En komplett guide till litiumjonbatterier: effekt-, konsument- och energilagringsapplikationer

Litiumjonbatterier kan delas in i små konsumentlitiumbatterier (3C), elkrafts litiumjonbatterier och stora energilagringsbatterier beroende på sina nedströmsapplikationer.

I. Effektbatteri

Effektbatterier är batterier som levererar ström till elkraftdrivna enheter och utgör för närvarande ett snabbt växande användningsområde för lithiumjonbatterier. De används omfattande i elfordon, elverktyg, elcyklar och mer. Effektbatterier är också en typ av energilagringsbatteri, främst använt i elfordon. På grund av begränsningar gällande storlek och vikt i fordon, samt krav på acceleration, ställs högre prestandakrav på effektbatterier jämfört med vanliga energilagringsbatterier. Dessa krav inkluderar högre energitäthet, snabbare laddhastigheter och större urladdningsströmmar, medan vanliga energilagringsbatterier inte har så stränga krav.

1. produktens egenskaper:

För kraftbatterier av litiumjon-typ krävs fler överväganden när det gäller laddhastighet, räckvidd, pålitlighet och konsekvens, med tanke på långsiktiga krav (minst 5–10 år). Energitäthet: Batteripacken utgör ungefär 25 % av en bils vikt, och förändringar i batterivikt påverkar direkt fordonets energiförbrukning. För samma mängd laddning ger ett batteripack med högre energitäthet en längre räckvidd. Laddhastighet: Laddhastighet är också en avgörande indikator för nuvarande kraftbatterier. Större batteritillverkare designar för närvarande laddhastigheter mellan 4C och 6C, eller ännu högre, för att minska användarnas väntetid. Säkerhet och konsekvens: Batteripack för elkraftfordon använder ett stort antal batterier kopplade i serie och parallellt. I teorin bör sannolikheten för att ett kraftbatteri fungerar fel (säkerhet, lagring, cykellivslängd etc.) vara mindre än en på hundra miljoner. Om denna sannolikhet hela tiden är låg är batteriet benäget att överladdas och urladdas för mycket under användning, vilket potentiellt kan leda till säkerhetsproblem.

2. Typ av positiv elektrod:

För närvarande inkluderar de främsta typerna av elkraftsbatterier på marknaden litiumbatterier med tre grundämnen, LiFePO4-batterier och LiMn2O4-batterier. När det gäller allmän kompatibilitet för elkraftsbatterier domineras marknaden av litiumbatterier med tre grundämnen och LiFePO4-batterier. Det finns förstås ett annat katodmaterial som är värt att notera inom elkraftsbatteriområdet, nämligen NCA (nickel-kobolt-aluminium) (8:1,5:0,5), som har en hög energitäthet per cell men också en mycket hög ingångshinder.

Ii. Konsumentbatterier

Konsumentbatterier är ett annat viktigt tillämpningsområde för litiumjonbatterier. Konsumentens litiumjonbatterier används främst i elektronikprodukter som mobiltelefoner, bärbara datorer, digitalkameror, digitala videokameror, laddboxar och elektriska leksaker – så kallade "3C-produkter" – för litiumbattericeller och -moduler. De kategoriseras huvudsakligen i cylindriska, prismaformade och påsar (pouch). Cylindriska litiumbatterier har en större diameter, vilket begränsar tjockleken på slutanvändares elektronikprodukter; prismaformade litiumbatterier har en relativt fast utformning och är svåra att göra tunna. Därför kan varken denna typ av litiumbatterier uppfylla kraven från vissa elektronikprodukter på tunna, lättviktiga och variabla storlekar på batterier. Polymer-påsebatterier använder en aluminiumplastfilm som hölje, vilket gör dem lättviktiga, säkra och erbjuder mer flexibla designmöjligheter samt högre energitäthet, vilket gör dem mer lämpliga för kraven från elektronikprodukter på tunna, lättviktiga, variabla storlekar och säkra batterier. Därför är polymer-påsebatterier för närvarande den vanligaste typen av konsumentlitiumbatteri. Branschen för konsumentbatterier har mognat, och den totala efterfrågan är relativt stabil.

1. produktens egenskaper:

Lithiumjonbatterier för konsumentanvändning har relativt sett mindre stränga användningsvillkor och kräver inte långsiktig pålitlighet. De används vanligtvis enskilt och behöver inte kopplas samman med andra batterier, vilket innebär att kraven på homogenitet inte är särskilt höga. Däremot har lithiumjonbatterier för konsumentanvändning strikta krav på storlek, kapacitet och energitäthet på grund av det begränsade utrymmet och produkternas värdefullhet i konsumentprylar som mobiltelefoner och surfplattor. Högpresterande konsumentbatterier använder de mest avancerade teknikerna och materialen, medan kraftbatterier kräver mer avancerad processkontroll, homogenitetskontroll och kvalitetsstyrning. Kraven på cykellivslängd för konsumentprodukter är inte lika höga som för kraftbatterier och energilagring. Till exempel upptäcker vi efter 2–3 års användning att batterikapaciteten i en mobiltelefon har minskat till 80 %, främst därför att de flesta mobiltelefoner laddas en eller två gånger per dag. Detta innebär att telefonens kapacitet sjunker under 80 % inom mindre än tre år, vilket innebär att antingen batteriet eller hela telefonen måste bytas ut.

2. Typ av positiv elektrod:

Lithium-kobolt-oxid (LCO) dominerar fortfarande konsumentbatterimarknaden. Även om ternärt NCM (Non-Lithium Cobalt Oxide) erbjuder hög specifik kapacitet, ersätter det inte lätt LCO på grund av gasproduktion vid höga spänningar. Även om LCO-katodmaterial har nackdelar såsom hög kostnad (på grund av dyrt kobolt), dålig cykelprestanda och sämre säkerhet, ger deras höga fyllnadsdensitet och höga arbets-spänning dem fortfarande en fördel i ultratunna elektronikprodukter. Efterfrågan förblir stabil inom mellan- till högklassade smartphones, bärbara datorer och surfplattor. Dessutom driver ökad batterikapacitet i 5G-telefoner och uppkomsten av nya konsumentelektronikprodukter såsom drönare, TWS-hörlurar och e-cigaretter marknadsbehovet för LCO-katodmaterial. LCO har den högsta fyllnadsdensiteten, vilket resulterar i den högsta volymetriska energitätheten inom det begränsade utrymmet i konsumentelektronik. Utmärkt fyllnadsdensitet, volymetrisk energitäthet, cykelprestanda och prestanda vid höga/låga temperaturer, tillsammans med möjligheten att ytterligare öka energitätheten hos LCO genom att höja laddningsavbrottspotentialen, gör högspännings-, högtaperade LCO-material till framtidsriktningen.

III. Energilagringsbatterier

Energilagringsbatterier avser batterier som lagrar elektrisk energi genom omvandling till kemisk energi. För närvarande har marknaden för energilagringsbatterier två större tillämpningsområden: kraftlagring och hemmabaserad energilagring. Batterier för kraftlagring är i huvudsak en teknik för lagring av elektrisk energi. Tillämpningsscenarier inkluderar pumplagring, batterilagring, mekanisk lagring och tryckluftslagring, vilket kan tillämpas inom olika industriella områden. Energilagringsbatterier för hemmabruk är vanligtvis anpassade för utomhusbruk; till exempel vid strömavbrott hemma eller under camping behövs ett högkapacitivt, långlivat energilagringsbatteri för oväntade behov.

1. produktens egenskaper:

Lagring av litiumbatterier har högre krav på livslängd. Livslängden för fordon med ny energi är i allmänhet 5–8 år, medan energilagringsprojekt vanligtvis siktar på en livslängd på mer än 10 år. Den cykliska livslängden för elkraftslitiumbatterier är 1000–2000 cykler, medan litiumbatterier för energilagring i allmänhet kräver en cyklisk livslängd på mer än 5000 cykler. Detta beror på att batterier för energilagring inte prioriterar volymetrisk energitäthet och gravimetrisk energitäthet, utan snarare betonar säkerhet och kostnad. Ur ett intrinsikt materialperspektiv har litium-järn-fosfat bättre termisk stabilitet och lägre materialkostnad jämfört med ternära litiumbatterier, och dess cykliska livslängd har redan uppnått nästan 10 000 cykler, vilket gör att dess användning på den globala marknaden för energilagring blir alltmer omfattande.

2. Typ av positiv elektrod:

Det finns vissa skillnader mellan elkraftlithiumbatterier och energilagringslithiumbatterier, men ur cellens perspektiv kan båda tydligen använda litijärnfosfat (LFP)-batterier och ternära litumbatterier. I energilagringstillämpningar används dock nästan uteslutande LFP-batterier. Detta beror främst på de frekventa säkerhetsolyckorna i energilagringskraftverk. Energilagringsspecifika lithiumbatterier kräver inte hög energitäthet utan hög säkerhet, eftersom elektrokemiska energilagringssystem innehåller hundratals till tiotusentals batterier. När en brand bryter ut och sprider sig blir situationen extremt svår att hantera. Den 29 juni 2022 utfärdade National Energy Administration ett förslag till yttrande om "Tjugofem nyckelkrav för att förhindra olyckor vid elproduktion", där det fastslås att storskaliga elektrokemiska energilagringskraftverk inte ska använda ternära litumbatterier eller natrium-svavelbatterier, och inte heller återvunna elkraftbatterier. Därför är energilagringsbatterier i princip alla tillverkade av LFP.

sammanfattning:

Konsumentsbatterimarknaden har till största delen stabiliserats, med batteri-R&D främst inriktat på att uppnå högre volymenergitäthet och större kapacitet. Marknadsandelen för ledande elkraftsbatterier är till största delen etablerad, med en liten del som fortfarande byggs om. För närvarande är huvudfokus för elkraftsbatterier att förlänga räckvidden och öka laddhastigheten. Energilagringbatterier har inte heller sett några betydande nya utvecklingar, utan strävar främst efter extremt stora kapaciteter, från 280Ah till 314Ah, och nu till CATL:s och Haichens 587Ah, eller Sungrows 684Ah.