хранения энергии

Литий-ионные аккумуляторы можно разделить на малые потребительские литиевые аккумуляторы (3C), силовые литий-ионные аккумуляторы и крупные аккумуляторы для хранения энергии в зависимости от сферы применения.

I. Силовые аккумуляторы

Силовые аккумуляторы — это аккумуляторы, которые обеспечивают питание устройств, и в настоящее время представляют собой быстро растущую область применения литий-ионных аккумуляторов. Они широко используются в транспортных средствах на новой энергии, электроинструментах, электровелосипедах и других устройствах. Силовые аккумуляторы также являются разновидностью аккумуляторов для хранения энергии и в основном применяются в электромобилях. Из-за ограничений по размеру и весу автомобилей, а также требований к ускорению, силовые аккумуляторы предъявляют более высокие требования к производительности по сравнению с обычными аккумуляторами для хранения энергии. К ним относятся более высокая плотность энергии, более быстрая скорость зарядки и более высокие токи разряда, в то время как обычные аккумуляторы для хранения энергии не имеют таких строгих требований.

1. характеристики продукта:

Для тяговых литий-ионных аккумуляторов требуется учитывать больше факторов, таких как скорость зарядки, запас хода, надёжность и согласованность, учитывая долгосрочные требования (не менее 5–10 лет). Плотность энергии: аккумуляторная батарея составляет приблизительно 25 % массы автомобиля, и изменения массы батареи напрямую влияют на энергопотребление транспортного средства. При одинаковом количестве заряда аккумуляторная батарея с более высокой плотностью энергии обеспечивает больший запас хода. Скорость зарядки: скорость зарядки также является важным показателем для современных тяговых аккумуляторов. Ведущие производители аккумуляторов в настоящее время разрабатывают решения с током зарядки от 4C до 6C и даже выше, чтобы сократить время ожидания пользователей. Безопасность и согласованность: тяговые аккумуляторные батареи для транспортных средств используют большое количество элементов, соединённых последовательно и параллельно. В идеале вероятность выхода тягового аккумулятора из строя (по вопросам безопасности, хранения, срока циклирования и т.д.) должна быть менее одного случая на сто миллионов. Если эта вероятность остаётся стабильно низкой, аккумулятор склонен к перезарядке и глубокому разряду в процессе эксплуатации, что потенциально может привести к возникновению проблем с безопасностью.

2. Тип положительного электрода:

В настоящее время основными типами тяговых аккумуляторов на рынке являются литий-никель-кобальт-марганцевые (NMC) аккумуляторы, аккумуляторы LiFePO4 и аккумуляторы LiMn2O4. С точки зрения общей совместимости тяговых аккумуляторов, рынок в основном занимают литий-никель-кобальт-марганцевые и LiFePO4 аккумуляторы. Конечно, еще одним катодным материалом, на который стоит обратить внимание в области тяговых аккумуляторов, является NCA (никель-кобальт-алюминий) (8:1,5:0,5), обладающий высокой удельной энергией на элемент, но также имеющий очень высокий барьер входа.

II. Потребительские аккумуляторы

Потребительские батареи являются еще одной важной областью применения литий-ионных аккумуляторов. Потребительские литий-ионные аккумуляторы в основном используются в продуктах потребительской электроники, таких как мобильные телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, цифровые видеокамеры, внешние аккумуляторы и электронные игрушки — так называемых «3C-продуктах» — в качестве элементов и модулей литиевых батарей. Они в основном подразделяются на цилиндрические, призматические и полимерные (в мягкой оболочке) аккумуляторы. Цилиндрические литиевые аккумуляторы имеют больший диаметр, что ограничивает толщину конечных продуктов электроники; призматические литиевые аккумуляторы имеют относительно фиксированный внешний вид и трудно поддаются утоньшению. Поэтому ни один из этих двух типов литиевых аккумуляторов не может удовлетворить требованиям некоторых устройств потребительской электроники к тонким, легким и разнообразным по размеру батареям. Полимерные аккумуляторы в мягкой оболочке используют алюминиево-пластиковую пленку в качестве корпуса, что делает их легкими, безопасными, обеспечивающими более гибкие возможности дизайна и обладающими более высокой плотностью энергии, благодаря чему они лучше соответствуют требованиям потребительской электроники к тонким, легким, разнообразным по размеру и безопасным батареям. Поэтому в настоящее время полимерные аккумуляторы в мягкой оболочке являются наиболее распространенным типом потребительских литиевых аккумуляторов. Отрасль потребительских батарей достигла зрелости, и общий спрос остается относительно стабильным.

1. характеристики продукта:

Бытовые литий-ионные аккумуляторы имеют относительно менее строгие условия эксплуатации и не требуют длительной надежности. Обычно они используются отдельно и не нуждаются в комбинировании с другими аккумуляторами, поэтому требования к согласованности не очень высоки. Однако из-за ограниченного пространства и высокой ценности бытовых устройств, таких как мобильные телефоны и планшеты, к бытовым литий-ионным аккумуляторам предъявляются жесткие требования по размеру, емкости и плотности энергии. Флагманские бытовые аккумуляторы используют самые передовые технологии и материалы, тогда как тяговые аккумуляторы требуют более совершенного контроля процессов, контроля согласованности и управления качеством. Требования к количеству циклов для бытовых устройств не такие высокие, как для тяговых аккумуляторов и систем хранения энергии. Например, спустя 2–3 года эксплуатации мы замечаем, что емкость аккумулятора мобильного телефона снизилась до 80%, в основном потому, что большинство телефонов заряжают один или два раза в день. Это означает, что емкость телефона падает ниже 80% менее чем за 3 года, после чего необходимо заменить либо аккумулятор, либо сам телефон.

2. Тип положительного электрода:

Литий-кобальтовый оксид (LCO) по-прежнему доминирует на рынке потребительских аккумуляторов. Хотя тройной NCM (нелиний-кобальт-оксид) обладает высокой удельной ёмкостью, он не может легко заменить LCO из-за выделения газа при высоких напряжениях. Несмотря на недостатки катодных материалов LCO, такие как высокая стоимость (из-за дорогого кобальта), низкая цикловая стойкость и невысокая безопасность, их высокая объёмная плотность и большое рабочее напряжение всё ещё дают им преимущество в ультратонких электронных устройствах. Спрос остаётся стабильным в сегменте средних и высоких смартфонов, ноутбуков и планшетов. Кроме того, увеличение ёмкости батарей в телефонах 5G и появление новых потребительских электронных устройств, таких как дроны, TWS-наушники и электронные сигареты, способствуют росту рыночного спроса на катодные материалы LCO. У LCO самая высокая объёмная плотность, что обеспечивает наибольшую объёмную энергоёмкость в ограниченном объёме потребительской электроники. Высокая объёмная плотность, объёмная энергоёмкость, цикловая стойкость, работа при высоких и низких температурах, а также возможность дальнейшего повышения энергоёмкости LCO за счёт увеличения потенциала отключения зарядки делают высоковольтные и высокоплотные материалы LCO перспективным направлением развития.

III. Аккумуляторы для хранения энергии

Аккумуляторы для хранения энергии — это батареи, которые накапливают электрическую энергию, преобразуя её в химическую. В настоящее время рынок аккумуляторов для хранения энергии в основном охватывает две крупные сферы применения: хранение энергии на электростанциях и в жилых домах. Аккумуляторы для хранения энергии на электростанциях по сути представляют собой технологию накопления электроэнергии. Сценарии применения включают гидроаккумулирование, аккумулирование с помощью батарей, механическое накопление и сжатый воздух, которые могут применяться в различных отраслях промышленности. Аккумуляторы для хранения энергии в жилых домах, как правило, предназначены для использования на открытом воздухе; например, при отключении электричества в доме или во время походов необходим аккумулятор большой ёмкости с длительным сроком работы для непредвиденных нужд.

1. характеристики продукта:

Аккумуляторы на основе лития для систем хранения энергии предъявляют более высокие требования к сроку службы. Срок службы транспортных средств с новыми источниками энергии, как правило, составляет 5–8 лет, тогда как проекты по хранению энергии, как правило, рассчитаны на срок службы более 10 лет. Количество циклов заряда-разряда у тяговых литиевых аккумуляторов составляет 1000–2000 циклов, тогда как у аккумуляторов для систем хранения энергии, как правило, требуется более 5000 циклов. Это связано с тем, что для аккумуляторов хранения энергии не являются приоритетными объёмная и массовая энергетическая плотность, а основное внимание уделяется безопасности и стоимости. С точки зрения внутренних свойств материалов, фосфат лития-железа обладает лучшей тепловой стабильностью и более низкой стоимостью по сравнению с тройными литиевыми аккумуляторами, а его ресурс уже достигает почти 10 000 циклов, благодаря чему его применение на мировом рынке систем хранения энергии становится всё более широким.

2. Тип положительного электрода:

Существуют некоторые различия между силовыми литиевыми батареями и литиевыми батареями для хранения энергии, однако с точки зрения самого элемента питания, оба типа могут, по сути, использовать батареи на основе фосфата лития-железа (LFP) и тройные литиевые батареи. Тем не менее, в приложениях для хранения энергии практически исключительно используются LFP-батареи. Это в основном связано с частыми авариями, связанными с возгоранием, на объектах хранения энергии. Специализированные литиевые батареи для хранения энергии не требуют высокой плотности энергии, но должны обеспечивать высокий уровень безопасности, поскольку электрохимические системы хранения энергии содержат от сотен до десятков тысяч аккумуляторов. Как только начинается пожар и он распространяется, ситуация становится чрезвычайно трудноконтролируемой. 29 июня 2022 года Национальное управление энергетики Китая опубликовало проект руководства под названием «Двадцать пять ключевых требований по предотвращению аварий при производстве электроэнергии», в котором указано, что на крупных электрохимических станциях хранения энергии нельзя использовать тройные литиевые батареи или натрий-серные батареи, а также запрещено применение восстановленных силовых аккумуляторов. Поэтому батареи для хранения энергии в основном изготавливаются исключительно на основе LFP.

краткое резюме:

Рынок потребительских аккумуляторов в значительной степени стабилизировался, при этом исследования и разработки аккумуляторов в основном сосредоточены на достижении более высокой объёмной плотности энергии и увеличении ёмкости. Доли рынка ведущих производителей силовых аккумуляторов в основном сформированы, небольшая часть всё ещё находится в процессе перестройки. В настоящее время основное внимание для силовых аккумуляторов уделяется увеличению запаса хода и повышению скорости зарядки. На рынке накопителей энергии также не наблюдается каких-либо значительных новых разработок, основное внимание по-прежнему уделяется чрезвычайно большим ёмкостям — от 280 А·ч до 314 А·ч, а теперь и до 587 А·ч у CATL и Haichen или до 684 А·ч у Sungrow.