Литий-ионные аккумуляторы широко используются для питания бытовой электроники, такой как мобильные телефоны и цифровые фотоаппараты, благодаря своей высокой энергетической и мощностной плотности, длительному сроку службы и быстрой зарядке.
Их высокая производительность обусловлена материалами катода, такими как оксид лития и кобальта, фосфат лития и железа, а также никель-марганец-кобальт (NMC). Кроме того, в таких аккумуляторах, как правило, используются графитовые аноды.
Стоимость
Литий-ионные аккумуляторы стали одним из краеугольных камней электромобильности. Благодаря своей энергетической плотности они обеспечивают высокую производительность при небольших размерах и малом весе, что идеально подходит как для бытовых устройств, так и для электроинструментов и электромобилей. Кроме того, более высокая удельная энергия литий-ионных аккумуляторов означает, что они обеспечивают большую ёмкость заряда на килограмм веса по сравнению с конкурирующими технологиями.
Литий-ионные аккумуляторные элементы состоят из анода, катода и электролита. Во время циклов разряда атомы лития отделяются от своих электронов на аноде, после чего проходят через электролит к катоду, где вновь соединяются с ними, образуя ионы, которые теряют электрическую заряженность; во время циклов заряда эти ионы возвращаются через электролит обратно к аноду для пополнения заряда.
За последнее десятилетие стоимость литий-ионных аккумуляторов резко снизилась, однако для того, чтобы электромобили на чистой электротяге (BEV) стали конкурентоспособными по сравнению с автомобилями с двигателями внутреннего сгорания, а стационарные системы хранения энергии получили широкое распространение, потребуется дальнейшее снижение цен.
Современные литий-ионные аккумуляторы более чем в два раза экономичнее, чем аккумуляторы предыдущих поколений: с начала 1990-х годов их цены снизились более чем на 80% благодаря внедрению методов массового производства и технологическим инновациям.
Со временем стоимость литий-ионных аккумуляторов значительно снизилась, однако дальнейшее снижение цен будет иметь решающее значение для их широкого внедрения в различных сферах применения. Эвелина Стоику из BloombergNEF недавно провела исследование, в котором проанализировала, как снизились затраты на компоненты и сырье для литиевых батарей благодаря расширению производственных мощностей по всей цепочке поставок, а также инновациям в области материалов, конструкции аккумуляторных блоков и производства элементов — ключевым факторам, определяющим эту тенденцию.
Использованный в отчете подход к моделированию «снизу вверх» отражает затраты на каждый компонент производства литий-ионных аккумуляторов, что позволяет сравнивать различные конструкции элементов и производственные процессы. В нем учитываются такие факторы, как цены на сырье, технологические требования к готовой продукции и потребность в ресурсах в производственных процессах, с целью выявления факторов, влияющих на затраты, которые могут способствовать их дальнейшему снижению. Надеемся, что этот анализ выявит потенциальные факторы, влияющие на затраты, и приведет к более значительному снижению затрат на производство литий-ионных аккумуляторов.
Вместимость
Литий-ионные аккумуляторы стали основным источником питания для бытовой электроники в современной жизни, а также для электромобилей и систем накопления энергии, что ставит перед производителями аккумуляторов новые задачи. Один из ключевых факторов, определяющих характеристики литий-ионных аккумуляторов, — это их ёмкость. Для расчёта ёмкости одного элемента потребуется такая информация, как его тип, напряжение и история циклов заряда-разряда; чтобы получить ампер-часы (А·ч), необходимо умножить номинальное напряжение на номинальный ток разряда.
Литий-ионные аккумуляторы, как правило, состоят из двух электродов: анода, с которого отдаются электроны, и положительного электрода, или катода, куда электроны возвращаются. Ионы лития перемещаются между этими электродами через раствор электролита; ионы лития в материале катода обладают большей химической аффинностью, что позволяет им легко аккумулировать электроны, чем ионы лития в материале анода — это делает литий-ионные аккумуляторы особенно эффективными.
Литий-ионные аккумуляторы состоят из анода, изготовленного из графита или другого материала на основе углерода с добавлением кремния для увеличения ёмкости, и катода, образованного литий-марганцевой шпинелью — необычной минеральной структурой, способной накапливать ионы лития в своих слоях. Первый перезаряжаемый литий-ионный аккумулятор был разработан М. Стэнли Уиттингхэмом в 1970-х годах с использованием дисульфида титана в качестве материала катода и анодов из оксида лития и алюминия; затем Джон Гуденаф усовершенствовал эту конструкцию, заменив катоды на катоды из никель-кобальтового сплава.
По оценкам Commodity Insights, мировой спрос на литий-ионные аккумуляторы стремительно растет, а к 2030 году мировые производственные мощности, по прогнозам, достигнут 6,5 ТВт·ч. К сожалению, сырье, необходимое для производства литий-ионных аккумуляторов, по-прежнему находится в дефиците; длительные сроки согласования и строительства новых горнодобывающих проектов могут привести к нехватке ключевых компонентов аккумуляторов уже к 2025 году.
Безопасность
Литий-ионные аккумуляторы питают множество портативных устройств бытовой электроники и электромобилей, но в случае выхода из строя они могут стать причиной возгорания. При слишком быстрой зарядке или перегреве ионы лития внутри аккумулятора могут начать перемещаться и вызвать термический разгон, приводящий к возгоранию самого аккумулятора — явление, известное как термический разгон. Пожары, вызванные литий-ионными батареями, бывает трудно потушить; огнетушители на водной основе могут обеспечить временное охлаждение, но не способны полностью ликвидировать источник энергии до тех пор, пока его энергия не рассеется; существуют специальные гелевые огнетушители для литий-ионных батарей, но они пока не получили широкого распространения; для обеспечения максимальной эффективности крайне важно использовать при зарядке только сертифицированные средства для литий-ионных батарей!
Литий-ионные аккумуляторы требуют более тщательного тестирования ввиду их более высокой энергетической плотности по сравнению со старыми свинцовыми или никелевыми аккумуляторами, что обусловлено необходимостью плотной сборки элементов, требуемой в связи с их более высокой плотностью, а также потенциальным риском попадания металлической пыли через зазоры между сепараторами и возникновения короткого замыкания в элементах — что, хотя и происходит редко, но все же возможно.
Механическое повреждение аккумуляторов также может привести к их выходу из строя. Гвоздь, проникший в аккумулятор 18650 внутри его чехла, может не сразу привести к выходу элемента из строя, но способен повредить как сепаратор, так и активные материалы, что впоследствии может вызвать утечку из элемента. Для обеспечения максимальной безопасности аккумуляторов рекомендуется заряжать батареи 18650 на твёрдой поверхности, такой как бетон или металл, а не вблизи источников возгорания, например, в местах, представляющих опасность пожара; при этом зарядка крупных батарей, таких как те, что используются в электровелосипедах или самокатах, в идеале должна производиться в гараже или сарае, а не в жилых помещениях, рядом с выходами или в гостиных.
Если батарея горячая на ощупь, теряет форму или испускает странный запах, её следует немедленно утилизировать. Батареи и устройства, содержащие их, ни в коем случае нельзя выбрасывать в обычные мусорные контейнеры, поскольку они могут загореться во время транспортировки или утилизации на свалках или в центрах переработки отходов. NFPA предлагает набор материалов для проведения кампании, чтобы помочь лидерам местных сообществ информировать жителей о важности безопасного обращения с литий-ионными батареями с помощью изображений, видеороликов и информационных бюллетеней, которыми они могут поделиться со средствами массовой информации в своем регионе.
Воздействие на окружающую среду
Литий-ионные аккумуляторы играют ключевую роль в обеспечении нашего низкоуглеродного будущего, обеспечивая накопление энергии для электромобилей и выработку электроэнергии из возобновляемых источников. К сожалению, их производство сопровождается значительными выбросами парниковых газов, а также требует значительных затрат энергии, получаемой из ископаемого топлива, для добычи сырья, необходимого для изготовления элементов, модулей и аккумуляторных батарей. Все это необходимо учитывать.
В ходе производственных процессов часто образуются опасные отходы, представляющие угрозу для здоровья человека и окружающей среды, что требует соблюдения надлежащих процедур хранения, транспортировки и утилизации.
Понимание всех последствий деятельности, связанной с аккумуляторами, имеет решающее значение для обеспечения соблюдения местных и федеральных нормативных требований, а также для снижения рисков, связанных с вашей деятельностью; соответствующие меры могут включать внедрение надлежащих протоколов безопасности, обучение персонала процедурам утилизации аккумуляторов и контроль за процессом их утилизации.
Литий-ионные аккумуляторы оказывают негативное воздействие на окружающую среду при ненадлежащем обращении или хранении. Литий-ионные аккумуляторы являются легко воспламеняющимися, способны взрываться или загораться; их узкие диапазоны стабильности и чувствительные химические свойства делают их подверженными тепловому разгону, то есть резкому повышению температуры элементов, сопровождающемуся выбросом газов и возгоранием — такие инциденты могут нанести ущерб близлежащим сооружениям, а также оставить после себя долгосрочные последствия для окружающей среды.
Для предотвращения распространения пожара, возникшего в литий-ионной батарее, на окружающие зоны крайне важно, чтобы специализированная установка обеспечивала эффективное управление связанными с этим рисками. Такие установки предназначены для безопасного локализования пожара в пределах своего корпуса с одновременным удалением опасных газов, дыма и золы изнутри, а также для предотвращения распространения пламени на более обширную территорию посредством внутренней системы воздуховодов, встроенной в их корпус.
Очень важно обращать внимание на постепенное снижение ёмкости литий-ионных аккумуляторов с течением времени, которое обусловлено рядом факторов, таких как температура и степень заряда аккумулятора. Высокие температуры могут приводить к размягчению конструкционных материалов и образованию газа, что в свою очередь вызывает поломки наиболее уязвимых частей. Перезарядка и чрезмерная разрядка также ускоряют потерю ёмкости.