Przegląd baterii litowej | BSLBATT Energia Odnawialna

BSLBATT Engineered Technologies wykorzystuje nasze doświadczone zespoły inżynieryjne, projektowe, jakości i produkcyjne, aby nasi klienci mogli mieć pewność, że otrzymają technicznie zaawansowane rozwiązania akumulatorowe, które spełniają unikalne wymagania ich konkretnych zastosowań. Specjalizujemy się w projektowaniu ogniw litowych i akumulatorów wielokrotnego ładowania oraz konstrukcji akumulatorów, współpracując z różnymi chemikaliami ogniw litowych, aby oferować opcje i rozwiązania dla wymagających zastosowań na całym świecie.

Zestaw akumulatorów litowych Technologie

Nasze szerokie możliwości produkcyjne pozwalają nam konstruować najbardziej podstawowe zestawy akumulatorów, a także zestawy niestandardowe ze specjalistycznymi obwodami, złączami i obudowami. Od małych do dużych ilości, mamy możliwości i wiedzę branżową, aby sprostać unikalnym potrzebom wszystkich producentów OEM, ponieważ nasz doświadczony zespół inżynierów może projektować, opracowywać, testować i produkować niestandardowe rozwiązania akumulatorowe spełniające specyficzne potrzeby większości zastosowań.

BSLBATT oferuje rozwiązania „pod klucz” w oparciu o wymagania i specyfikacje klientów. Współpracujemy z wiodącymi w branży producentami ogniw, aby zapewnić optymalne rozwiązania oraz opracowujemy i integrujemy najbardziej zaawansowaną elektronikę sterującą i monitorującą w pakietach akumulatorów.

Jak działa bateria litowo-jonowa?

Baterie litowo-jonowe wykorzystują silny potencjał redukcyjny jonów litu do napędzania reakcji redoks, kluczowej dla wszystkich technologii akumulatorów — redukcji na katodzie i utleniania na anodzie. Połączenie dodatniego i ujemnego bieguna akumulatora poprzez obwód łączy dwie połowy reakcji redoks, umożliwiając urządzeniu podłączonemu do obwodu pobieranie energii z ruchu elektronów.

Chociaż obecnie w przemyśle stosuje się wiele różnych rodzajów chemikaliów na bazie litu, my użyjemy tlenku litowo-kobaltowego (LiCoO2) — substancji chemicznej, która umożliwiła akumulatorom litowo-jonowym zastąpienie akumulatorów niklowo-kadmowych, które były normą dla konsumentów elektroniki aż do lat 90. — aby zademonstrować podstawową chemię stojącą za tą popularną technologią.

Pełna reakcja dla katody LiCoO2 i anody grafitowej jest następująca:

LiCoO2 + C ⇌ Li1-xCoO2 + LixC

Gdzie reakcja do przodu oznacza ładowanie, a reakcja odwrotna oznacza rozładowywanie. Można to podzielić na następujące reakcje połówkowe:

Na elektrodzie dodatniej podczas wyładowania następuje redukcja na katodzie (patrz reakcja odwrotna).

LiCo3+O2 ⇌ xLi+ + Li1-xCo4+xCo3+1-xO2 + e-

Na elektrodzie ujemnej podczas wyładowania następuje utlenianie na anodzie (patrz reakcja odwrotna).

C + xLi+ + e- ⇌ LixC

Podczas rozładowywania jony litu (Li+) przemieszczają się z elektrody ujemnej (grafit) przez elektrolit (sole litu zawieszone w roztworze) i separator do elektrody dodatniej (LiCoO2). W tym samym czasie elektrony przemieszczają się z anody (grafit) do katody (LiCoO2), która jest połączona zewnętrznym obwodem. W przypadku zastosowania zewnętrznego źródła zasilania następuje odwrócenie reakcji wraz z rolą odpowiednich elektrod, ładując ogniwo.

Co kryje się w baterii litowo-jonowej

Typowe cylindryczne ogniwo 18650, które jest powszechnie stosowaną obudową w branży do zastosowań komercyjnych, od laptopów po pojazdy elektryczne, ma OCV (napięcie obwodu otwartego) wynoszące 3,7 wolta. W zależności od producenta może dostarczyć około 20 amperów przy pojemności 3000 mAh lub większej. Zestaw akumulatorów będzie składał się z wielu ogniw i zazwyczaj będzie zawierał ochronny mikrochip zapobiegający przeładowaniu i rozładowaniu poniżej minimalnej pojemności, co może prowadzić do przegrzania, pożaru i eksplozji. Przyjrzyjmy się bliżej wnętrzu komórki.

Elektroda dodatnia/katoda

Kluczem do zaprojektowania elektrody dodatniej jest wybór materiału, który ma potencjał elektryczny większy niż 2,25 V w porównaniu z czystymi metalami litowymi. Materiały katod w litowo-jonowych są bardzo zróżnicowane, ale generalnie zawierają warstwowe tlenki metali przejściowych litu, podobnie jak konstrukcja katody LiCoO2, którą badaliśmy wcześniej. Inne materiały obejmują spinele (tj. LiMn2O4) i oliwiny (tj. LiFePO4).

Elektroda ujemna/anoda

W idealnej baterii litowej jako anodę można zastosować czysty litowo-metaliczny metal, ponieważ zapewnia on optymalną kombinację niskiej masy cząsteczkowej i wysokiej pojemności właściwej możliwej dla akumulatora. Istnieją dwa główne problemy, które uniemożliwiają wykorzystanie litu jako anody w zastosowaniach komercyjnych: bezpieczeństwo i odwracalność. Lit jest wysoce reaktywny i podatny na katastrofalne awarie typu pirotechnicznego. Również podczas ładowania lit nie powróci do swojego pierwotnego, jednolitego stanu metalicznego, zamiast przyjąć morfologię przypominającą igłę, znaną jako dendryt. Tworzenie się dendrytów może prowadzić do przebicia separatorów, co może prowadzić do zwarć.

Rozwiązaniem, które badacze opracowali, aby wykorzystać zalety litu metalicznego bez wszystkich wad, była interkalacja litu — proces nakładania warstw jonów litu na grafit węglowy lub inny materiał, aby umożliwić łatwe przemieszczanie jonów litu z jednej elektrody na drugą. Inne mechanizmy obejmują użycie materiałów anodowych z litem, które umożliwiają bardziej odwracalne reakcje. Typowe materiały anodowe obejmują grafit, stopy na bazie krzemu, cynę i tytan.

Separator

Rolą separatora jest zapewnienie warstwy izolacji elektrycznej pomiędzy elektrodą ujemną i dodatnią, jednocześnie umożliwiając przepływ jonów podczas ładowania i rozładowywania. Musi być także odporny chemicznie na degradację pod wpływem elektrolitu i innych substancji w ogniwie oraz wystarczająco mocny mechanicznie, aby był odporny na zużycie. Powszechnie stosowane separatory litowo-jonowe mają zazwyczaj dużą porowatość i składają się z arkuszy polietylenu (PE) lub polipropylenu (PP).

Elektrolit

Rolą elektrolitu w ogniwie litowo-jonowym jest zapewnienie ośrodka, przez który jony litu mogą swobodnie przepływać pomiędzy katodą i anodą podczas cykli ładowania i rozładowywania. Chodzi o to, aby wybrać medium, które będzie zarówno dobrym przewodnikiem Li+, jak i izolatorem elektronicznym. Elektrolit powinien być stabilny termicznie i chemicznie kompatybilny z innymi składnikami ogniwa. Ogólnie rzecz biorąc, sole litu, takie jak LiClO4, LiBF4 lub LiPF6 zawieszone w rozpuszczalniku organicznym, takim jak węglan dietylu, węglan etylenu lub węglan dimetylu, służą jako elektrolit w konwencjonalnych konstrukcjach litowo-jonowych.

Interfaza stałego elektrolitu (SEI)

Ważną koncepcją projektową ogniw litowo-jonowych, którą należy zrozumieć w przypadku ogniw litowo-jonowych, jest interfaza stałego elektrolitu (SEI) — warstwa pasywacyjna, która tworzy się na granicy faz między elektrodą a elektrolitem, gdy jony Li+ reagują z produktami degradacji elektrolitu. Film tworzy się na elektrodzie ujemnej podczas początkowego ładowania ogniwa. SEI chroni elektrolit przed dalszym rozkładem podczas kolejnych ładowań ogniwa. Utrata tej warstwy pasywacyjnej może niekorzystnie wpłynąć na cykl życia, wydajność elektryczną, pojemność i ogólną żywotność ogniwa. Z drugiej strony producenci odkryli, że mogą poprawić wydajność baterii, dostrajając SEI.

Poznaj rodzinę akumulatorów litowo-jonowych

Urok litu jako idealnego materiału elektrodowego do zastosowań w akumulatorach doprowadził do powstania wielu rodzajów akumulatorów litowo-jonowych. Oto pięć najpopularniejszych baterii dostępnych na rynku.

Tlenek litowo-kobaltowy

Omówiliśmy już szczegółowo akumulatory LiCoO2 w tym artykule, ponieważ stanowią one najpopularniejszą substancję chemiczną w przenośnych urządzeniach elektronicznych, takich jak telefony komórkowe, laptopy i aparaty elektroniczne. LiCoO2 zawdzięcza swój sukces wysokiej energii właściwej. Krótka żywotność, słaba stabilność termiczna i cena kobaltu powodują, że producenci przechodzą na konstrukcje z katodami mieszanymi.

Tlenek litowo-manganowy

Baterie litowo-manganowe (LiMn2O4) wykorzystują katody na bazie MnO2. W porównaniu ze standardowymi akumulatorami LiCoO2, akumulatory LiMn2O4 są mniej toksyczne, tańsze i bezpieczniejsze w użyciu, ale mają zmniejszoną pojemność. Choć w przeszłości badano konstrukcje akumulatorów, dzisiejszy przemysł zazwyczaj wykorzystuje tę substancję chemiczną do ogniw pierwotnych (jednocyklowych), które nie nadają się do ponownego ładowania i które należy wyrzucić po użyciu. Trwałość, wysoka stabilność termiczna i długi okres przydatności do spożycia sprawiają, że doskonale nadają się do elektronarzędzi lub wyrobów medycznych.

Tlenek kobaltu litowo-niklowo-manganowego

Czasami całość jest większa niż suma jej części, a akumulatory litowo-niklowo-manganowo-kobaltowo-kobaltowe (znane również jako akumulatory NCM) charakteryzują się większą wydajnością elektryczną niż LiCoO2. NCM zyskuje na sile dzięki równoważeniu zalet i wad poszczególnych materiałów katodowych. NCM, jeden z najskuteczniejszych systemów litowo-jonowych na rynku, jest szeroko stosowany w układach napędowych, takich jak elektronarzędzia i rowery elektryczne.

Fosforan litowo-żelazowy

Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4) osiągają długą żywotność cykliczną i wysoki prąd znamionowy przy dobrej stabilności termicznej dzięki zastosowaniu nanostrukturalnego materiału katody fosforanowej. Pomimo tych ulepszeń nie jest tak energochłonny jak technologie z domieszką kobaltu i charakteryzuje się najwyższym współczynnikiem samorozładowania spośród innych akumulatorów znajdujących się na tej liście. Akumulatory LiFePO4 są popularną alternatywą dla akumulatorów kwasowo-ołowiowych jako akumulatory rozruchowe samochodu.

Tytanian litu

Zastąpienie anody grafitowej nanokryształami tytanianu litu znacznie zwiększa powierzchnię anody do około 100 m2 na gram. Nanostrukturalna anoda zwiększa liczbę elektronów, które mogą przepływać przez obwód, zapewniając ogniwom z tytanianu litu możliwość bezpiecznego ładowania i rozładowywania z szybkością przekraczającą 10°C (dziesięciokrotność pojemności znamionowej). Kompromisem w zakresie najszybszego cyklu ładowania i rozładowywania akumulatorów litowo-jonowych jest stosunkowo niższe napięcie 2,4 V na ogniwo, ogniwa z tytanianu litu znajdują się w dolnej części widma gęstości energii akumulatorów litowych, ale wciąż są wyższe niż w przypadku alternatywnych substancji chemicznych, takich jak nikiel- kadm. Pomimo tej wady, ogólna wydajność elektryczna, wysoka niezawodność, stabilność termiczna i wyjątkowo długi cykl życia oznaczają, że akumulator nadal znajduje zastosowanie w pojazdach elektrycznych.

Przyszłość akumulatorów litowo-jonowych

Firmy i rządy na całym świecie wywierają duży nacisk, aby kontynuować badania i rozwój technologii akumulatorów litowo-jonowych i innych, aby zaspokoić rosnące zapotrzebowanie na czystą energię i zmniejszoną emisję dwutlenku węgla. Z natury nieciągłe źródła energii, takie jak energia słoneczna i wiatrowa, mogłyby w znacznym stopniu skorzystać na wysokiej gęstości energii i długim cyklu życia litu-jonu, co już pomogło tej technologii w opanowaniu rynku pojazdów elektrycznych.

Aby sprostać temu rosnącemu zapotrzebowaniu, badacze rozpoczęli już przesuwanie granic istniejących rozwiązań litowo-jonowych w nowy i ekscytujący sposób. Ogniwa litowo-polimerowe (Li-Po) zastępują niebezpieczne elektrolity na bazie ciekłych soli litu bezpieczniejszymi żelami polimerowymi i ogniwami półmokrymi, zapewniając porównywalną wydajność elektryczną, większe bezpieczeństwo i mniejszą wagę. Lit półprzewodnikowy to najnowsza technologia w bloku, obiecująca poprawę gęstości energii, bezpieczeństwa, żywotności cyklu i ogólnej trwałości przy stabilności stałego elektrolitu. Trudno przewidzieć, która technologia wygra wyścig o najlepsze rozwiązanie w zakresie magazynowania energii, ale litowo-jonowy z pewnością w nadchodzących latach nadal będzie odgrywał główną rolę w gospodarce energetycznej.

Dostawca rozwiązań w zakresie magazynowania energii

Produkujemy najnowocześniejsze produkty, łącząc inżynierię precyzyjną z rozległą wiedzą na temat zastosowań, aby pomóc klientom w integracji rozwiązań magazynowania energii z ich produktami. Firma BSLBATT Engineered Technologies dysponuje sprawdzoną technologią i doświadczeniem w zakresie integracji, które umożliwiają realizację Twoich aplikacji od koncepcji do komercjalizacji.

Aby dowiedzieć się więcej, zobacz nasz wpis na blogu przechowywanie baterii litowej .