Литиево-йонни батерии

Литиево-йонните батерии се използват широко за захранване на потребителска електроника, като мобилни телефони и цифрови фотоапарати, поради високата си енергийна плътност, дългия си живот и бързото си презареждане.

Високата им производителност се дължи на катодните материали, като например литиево-кобалтов оксид, литиево-железен фосфат и никел-манган-кобалт (NMC). Освен това тези батерии обикновено имат графитни аноди.

Разходи

Литиево-йонните батерии се превърнаха в един от крайъгълните камъни на електрическата мобилност. Тяхната енергийна плътност може да осигури висока производителност в малки и леки корпуси - идеални както за потребителски устройства, така и за електрически инструменти и автомобили. Освен това по-високата им специфична енергия означава, че литиево-йонните батерии могат да осигурят по-голям капацитет на зареждане на килограм в сравнение с конкурентните технологии.

Литиево-йонните акумулаторни клетки се състоят от анод, катод и електролит. По време на циклите на разреждане литиевите атоми се отделят от електроните си в анода, след което преминават през електролита към катода, където рекомбинират с тях, за да образуват йони, които са електрически неутрализирани; при циклите на презареждане тези йони се връщат обратно през електролита към анода, за да се презаредят.

Разходите за литиево-йонни батерии намаляха драстично през последното десетилетие, но за да станат BEV конкурентни на автомобилите с двигатели с вътрешно горене и за да се постигне мащабно стационарно съхранение, ще са необходими допълнителни намаления.

Днешната технология за литиево-йонни батерии е над два пъти по-рентабилна от предишните поколения, като цените са спаднали с повече от 80% от началото на 90-те години на миналия век благодарение на методите за масово производство и технологичните иновации.

С течение на времето разходите за литиево-йонни батерии са намалели значително, но по-нататъшното им намаляване ще бъде от решаващо значение за широкото им използване за различни цели. Евелина Стойку от BloombergNEF наскоро проведе проучване, в което се разглежда как разходите за компоненти и суровини за литиеви батерии са намалели благодарение на разширените производствени възможности във веригите за доставки, както и на иновациите в материалите, дизайна на опаковките и производството на клетки като ключови фактори за тази тенденция.

Моделният подход на доклада "отдолу нагоре" отразява разходите за всеки компонент на производството на литиево-йонни батерии, което позволява да се сравняват различни проекти на клетки и производствени процеси. Той включва фактори като цените на суровините, технологичните изисквания към крайните продукти и търсенето на ресурси в производствените процеси, за да се идентифицират факторите, които могат да позволят по-нататъшно намаляване на разходите. Надяваме се, че този анализ ще разкрие потенциалните фактори за разходите и ще доведе до по-голямо намаляване на разходите за производство на литиево-йонни батерии.

Капацитет

Литиево-йонните батерии се превърнаха в основен източник на енергия за потребителската електроника в съвременния живот, както и за електрическите превозни средства и системите за съхранение на енергия, което създава нови предизвикателства за производителите на батерии. Един от ключовите фактори за ефективността на литиево-йонните батерии е техният капацитет. За да изчислите капацитета на една клетка, ще ви е необходима информация като нейния тип, напрежение и история на циклите на зареждане; за да умножите номиналното ѝ напрежение с номиналния ѝ ток на разреждане, за да получите амперчасове (Ah).

Литиево-йонните батерии обикновено се състоят от два електрода: анод, който освобождава електрони, и положителен електрод или катод, където електроните се връщат. Литиевите йони се движат между тези електроди чрез електролитен разтвор; литиевите йони в катодния материал имат по-голям химически афинитет да съхраняват лесно електрони, отколкото в анодния си аналог - това прави литиево-йонните батерии особено ефективни.

Литиево-йонните батерии се състоят от анод, съставен от графит или друг материал на въглеродна основа с добавен силиций за увеличаване на капацитета, и катод, образуван от литиево-манганов шпинел - необичайна минерална структура, способна да съхранява литиеви йони в своите слоеве. Първата презареждаща се литиево-йонна батерия е разработена от М. Стенли Уитингъм през 70-те години на ХХ в., като за катоден материал е използван титанов дисулфид с аноди от литиево-алуминиев оксид; след това Джон Гуденоф я усъвършенства, като вместо нея използва катоди от никел-кобалтова сплав.

Commodity Insights изчислява, че световното търсене на литиево-йонни батерии нараства бързо, като се очаква до 2030 г. световният производствен капацитет да достигне 6,5 TWh. За съжаление суровините, необходими за литиево-йонните батерии, остават ограничени; дългите срокове за одобрение и изграждане на нови минни проекти могат да доведат до недостиг на ключови компоненти за батерии до 2025 г.

Безопасност

Литиево-йонните батерии захранват много преносима потребителска електроника и електрически превозни средства, но когато се повредят, могат да предизвикат пожар. Когато се зареждат твърде бързо или се прегряват, литиевите йони в тях могат да започнат да се движат и да предизвикат термично бягство, което води до пожар в самата батерия - известно като термично бягство. Литиево-йонните пожари могат да бъдат трудни за гасене; пожарогасителите на водна основа могат да осигурят временен охлаждащ ефект, но не могат да изгасят напълно източника на енергия, докато енергията му не се разсее; съществуват специални литиево-йонни гел-гасители, но те все още не са станали популярни; за максимална ефективност е наложително при зареждането им да се използват само одобрени литиево-йонни продукти!

Литиево-йонните батерии изискват по-строги изпитвания поради по-високата си енергийна плътност в сравнение с по-старите оловни или никелови батерии, поради плътното сглобяване на клетките, изисквано от по-високата им плътност, и потенциалните рискове от попадане на метален прах през пролуките между разделителите и късо съединение на клетките - нещо, което макар и рядко, може да се случи.

Механичната злоупотреба с акумулаторите също може да доведе до тяхното разрушаване. Пробиването на пирон в батерия 18650 в нейната торбичка може да не доведе до незабавна повреда на клетките, но може да повреди сепаратора и активните материали, което може да доведе до изтичане на клетките. За оптимална безопасност на батерията най-добрата практика е да зареждате 18650 върху твърда повърхност като бетон или метал, а не в близост до източници на запалване, като например пожароопасни места, а големите батерии, като тези в електронните велосипеди или скутери, да се зареждат в идеалния случай в гараж или навес, а не в жилищни помещения в близост до изходи или в дневната или в близост до изходи.

Ако батерията е гореща при допир, губи формата си или излъчва странна миризма, тя трябва да се изхвърли незабавно. Батериите и съдържащите ги устройства не трябва да се поставят в обикновените кофи за боклук, тъй като могат да се запалят по време на транспортирането или изхвърлянето им на сметищата или в центровете за рециклиране. NFPA предлага набор от инструменти за кампанията, за да помогне на лидерите на общности да информират своите жители за значението на безопасното управление на литиево-йонни батерии чрез изображения, видеоклипове и информационни листове, които те могат да споделят с медиите в своя район.

Въздействие върху околната среда

Литиево-йонните батерии са от съществено значение за нашето нисковъглеродно бъдеще, тъй като предлагат съхранение на енергия за електрически превозни средства и производство на електроенергия от възобновяеми източници. За съжаление, при производството им се отделят значителни емисии на парникови газове, както и се използва значително количество енергия от изкопаеми горива за извличане на суровини за производството на клетки, модули и батерии. Всичко това трябва да бъде взето предвид.

Производствените процеси често водят до образуването на опасни отпадъци, които представляват риск за човешкото здраве и околната среда и изискват подходящи процедури за съхранение, транспортиране и изхвърляне.

Разбирането на пълното въздействие на операциите с батерии е от решаващо значение за осигуряване на съответствие с местните и федералните разпоредби, като същевременно се намаляват рисковете от дейността ви; стъпките могат да включват въвеждане на подходящи протоколи за безопасност, обучение на персонала за процесите на изхвърляне на батерии и надзор на процесите на изхвърляне на батерии.

Литиево-йонните батерии оказват неблагоприятно въздействие върху околната среда при неправилно боравене или съхранение. Литиево-йонните батерии са силно запалими, способни да експлодират или да се запалят, с тесни прозорци на стабилност и чувствителни химични свойства, което ги прави податливи на термично бягство или бързо повишаване на температурата на клетките, последвано от изпускане и пожар - тези инциденти са в състояние да повредят близките структури, като същевременно оставят трайни последици за околната среда.

За да се предотврати разпространението на пожари на литиево-йонни батерии в околните райони, е от решаващо значение специализираното звено да управлява ефективно рисковете от тях. Такива устройства са проектирани така, че да ги задържат безопасно в рамките на помещенията си, като същевременно извличат опасните газове, дим и пепел отвътре, както и да спират разпространението на пламъците в по-широк район чрез вътрешните канали на корпусите си.

Отбелязването на постепенното влошаване на капацитета на литиево-йонните батерии с течение на времето е от съществено значение поради няколко фактора, като температура и състояние на заряда на батерията. Високите температури могат да причинят омекване на структурните материали и образуване на газ, което води до повреди на най-слабите части. Презареждането и прекомерното разреждане също ускоряват загубата на капацитет.