Kompletný sprievodca batériami s ióntami lítia: výkon, spotrebné tovary a aplikácie na ukladanie energie

Batérie s iónmi lítia je možné rozdeliť podľa ich použitia na trhu na malé spotrebné batérie (3C), batérie na pohon a veľké batérie na ukladanie energie.

I. Napájacie batérie

Napájacie batérie sú batérie, ktoré poskytujú energiu pre pohonné zariadenia a v súčasnosti predstavujú rýchlo rastúcu oblasť použitia lítium-ionových batérií. Široko sa používajú v elektromobiloch, elektrických náradiach, elektrických bicykloch a ďalších zariadeniach. Napájacie batérie sú tiež druhom akumulačných batérií, primárne využívaných v elektrických vozidlách. Kvôli obmedzeniam veľkosti a hmotnosti automobilov, ako aj požiadavkám na zrýchlenie, majú napájacie batérie vyššie požiadavky na výkon v porovnaní s bežnými akumulačnými batériami. Patria sem vyššia energetická hustota, rýchlejšie nabíjanie a vyššie výbojové prúdy, zatiaľ čo bežné akumulačné batérie takéto prísne požiadavky nemajú.

1. Vlastnosti produktu:

Pri výkonnostných lítium-iontových batériách je potrebné viac zohľadniť rýchlosť nabíjania, dojazd, spoľahlivosť a konzistenciu, pokiaľ ide o dlhodobé požiadavky (minimálne 5–10 rokov). Hustota energie: Balík batérií predstavuje približne 25 % hmotnosti vozidla a zmeny hmotnosti batérie priamo ovplyvňujú spotrebu energie vozidla. Pri rovnakom množstve nabitia vyššia hustota energie batérie znamená dlhší dojazd. Rýchlosť nabíjania: Rýchlosť nabíjania je tiež kľúčovým ukazovateľom pre súčasné výkonné batérie. Hlavní výrobcovia batérií momentálne navrhujú nabíjacie rýchlosti medzi 4C až 6C, alebo dokonca vyššie, aby sa skrátila čakacia doba používateľov. Bezpečnosť a konzistencia: Batériové balíky v elektrických vozidlách využívajú veľké množstvo batérií zapojených do série a paralelne. Ideálne by pravdepodobnosť poruchy výkonnej batérie (bezpečnosť, skladovanie, životnosť cyklov atď.) mala byť menšia ako jedna ku stomiliónom. Ak táto pravdepodobnosť zostáva trvalo nízka, batéria je počas používania náchylná na prekročenie hladiny nabitia a prebíjanie, čo môže viesť k bezpečnostným problémom.

2. Typ kladnej elektródy:

V súčasnosti hlavné typy trhových batérií zahŕňajú batérie s trojčlennou zložkou, LiFePO4 batérie a LiMn2O4 batérie. Pokiaľ ide o celkovú kompatibilitu batérií, na trhu dominujú batérie s trojčlennou zložkou a LiFePO4 batérie. Samozrejme, ďalším pozoruhodným materiálom katódy v oblasti batérií je NCA (nikel-kobalt-hliník) (8:1,5:0,5), ktorý sa vyznačuje vysokou energetickou hustotou na jednu článku, ale zároveň má veľmi vysokú bariéru vojdu.

II. Spotrebné batérie

Batérie pre spotrebiteľské zariadenia sú ďalšou dôležitou oblasťou použitia batérií typu lithium-ion. Spotrebiteľské batérie typu lithium-ion sa hlavne používajú v elektronických zariadeniach pre spotrebiteľov, ako sú mobilné telefóny, notebooky, digitálne fotoaparáty, digitálne kamery, power banky a elektrické hračky – takzvané „3C produkty“ – pre články a moduly lítiových batérií. Hlavné kategórie sú valcové, hranolové a batérie v laminátovom puzdre. Válcové lítiové batérie majú väčší priemer, čo obmedzuje hrúbku koncových elektronických zariadení; hranolové lítiové batérie majú relatívne pevný tvar a je ťažké ich vyrobiť tenké. Preto ani jeden z týchto dvoch typov lítiových batérií nemôže spĺňať požiadavky niektorých spotrebných elektronických zariadení na tenké, ľahké a variabilne veľké batérie. Lítiové batérie v polymérnom laminátovom puzdre používajú hliníkovo-plastovú fóliu ako puzdro, čo ich robí ľahkými, bezpečnými a ponúkajú flexibilnejšie možnosti dizajnu a vyššiu energetickú hustotu, čo ich robí vhodnejšími pre požiadavky spotrebných elektronických zariadení na tenké, ľahké, variabilne veľké a bezpečné batérie. Preto sú batérie v polymérnom laminátovom puzdre v súčasnosti najčastejšie používaným typom spotrebiteľských lítiových batérií. Priemysel batérií pre spotrebiteľov dozrel a celková poptávka je relatívne stabilná.

1. Vlastnosti produktu:

Lítium-iónové batérie pre spotrebiteľov majú relatívne miernejšie podmienky používania a nevyžadujú dlhodobú spoľahlivosť. Zvyčajne sa používajú samostatne a nemusia byť spájané s inými batériami, takže požiadavky na rovnosť nie sú veľmi vysoké. Vzhľadom na obmedzený priestor a drahosť spotrebných výrobkov, ako sú mobilné telefóny a tablety, však lítium-iónové batérie pre spotrebiteľov kladú prísne požiadavky na veľkosť, kapacitu a energetickú hustotu. Vysokorýchlostné spotrebné batérie využívajú najpokročilejšie technológie a materiály, zatiaľ čo batérie na pohon vyžadujú pokročilejší procesný kontrol, kontrolu konzistencie a riadenie kvality. Požiadavky na životnosť cyklov pre spotrebné výrobky nie sú tak vysoké ako u batérií na pohon a skladovanie energie. Napríklad po 2 až 3 rokoch používania zistíme, že kapacita batérie mobilného telefónu klesla na 80 %, najmä preto, že väčšinu mobilných telefónov nabíjame raz alebo dvakrát denne. To znamená, že kapacita telefónu klesne pod 80 % za menej ako 3 roky, v takom prípade je potrebné vymeniť buď batériu, alebo telefón.

2. Typ kladnej elektródy:

Lítiový kobaltový oxid (LCO) stále dominuje na trhu s batériami pre spotrebiteľské zariadenia. Hoci ternárny NCM (ne-lítiový kobaltový oxid) ponúka vysokú špecifickú kapacitu, nezastupuje ľahko LCO kvôli tvorbe plynov pri vysokých napätí. Napriek nevýhodám katódových materiálov LCO, ako je vysoká cena (kvôli drahému kobaltu), slabý cyklický výkon a nízka bezpečnosť, ich vysoká objemová hustota a vysoké prevádzkové napätie im stále poskytujú výhodu v ultra-tenkých elektronických zariadeniach. Dopyt zostáva stabilný v strednej až vysokej triede smartfónov, notebookov a tabletov. Navyše zvyšovanie kapacity batérií v 5G telefónoch a vznik nových spotrebných elektronických zariadení, ako sú drony, TWS slúchadlá a elektronické cigarety, podporujú dopyt po katódových materiáloch LCO. LCO disponuje najvyššou objemovou hustotou, čo vedie k najvyššej objemovej energetickej hustote v obmedzenom priestore spotrebných elektronických zariadení. Vynikajúca objemová hustota, objemová energetická hustota, cyklický výkon a výkon pri vysokých/nízkych teplotách, spolu s možnosťou ďalšieho zvýšenia energetickej hustoty LCO zvýšením potenciálu nabíjania, robia z vysokonapäťových, vysokohustotných materiálov LCO budúcu smerovú líniu vývoja.

III. Batérie na ukladanie energie

Batérie na ukladanie energie sú batérie, ktoré ukladajú elektrickú energiu a premieňajú ju na chemickú energiu. Trh s batériami na ukladanie energie má momentálne dve hlavné oblasti použitia: ukladanie energie do siete a domáce ukladanie energie. Batérie na ukladanie do siete sú v podstate technológiou na ukladanie elektrickej energie. Medzi scénáre využitia patria čerpadlové hydroakumulácie, batériové úložiská, mechanické ukladanie a ukladanie stlačeným vzduchom, ktoré možno uplatniť v rôznych priemyselných odvetviach. Batérie na domáce ukladanie energie sú zvyčajne určené na vonkajšie použitie; napríklad pri výpadkoch prúdu doma alebo počas kempovania je potrebná vysokokapacitná batéria s dlhou životnosťou na nepravidelné potreby.

1. Vlastnosti produktu:

Akumulačné batérie na báze lítia majú vyššie požiadavky na životnosť. Životnosť elektromobilov je zvyčajne 5 až 8 rokov, zatiaľ čo akumulačné projekty zvyčajne počítajú s životnosťou vyššou než 10 rokov. Počet cyklov výkonových lítiových batérií je 1000 až 2000, zatiaľ čo akumulačné lítiové batérie zvyčajne vyžadujú viac ako 5000 cyklov. Dôvodom je, že akumulačné batérie nekladú dôraz na objemovú a hmotnostnú energetickú hustotu, ale skôr na bezpečnosť a náklady. Z hľadiska vlastných materiálových vlastností má batéria na báze fosforečnanu železitého (LiFePO4) lepšiu tepelnú stabilitu a nižšie náklady na materiál v porovnaní s batériami na báze ternárneho lítia a jej životnosť už dosahuje takmer 10 000 cyklov, čo vysvetľuje jej čoraz širšie uplatnenie na trhu s energetickými úložiskami vo svete.

2. Typ kladnej elektródy:

Existujú určité rozdiely medzi batériami s vysokým výkonom a batériami na ukladanie energie, no z pohľadu samotnej článku sa zdá, že obe môžu používať batérie s fosforečnanom železnato-lítiovým (LFP) alebo batérie s trojčlenným lítiovým systémom. V aplikáciách na ukladanie energie sa však takmer výlučne používajú LFP batérie. Hlavným dôvodom sú časté nehody s požiarom na elektrárňach na ukladanie energie. Batérie určené špeciálne na ukladanie energie nepožadujú vysokú energetickú hustotu, ale vysokú bezpečnosť, pretože elektrochemické systémy na ukladanie energie obsahujú stovky až desiatky tisíc batérií. Ak raz dôjde k vypuknutiu požiaru a jeho šíreniu, situácia sa stáva extrémne ťažko zvládnuteľnou. Dňa 29. júna 2022 vydalo Národné energetické úradníctvo návrh stanoviska k dokumentu „Dvadsaťpäť kľúčových požiadaviek na prevenciu nehôd pri výrobe elektrickej energie“, ktorý stanovuje, že veľké elektrochemické elektrárne na ukladanie energie by nemali používať batérie s trojčlenným lítiovým systémom ani sodíko-sírové batérie a nemali by používať recyklované batérie z elektromobilov. Preto sa batérie na ukladanie energie v podstate výlučne vyrábajú z LFP.

zhrnutie:

Trh spotrebných batérií sa v zásade stabilizoval, pričom výskum a vývoj batérií sa zameriava predovšetkým na dosiahnutie vyššej objemovej energetickej hustoty a väčšej kapacity. Trhový podiel najväčších výrobcov trakčných batérií je do značnej miery už stanovený, iba malá časť sa ešte stále obnovuje. V súčasnosti je hlavným cieľom pre trakčné batérie predĺženie dojazdu a zvýšenie rýchlosti nabíjania. Na trhu skladovacích batérií tiež nedošlo k žiadnym významným novým vývojom, hlavným cieľom je stále dosiahnutie extrémne veľkých kapacít – od 280 Ah cez 314 Ah až po 587 Ah od CATL a Haichen alebo 684 Ah od Sungrow.