Baterii litiu-ion

Bateriile litiu-ion sunt utilizate pe scară largă pentru alimentarea electronicelor de larg consum, cum ar fi telefoanele mobile și camerele digitale, datorită densității ridicate de energie și putere, duratei de viață lungi și reîncărcării rapide.

Performanța lor ridicată constă în materialele catodice, cum ar fi oxidul de litiu-cobalt, fosfatul de litiu-fier și nichel-mangan-cobalt (NMC). În plus, aceste baterii au de obicei anozi din grafit.

Costuri

Bateriile litiu-ion au devenit una dintre pietrele de temelie ale mobilității electrice. Densitatea lor energetică poate oferi performanțe ridicate în ambalaje mici și ușoare - ideale pentru dispozitive de larg consum, unelte electrice și vehicule electrice deopotrivă. În plus, energia lor specifică mai mare înseamnă că litiul-ion poate oferi o capacitate de încărcare mai mare per kilogram decât tehnologiile concurente.

Bateriile litiu-ion constau dintr-un anod, un catod și un electrolit. În timpul ciclurilor de descărcare, atomii de litiu sunt separați de electronii lor la anod înainte de a călători prin electrolit până la catod, unde se recombină cu aceștia pentru a forma ioni care sunt neutralizați electric; la ciclurile de reîncărcare, acești ioni călătoresc înapoi prin electrolit până la anod pentru reîncărcare.

Costurile bateriilor litiu-ion au scăzut drastic în ultimul deceniu, dar vor fi necesare reduceri suplimentare pentru ca BEV-urile să devină competitive în raport cu vehiculele cu motor cu combustie internă, iar stocarea staționară să ajungă la scară largă.

Tehnologia actuală a bateriilor litiu-ion este de două ori mai rentabilă decât generațiile anterioare, prețurile scăzând cu mai mult de 80% de la începutul anilor 1990 datorită metodelor de producție în masă și inovațiilor tehnologice.

Costurile bateriilor litiu-ion au scăzut considerabil de-a lungul timpului, însă reduceri suplimentare vor fi esențiale pentru adoptarea lor pe scară largă pentru diferite utilizări. Evelina Stoikou de la BloombergNEF a realizat recent o cercetare care examinează modul în care costurile componentelor și materiilor prime pentru bateriile cu litiu au scăzut datorită capacităților de producție extinse de-a lungul lanțurilor de aprovizionare, precum și a inovațiilor în materie de materiale, modele de pachete și fabricare a celulelor ca factori-cheie care determină această tendință.

Abordarea de modelare ascendentă a raportului reflectă costul fiecărei componente a producției de baterii litiu-ion, permițând comparații între diferite modele de celule și procese de producție. Aceasta încorporează factori precum prețurile materiilor prime, cerințele tehnologice ale produselor finite și cererea de resurse în procesele de producție pentru a identifica factorii generatori de costuri care ar putea permite reduceri suplimentare. Se speră că această analiză va descoperi potențiali factori generatori de costuri și va conduce la o reducere mai mare a costurilor de producție a bateriilor litiu-ion.

Capacitate

Bateriile litiu-ion au devenit sursa principală de energie pentru electronicele de consum din viața modernă, precum și pentru vehiculele electrice și sistemele de stocare a energiei, creând noi provocări pentru producătorii de baterii. O cheie a performanței bateriilor litiu-ion constă în capacitatea acestora. Pentru a calcula capacitatea unei celule, veți avea nevoie de informații precum tipul acesteia, tensiunea și istoricul ciclurilor de încărcare; pentru a înmulți tensiunea nominală cu curentul nominal de descărcare pentru a obține amperi-oră (Ah).

Bateriile litiu-ion constau, de obicei, din doi electrozi: un anod care eliberează electroni și un electrod pozitiv, sau catod, unde se întorc electronii. Ionii de litiu se deplasează între acești electrozi printr-o soluție electrolitică; ionii de litiu din materialul catodic au o afinitate chimică mai mare pentru a stoca electronii mai ușor decât în materialul anodic - acest lucru face ca bateriile litiu-ion să fie deosebit de eficiente.

Bateriile litiu-ion constau dintr-un anod compus din grafit sau alt material pe bază de carbon, cu adaos de siliciu pentru a crește capacitatea, și un catod format din spinel de litiu-mangan, o structură minerală neobișnuită capabilă să stocheze ioni de litiu în straturile sale. Prima baterie litiu-ion reîncărcabilă a fost dezvoltată de M. Stanley Whittingham în anii 1970, folosind disulfură de titan ca material catodic cu anozi de oxid de litiu-aluminiu; John Goodenough a îmbunătățit-o apoi folosind în schimb catozi din aliaj de nichel-cobalt.

Commodity Insights estimează că cererea globală de baterii litiu-ion crește rapid, capacitatea globală de producție fiind estimată să ajungă la 6,5 TWh până în 2030. Din păcate, materiile prime necesare pentru bateriile litiu-ion rămân limitate; termenele lungi de aprobare și construcție pentru noile proiecte miniere ar putea cauza penurii de componente cheie ale bateriilor până în 2025.

Siguranța

Bateriile litiu-ion alimentează multe aparate electronice portabile și vehicule electrice, dar atunci când acestea cedează pot provoca incendii. Atunci când sunt încărcați prea repede sau supraîncălziți, ionii de litiu din interior pot începe să se miște și să provoace un efect de fugă termică, ceea ce duce la incendiul bateriei în sine - cunoscut sub denumirea de fugă termică. Incendiile litiu-ion pot fi dificil de stins; extinctoarele pe bază de apă pot oferi efecte temporare de răcire, dar nu pot stinge complet sursa de energie până când energia acesteia se disipează; există extinctoare speciale litiu-ion gel, dar acestea nu au devenit încă populare; pentru o eficiență maximă, este imperativ să folosiți numai produse litiu-ion aprobate atunci când le încărcați!

Bateriile litiu-ion necesită teste mai riguroase din cauza densității lor energetice mai mari decât bateriile mai vechi cu plumb sau nichel, din cauza asamblării strânse a celulelor necesare datorită densității lor mai mari și a riscurilor potențiale de pătrundere a prafului metalic prin golurile dintre separatori și scurtcircuitarea celulelor - un lucru care, deși rar, se poate întâmpla.

Abuzul mecanic asupra bateriilor poate duce, de asemenea, la dispariția acestora. Un cui care penetrează o baterie 18650 în interiorul husei sale poate să nu ducă imediat la defectarea celulei, dar poate deteriora atât separatorul, cât și materialele active, ceea ce poate duce la scurgeri ale celulei. Pentru o siguranță optimă a bateriei, cea mai bună practică este încărcarea bateriei 18650 pe o suprafață dură, cum ar fi betonul sau metalul, mai degrabă decât în apropierea oricăror surse de aprindere, cum ar fi pericolele de incendiu, în timp ce încărcarea bateriilor mari, cum ar fi cele găsite în e-bikes sau scutere, se face în mod ideal în garaj sau în magazie, spre deosebire de spațiile de locuit, în apropierea ieșirilor sau a camerelor de locuit sau în apropierea ieșirilor este cea mai bună practică.

Dacă o baterie este fierbinte la atingere, își pierde forma sau emană un miros ciudat, aceasta trebuie aruncată imediat. Bateriile și dispozitivele care le conțin nu trebuie niciodată aruncate în coșurile de gunoi obișnuite, deoarece pot lua foc în timpul transportului sau eliminării la depozitele de deșeuri sau centrele de reciclare. NFPA oferă un set de instrumente de campanie pentru a ajuta liderii comunităților să își educe locuitorii cu privire la importanța gestionării sigure a bateriilor litiu-ion prin imagini, videoclipuri și fișe informative pe care le pot împărtăși cu mass-media din zona lor.

Impactul asupra mediului

Bateriile litiu-ion sunt esențiale pentru viitorul nostru cu emisii reduse de carbon, oferind stocare de energie pentru vehiculele electrice și generarea de energie electrică din surse regenerabile. Din păcate, producția lor generează emisii semnificative de gaze cu efect de seră, precum și utilizarea unei cantități semnificative de energie din combustibili fosili pentru extragerea materiilor prime necesare fabricării celulelor, modulelor și pachetelor de baterii. Toate acestea trebuie să fie luate în considerare.

Procesele de fabricație produc adesea deșeuri periculoase care prezintă riscuri pentru sănătatea umană și pentru mediu, necesitând proceduri adecvate de depozitare, transport și eliminare.

Înțelegerea impactului complet al operațiunilor dumneavoastră cu baterii este esențială pentru a asigura conformitatea cu reglementările locale și federale, reducând în același timp riscurile aferente activităților dumneavoastră; măsurile pot include instituirea unor protocoale de siguranță adecvate, instruirea membrilor personalului cu privire la procesele de eliminare a bateriilor și supravegherea proceselor de eliminare a bateriilor.

Bateriile litiu-ion au un impact negativ asupra mediului atunci când sunt manipulate sau depozitate necorespunzător. Bateriile litiu-ion sunt extrem de inflamabile, capabile să explodeze sau să ia foc, cu ferestre de stabilitate înguste și proprietăți chimice sensibile, ceea ce le face susceptibile la scăparea de sub control termic sau la creșteri rapide ale temperaturii celulelor, urmate de ventilație și incendiu - aceste incidente au capacitatea de a deteriora structurile din apropiere, lăsând în urmă și efecte de durată asupra mediului.

Pentru a preveni răspândirea incendiilor de baterii Li-ion în zonele înconjurătoare, este esențial ca o unitate specializată să gestioneze eficient riscurile. Astfel de unități sunt concepute pentru a le reține în siguranță în limitele lor, în timp ce extrag gazele periculoase, fumul și cenușa din interior - precum și pentru a opri propagarea flăcărilor într-o zonă mai largă prin canalizarea internă a incintei lor.

Observarea degradării treptate în timp a capacităților bateriilor litiu-ion este de o importanță vitală, din cauza mai multor factori precum temperatura și starea de încărcare a bateriei. Temperaturile ridicate pot provoca înmuierea materialelor structurale și formarea de gaze, ceea ce duce la defecțiuni ale părților cele mai slabe. Supraîncărcarea și supradescărcarea grăbesc, de asemenea, pierderea capacității.