Повний посібник з літій-іонних акумуляторів: застосування в енергетиці, побутових пристроях та системах зберігання енергії

Літій-іонні акумулятори можна поділити на малі побутові літієві батареї (3C), потужні літій-іонні акумулятори та великі акумулятори для зберігання енергії залежно від їх застосування.

I. Силовий акумулятор

Силові акумулятори — це акумулятори, які забезпечують живлення пристроїв, і на даний момент представляють швидко розвиваючуся галузь застосування літій-іонних акумуляторів. Вони широко використовуються в транспортних засобах із альтернативними джерелами енергії, електроінструментах, електровелосипедах тощо. Силові акумулятори також є різновидом акумуляторів для зберігання енергії, насамперед використовуються в електромобілях. Через обмеження щодо розміру та ваги автомобілів, а також вимоги до прискорення, силові акумулятори мають вищі експлуатаційні вимоги порівняно зі звичайними акумуляторами для зберігання енергії. До таких вимог належать вища густина енергії, швидше заряджання та більші струми розряду, тоді як звичайні акумулятори для зберігання енергії не мають таких жорстких вимог.

1. Особливості продукту:

Для потужнісних літій-іонних акумуляторів потрібно враховувати швидкість зарядки, запас ходу, надійність і узгодженість параметрів з огляду на тривалі вимоги (щонайменше 5–10 років). Щільність енергії: акумуляторний блок становить приблизно 25% ваги автомобіля, і зміни ваги акумулятора безпосередньо впливають на енергоспоживання транспортного засобу. При однаковому обсязі заряду акумуляторна батарея з вищою щільністю енергії забезпечує більший запас ходу. Швидкість зарядки: швидкість зарядки також є важливим показником для сучасних потужнісних акумуляторів. Основні виробники акумуляторів зараз проектують швидкості зарядки в діапазоні від 4C до 6C або навіть вище, щоб скоротити час очікування користувача. Безпека та узгодженість: акумуляторні блоки електромобілів використовують велику кількість акумуляторів, з'єднаних послідовно та паралельно. Ідеально ймовірність виходу з ладу потужнісного акумулятора (безпека, зберігання, термін циклічного життя тощо) має бути меншою за одну на сто мільйонів. Якщо ця ймовірність залишається стабільно низькою, акумулятор схильний до перезарядки та повного розряду під час експлуатації, що потенційно може призвести до проблем із безпекою.

2. Тип позитивного електрода:

На даний момент основними типами акумуляторів на ринку є акумулятори з трьохкомпонентним літієм, акумулятори LiFePO4 та акумулятори LiMn2O4. Загалом, щодо сумісності потужних акумуляторів, ринок домінують акумулятори з трьохкомпонентним літієм та акумулятори LiFePO4. Звичайно, іншим катодним матеріалом, на який варто звернути увагу в галузі потужних акумуляторів, є NCA (нікель-кобальт-алюміній) (8:1,5:0,5), який має високу енергію на одну комірку, але також дуже високий бар'єр входження.

II. Побутові акумулятори

Споживчі акумулятори є ще однією важливою сферою застосування літій-іонних акумуляторів. Споживчі літій-іонні акумулятори використовуються переважно у продуктах електроніки, таких як мобільні телефони, ноутбуки, цифрові фотоапарати, цифрові відеокамери, павербанки та електричні іграшки — так звані «вироби 3C», — для літій-іонних елементів та модулів. Їх переважно поділяють на циліндричні, призматичні та полімерні (pouch) акумулятори. Циліндричні літій-іонні акумулятори мають більший діаметр, що обмежує товщину кінцевих споживчих електронних пристроїв; призматичні літій-іонні акумулятори мають відносно фіксований дизайн і важко піддаються зменшенню товщини. Тому жоден із цих двох типів літій-іонних акумуляторів не може задовольнити вимоги деяких споживчих електронних пристроїв щодо тонких, легких і акумуляторів змінного розміру. Полімерні (pouch) літій-іонні акумулятори використовують алюмінієво-пластикову плівку як корпус, що робить їх легкими, безпечними, забезпечує більш гнучкі варіанти конструкції та вищу енергетичну щільність, що робить їх більш придатними для вимог споживчої електроніки щодо тонких, легких, змінних за розміром та безпечних акумуляторів. Тому полімерні (pouch) літій-іонні акумулятори наразі є найпоширенішим типом споживчих літій-іонних акумуляторів. Індустрія споживчих акумуляторів досягла зрілості, і загальний попит є відносно стабільним.

1. Особливості продукту:

Літій-іонні акумулятори для побутового використання мають порівняно менш суворі умови експлуатації та не вимагають тривалої надійності. Зазвичай їх використовують окремо, без парування з іншими акумуляторами, тому вимоги до узгодженості не є дуже високими. Однак через обмежені розміри та цінність простору в побутових пристроях, таких як мобільні телефони та планшети, до літій-іонних акумуляторів ставляться суворі вимоги щодо розмірів, ємності та густини енергії. Високопродуктивні побутові акумулятори використовують найсучасніші технології та матеріали, тоді як силові акумулятори вимагають більш досконалого контролю процесів, узгодженості та управління якістю. Вимоги до терміну циклічного життя побутових пристроїв не такі великі, як у разі силових акумуляторів та систем зберігання енергії. Наприклад, після 2–3 років використання ми помічаємо, що ємність акумулятора мобільного телефону знизилася до 80%, головним чином тому, що більшість телефонів заряджають один або два рази на добу. Це означає, що ємність телефону опускається нижче 80% менш ніж за 3 роки, після чого потрібно замінити акумулятор або сам телефон.

2. Тип позитивного електрода:

Літій-кобальтовий оксид (LCO) досі домінує на ринку споживчих акумуляторів. Хоча тернарний NCM (нелітієвий кобальтовий оксид) пропонує високу питому ємність, він не може легко замінити LCO через виділення газу при високих напругах. Хоча катодні матеріали LCO мають недоліки, такі як висока вартість (через дорогий кобальт), погана циклічна стійкість і низька безпека, їхня висока насипна густина та висока робоча напруга все ще дають їм перевагу у надтонких електронних продуктах. Попит залишається стабільним у смартфонах, ноутбуках і планшетах середнього та високого класу. Крім того, збільшення ємності акумуляторів у смартфонах з підтримкою 5G та поява нових споживчих електронних пристроїв, таких як дрони, TWS-навушники та електронні сигарети, стимулюють ринковий попит на катодні матеріали LCO. LCO має найвищу насипну густину, що забезпечує найвищу об'ємну енергетичну щільність у обмеженому об’ємі споживчої електроніки. Відмінна насипна густина, об'ємна енергетична щільність, циклічна та високотемпературна/низькотемпературна продуктивність, а також можливість подальшого підвищення енергетичної щільності LCO шляхом збільшення потенціалу відсікання заряду роблять матеріали LCO з високою напругою та високим ступенем ущільнення перспективним напрямком розвитку.

III. Акумулятори для зберігання енергії

Акумулятори для зберігання енергії — це батареї, які накопичують електричну енергію, перетворюючи її на хімічну. На даний момент ринок акумуляторів для зберігання енергії має дві основні сфери застосування: накопичення потужності та побутове зберігання енергії. Акумулятори для зберігання потужності є по суті технологією зберігання електроенергії. Сценарії застосування включають гідроакумуляційні станції, акумуляторні системи зберігання, механічне зберігання та зберігання стисненого повітря, які можуть використовуватися в різних промислових галузях. Батареї для побутового зберігання енергії зазвичай призначені для використання на відкритому повітрі; наприклад, під час відключення електропостачання вдома або під час кемпінгу потрібен акумулятор великої ємності з тривалим терміном роботи для непередбачених потреб.

1. Особливості продукту:

Літієві батареї для зберігання енергії мають вищі вимоги до терміну служби. Термін експлуатації електромобілів загалом становить 5–8 років, тоді як проекти зберігання енергії, як правило, розраховані на термін більше 10 років. Кількість циклів заряду-розряду потужних літієвих акумуляторів — 1000–2000 циклів, тоді як літієві акумулятори для систем зберігання енергії зазвичай потребують більше 5000 циклів. Це пов’язано з тим, що для акумуляторів зберігання енергії об’ємна та масова енергетична ємність не є пріоритетом, натомість важливішими є безпека та вартість. З точки зору внутрішніх властивостей матеріалів, фосфат заліза-літію має кращу теплову стабільність і нижчу вартість матеріалу порівняно з трійними літієвими акумуляторами, а його термін циклування вже наближається до 10 000 циклів, тому його застосування на глобальному ринку систем зберігання енергії стає все більш поширеним.

2. Тип позитивного електрода:

Існують певні відмінності між потужними літій-іонними батареями та літій-іонними батареями для зберігання енергії, але з точки зору самого елемента акумулятора, обидва типи можуть, здавалося б, використовувати батареї на основі фосфату заліза та літію (LFP) і тритарні літієві батареї. Однак у застосунках для зберігання енергії практично виключно використовуються батареї LFP. Це пояснюється переважно численними випадками аварій із пожежами на станціях зберігання енергії. Літій-іонні батареї, призначені спеціально для зберігання енергії, не потребують високої щільності енергії, але мають бути дуже безпечними, адже електрохімічні системи зберігання енергії містять сотні або навіть десятки тисяч окремих акумуляторів. Якщо виникне пожежа і вона пошириться, ситуація стане надзвичайно важкою для контролю. 29 червня 2022 року Національна енергетична адміністрація Китаю оприлюднила проект документа «Двадцять п’ять основних вимог щодо запобігання аваріям на електростанціях», у якому зазначено, що великі електрохімічні станції зберігання енергії не повинні використовувати тритарні літій-іонні батареї чи натрій-сірчані батареї, а також заборонено використовувати відновлені потужні акумулятори. Тому практично всі батареї для зберігання енергії виготовляються на основі LFP.

резюме:

Ринок побутових акумуляторів у значній мірі стабілізувався, і дослідження та розробки акумуляторів переважно зосереджені на досягненні більшої об'ємної енергетичної ємності та більшої місткості. Домінуючі частки ринку акумуляторів для електромобілів вже встановлені, хоча невелика частина все ще перебудовується. Наразі основна увага в акумуляторах для електромобілів зосереджена на збільшенні запасу ходу та прискоренні зарядки. На ринку акумуляторів для систем зберігання енергії також не відбулося жодних значущих нових розробок, головною метою залишається досягнення надзвичайно великих ємностей — від 280 А·год до 314 А·год, а тепер вже й 587 А·год від CATL та Haichen або навіть 684 А·год від Sungrow.