Lityum-İyon Bataryalar Kullanım Rehberi: Güç, Tüketici ve Enerji Depolama Uygulamaları

Lityum-iyon bataryalar, kullanım alanlarına göre küçük tüketici lityum bataryaları (3C), güç lityum-iyon bataryaları ve büyük ölçekli enerji depolama bataryaları olmak üzere üçe ayrılabilir.

I. Güç Pili

Güç pilleri, güç cihazlarına enerji sağlayan pillerdir ve şu anda lityum-iyon pillerin hızla büyüyen bir uygulama alanını temsil etmektedir. Yeni enerji taşıtlarında, elektrikli el aletlerinde, elektrikli bisikletlerde ve daha birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Güç pilleri aynı zamanda bir tür enerji depolama pili olup özellikle elektrikli araçlarda kullanılmaktadır. Taşıtların boyut ve ağırlık sınırlamaları ile ivmelenme gereksinimleri nedeniyle güç pillerinin, sıradan enerji depolama pillerine kıyasla daha yüksek performans gereksinimleri vardır. Bu gereksinimler arasında daha yüksek enerji yoğunluğu, daha hızlı şarj hızları ve daha büyük deşarj akımları yer alır. Oysa sıradan enerji depolama pillerinin böyle katı gereksinimleri yoktur.

1. Birinci sınıf. Ürün Özellikleri:

Güç tipi lityum-iyon piller için şarj hızı, sürüş menzili, güvenilirlik ve tutarlılık açısından daha fazla dikkat edilmesi gerekir çünkü bu gereksinimler uzun vadeli (en az 5-10 yıl) olarak değerlendirilmelidir. Enerji yoğunluğu: Pil paketi bir aracın ağırlığının yaklaşık %25'ini oluşturur ve pil ağırlığındaki değişimler doğrudan aracın enerji tüketimini etkiler. Aynı miktarda şarj için, daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip bir pil paketi daha uzun sürüş menzili sağlar. Şarj hızı: Şarj hızı, mevcut güç pilleri için yine kritik bir gösterge niteliğindedir. Büyük pil üreticileri, kullanıcıların bekleme süresini azaltmak amacıyla şu anda 4C ile 6C arasında veya daha yüksek şarj oranları tasarlamaktadır. Güvenlik ve tutarlılık: Güç araçlarının pil paketleri seri ve paralel bağlanmış çok sayıda pilden oluşur. İdeal olarak, bir güç pilinin arızalanma olasılığı (güvenlik, depolama, çevrim ömrü vb.) yüz milyonda birden düşük olmalıdır. Bu olasılık sürekli düşük kalırsa, pil kullanım sırasında aşırı şarj ve aşırı deşarj eğilimi gösterebilir ve bunun sonucunda güvenlik sorunlarına yol açabilir.

2. Pozitif elektrot tipi:

Şu anda piyasadaki ana güç bataryası türleri nikel-kobalt-alüminyum (NCA) (8:1,5:0,5) olarak yüksek enerji yoğunluğuna sahip ancak giriş engeli oldukça yüksek olan üçlü lityum bataryaları, LiFePO4 bataryaları ve LiMn2O4 bataryalarını içerir. Genel olarak güç bataryası uyumluluğu açısından, üçlü lityum bataryaları ve LiFePO4 bataryaları piyasada hakim konumdadır. Elbette güç bataryası alanında dikkat edilmesi gereken bir diğer katot malzemesi de NCA'dır.

Ii. Tüketici Bataryaları

Tüketici pilleri, lityum-iyon pillerin önemli bir başka kullanım alanıdır. Tüketici lityum-iyon pilleri özellikle cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar, dijital kameralar, dijital video kameraları, şarj cihazları ve elektrikli oyuncaklar gibi tüketici elektroniği ürünlerinde (özellikle lityum pil hücreleri ve modülleri için) kullanılan, sözde "3C ürünleri" olarak adlandırılan ürünlere yöneliktir. Bu piller genellikle silindirik, prizmatik ve dalgıç (pouch) piller olmak üzere üç kategoriye ayrılır. Silindirik lityum pillerin daha büyük bir çapı olduğu için son kullanıcı elektronik ürünlerinin kalınlığını sınırlar; prizmatik lityum pillerin ise nispeten sabit bir dış görünüm tasarımı vardır ve ince hale getirmek zordur. Bu yüzden bu iki lityum pil türü de ince, hafif ve değişken boyutlu pillere ihtiyaç duyan bazı tüketici elektroniği ürünlerinin gereksinimlerini karşılayamaz. Polimer dalgıç lityum piller al-plastik filmi muhafaza olarak kullandıklarından hafif, güvenli olmalarının yanı sıra daha esnek tasarım seçenekleri ve daha yüksek enerji yoğunluğu sunarlar ve bu da onları tüketici elektroniği ürünlerinin ince, hafif, değişken boyutlu ve güvenli pillere olan gereksinimleri için daha uygun hâle getirir. Bu yüzden polimer dalgıç lityum piller şu anda en yaygın kullanılan tüketici lityum pili türüdür. Tüketici pili sektörü olgunlaşmıştır ve genel talep nispeten kararlıdır.

1. Birinci sınıf. Ürün Özellikleri:

Tüketici литyum-iyon pillerinin kullanımı için nispeten daha az katı koşullar vardır ve uzun vadeli güvenilirlik gerektirmezler. Genellikle tek başlarına kullanılırlar ve diğer pillerle eşleştirilmeleri gerekmez, bu yüzden tutarlılık gereksinimleri çok yüksek değildir. Ancak akıllı telefonlar ve tabletler gibi tüketici ürünlerinde sınırlı alan ve bu alanın değerli olması nedeniyle, tüketici литyum-iyon pillerinin boyut, kapasite ve enerji yoğunluğu açısından katı gereksinimleri vardır. Yüksek uç tüketici pilleri en gelişmiş teknolojileri ve malzemeleri kullanırken, güç pilleri daha gelişmiş süreç kontrolü, tutarlılık kontrolü ve kalite yönetimi gerektirir. Tüketici ürünlerinin döngü ömrü gereksinimleri güç pilleri ve enerji depolama sistemlerindeki kadar uzun değildir. Örneğin, 2-3 yıl kullanımın ardından bir akıllı telefonun pil kapasitesinin %80'e düştüğünü fark ederiz; bunun nedeni çoğu telefonun günde bir veya iki kez şarj edilmesidir. Bu, telefonun kapasitesinin 3 yıldan kısa bir sürede %80'in altına düşmesi anlamına gelir ve bu noktada ya pil ya da telefonun değiştirilmesi gerekir.

2. Pozitif elektrot tipi:

Lityum kobalt oksit (LCO), hâlâ tüketici pili piyasasında hakim durumdadır. Üçlü NCM (Lityum Dışı Kobalt Oksit) yüksek özgül kapasite sunsa da, yüksek gerilimlerde gaz üretmesi nedeniyle LCO'nun yerini kolayca alamamaktadır. LCO katot malzemeleri, pahalı kobalt nedeniyle maliyetinin yüksek olması, zayıf çevrim performansı ve güvenlik sorunları gibi dezavantajlara sahip olsa da, yüksek sıkıştırma yoğunluğu ve yüksek çalışma voltajı sayesinde ultra ince elektronik ürünlerde bir avantaj sağlamaktadır. Orta ve üst düzey akıllı telefonlarda, dizüstü bilgisayarlarda ve tabletlerde talep istikrarlı kalmaktadır. Ayrıca, 5G telefonların pil kapasitelerinin artması ve insansız hava araçları, TWS kulaklıklar ve e-sigaralar gibi yeni tüketici elektroniği ürünlerinin ortaya çıkışı, LCO katot malzemeleri için piyasa talebini artırıcı etkenlerdir. LCO, en yüksek sıkıştırma yoğunluğuna sahip olup sınırlı hacme sahip tüketici elektroniğinde en yüksek hacimsel enerji yoğunluğunu sağlar. Mükemmel sıkıştırma yoğunluğu, hacimsel enerji yoğunluğu, çevrim performansı ve yüksek/düşük sıcaklık performansının yanı sıra şarj kesme potansiyelinin yükseltilmesiyle LCO'nun enerji yoğunluğunun daha da artırılabilmesi, yüksek gerilimli, yüksek sıkıştırma yoğunluklu LCO malzemelerini geleceğin yönü haline getirmektedir.

III. Enerji Depolama Bataryaları

Enerji depolama bataryaları, elektrik enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürerek depolayan bataryaları ifade eder. Şu anda enerji depolama bataryası pazarının iki ana uygulama alanı bulunmaktadır: güç depolama ve konut enerji deposu. Güç depolama bataryaları temelde elektrik enerjisinin depolanması teknolojisidir. Uygulama senaryolarına pompalı hidrolik depolama, batarya depolama, mekanik depolama ve sıkıştırılmış hava depolama dahildir ve çeşitli endüstriyel alanlara uygulanabilir. Konut enerji depolama bataryaları genellikle açık alanda kullanım amaçlıdır; örneğin evde elektrik kesintisi olduğunda ya da kamp yaparken beklenmedik durumlar için yüksek kapasiteli, uzun ömürlü bir enerji depolama bataryasına ihtiyaç duyulur.

1. Birinci sınıf. Ürün Özellikleri:

Enerji depolama lityum pilleri, ömür açısından daha yüksek gereksinimlere sahiptir. Yeni enerji taşıtlarının ömrü genellikle 5-8 yıldır, ancak enerji depolama projeleri tipik olarak 10 yıldan fazla ömre hedefler. Güç lityum pillerinin döngü ömrü 1000-2000 döngüdür, enerji depolama lityum pilleri ise genellikle 5000 döngüden fazla döngü ömrü gerektirir. Bunun nedeni, enerji depolama pillerinin hacimsel enerji yoğunluğu ve gravimetrik enerji yoğunluğunu önceliklendirmemesi, bunun yerine güvenliği ve maliyeti vurgulamasıdır. İçsel malzeme özellikleri açısından bakıldığında, lityum dem fosfat, üçlü lityum pillerine göre daha iyi termal kararlılığa ve daha düşük malzeme maliyetine sahiptir ve döngü ömrü zaten yaklaşık 10.000 döngüye ulaşmıştır. Bu nedenle, küresel enerji depolama pazarında uygulaması giderek daha yaygın hale gelmektedir.

2. Pozitif elektrot tipi:

Güç lityum pilleri ile enerji depolama lityum pilleri arasında bazı farklar vardır ancak hücrenin kendisine bakıldığında her ikisi için de görünüşte lityum demir fosfat (LFP) piller ve üçlü lityum piller kullanılabilir. Ancak enerji depolama uygulamalarında neredeyse exclusively LFP piller kullanılır. Bunun ana nedeni enerji depolama santrallerinde sıkça meydana gelen güvenlik kazalarıdır. Enerji depolamaya özel lityum piller yüksek enerji yoğunluğu gerektirmez ancak yüksek güvenlik gerektirir çünkü elektrokimyasal enerji depolama sistemleri yüzlerce ila on binlere varan sayıda pil içerir. Bir yangın çıktığında ve yayıldığında durum çok zor hâle gelir. 29 Haziran 2022'de Ulusal Enerji İdaresi, "Elektrik Üretim Kazalarını Önlemenin Yirmi Beş Temel Gereği"ne ilişkin bir taslak görüş yayınladı ve bu taslakta büyük ölçekli elektrokimyasal enerji depolama santrallerinin üçlü lityum pili veya sodyum-kükürt pili kullanmaması ve geri dönüştürülmüş güç pilleri kullanmaması gerektiğini belirtti. Bu yüzden enerji depolama pilleri temel olarak tamamen LFP'den üretilir.

özet:

Tüketici pil pazarı büyük ölçüde istikrar kazanmış durumda ve pil araştırmaları ve geliştirmeleri çoğunlukla daha yüksek hacimsel enerji yoğunluğu ve daha büyük kapasite elde etmeye odaklanmaktadır. Lider güç pillerinin pazar payları büyük ölçüde belirlenmiş durumda olup, küçük bir kısım hâlâ yeniden inşa edilmektedir. Şu anda güç pilleri için ana odak noktası sürüş menzilini uzatmak ve şarj hızını artırmaktır. Enerji depolama pillerinde de herhangi dikkate değer yeni bir gelişme yaşanmamıştır ve çoğunlukla 280Ah'den 314Ah'e ve şimdi de CATL ile Haichen'in 587Ah'lik veya Sungrow'un 684Ah'lik pillerine kadar çok büyük kapasitelerin peşinde gidilmektedir.