Perspektívna analýza lítiových batérií nahrádzajúcich olovené kyseliny v oblasti automobilových batérií

Olovené batérie sú v súčasnosti hlavným zdrojom energie pre SLI v motorových vozidlách a dostali aj mnoho ďalších aplikácií. Výhody lítiových batérií ako batérií SLI namiesto olovených batérií spočívajú predovšetkým v ich dlhšej životnosti a vyššej hustote energie. Z hľadiska bezpečnosti sa berú do úvahy nové európske predpisy o batériách na používanie obmedzujúcich materiálov vo vozidlách, ako aj náklady, konštrukčné a testovacie špecifikácie. Do úvahy sa berie aj životný cyklus a recyklácia týchto dvoch batérií.

1. Výmena batérie

Chemické a výrobné štandardy olovených batérií sa v priebehu rokov pomerne rýchlo prispôsobovali novým požiadavkám na energiu a výzvam úpravou prísad a zlepšovaním existujúcich výrobných postupov, než aby sa pokúšali prepracovať úplne nový batériový systém. V šesťdesiatych rokoch minulého storočia bola životnosť olovenej batérie SLI približne 3 roky a do roku 2015, keď sa zvýšia požiadavky na výkon a aplikáciu, mohla batéria vydržať päť alebo viac rokov.

Olovené akumulátory si udržali podiel na trhu, a to predovšetkým preto, že môžu spĺňať vysoký prúd potrebný na spustenie studeného ICE, trvanlivosť cyklu pri vysokých teplotách, relatívne vysokú bezpečnosť a relatívne nízke náklady. Ak sa plánujete zúčastniť tohto trhu, potom sú to výzvy, ktorým musí každá nová technológia batérií čeliť. V posledných rokoch sa stabilita lítiových batérií z hľadiska chémie a výroby výrazne zlepšila, náklady sa neustále znižovali a výkon sa neustále zlepšoval. V širšom zmysle, v porovnaní s olovenými batériami, sú súčasnými hlavnými výhodami lítium-iónových batérií SLI ich vysoká energetická hustota a dlhá životnosť.

Lítium-iónové batérie SLI majú podobný výkon ako existujúce olovené batérie SLI a boli zavedené ďalšie testy na hodnotenie stability lítium-iónových batérií SLI. Vrátane prísnych bezpečnostných opatrení, ako sú ochrana proti prebitiu, testy rozdrvenia alebo defektu, nepretržité vybíjanie a nabíjanie pri nízkych teplotách a vyhodnotenie vplyvu depozície lítia.

2. Bezpečnostný návrh lítium-iónovej batérie

Hlavnou výzvou pri vývoji lítium-iónových batérií SLI je, ako bezpečná je batéria v podmienkach zneužívania alebo starnutia a či dôjde k tepelnému úniku. Na zabránenie tejto situácii bolo vykonaných mnoho testov, ale nie všetky situácie sú predvídateľné. Pretože nehoda spôsobila nadmerné poškodenie interiéru vozidla, ktoré môže spôsobiť popálenie batérie v dôsledku vonkajšieho alebo vnútorného požiaru, prijaté opatrenia zaistia, že poškodená batéria nebude ďalej spôsobovať iskry, čím sa zníži šírenie požiaru po nehoda. Jedinečným faktorom batérie je navyše vnútorný skrat (ISC), ku ktorému môže dôjsť v dôsledku starnutia. Niektoré bežné podmienky, ako napríklad tvorba lítiových dendritov, prenikajú cez membránu a spôsobujú skrat, ktorý spôsobuje, že sa membrána vplyvom tepla zmenšuje a spôsobuje veľkoplošný skrat. Ďalšou výzvou pre štandardizované testovanie batérií je, že vonkajšia štruktúra lítium-iónových batérií môže byť valcovitá, vrecková (soft pack) alebo hranatá. Každý typ batérie preto vyžaduje iný mechanický testovací postup. Tieto techniky je možné použiť na usmernenie chápania korelácie medzi testovaním bezpečnosti a lítium-iónovými batériami SLI.

3. Dizajn batérie SLI

Pri konštrukcii batérií SLI sú na výber rôzne materiály elektród a kombinácie batérií. Keď je však celkové napätie batérie obmedzené na typických 12 V, je možné v tomto prípade nahradiť existujúcu olovenú batériu. V súčasnosti môže správne napätie batérie dosiahnuť iba niekoľko batérií zapojených do série.

Okrem požiadavky získať napätie batérie blízke 12 V je potrebné zvážiť aj ďalšie faktory, ako je ľahká dostupnosť na spotrebiteľskom trhu. V porovnaní so štandardnými olovenými batériami môžu tieto materiály vytvoriť cenovo konkurencieschopné batérie SLI. Katódové materiály lítium-iónových batérií je možné rozdeliť na vrstvené, spinel a olivín. Materiál anódy je hlavne uhlík. Okrem zváženia kompatibility katódových a anódových materiálov poskytujúcich správne napätie a kapacitu batérie, prvá z lítium-iónových batérií Tri dôležité súčasti sú jej elektrolyt. Pre väčšinu komerčných batérií sa používajú organické kvapalné elektrolyty spolu s rozpustnými lítnymi soľami, ktoré môžu poskytnúť požadovanú lítium -iónovú vodivosť. Najbežnejšou soľou, ktorá sa v súčasnosti používa, je LiPF6.

V systéme BEV je možné 12 V lítium-iónovú batériu SLI použiť na údržbu palubného elektronického systému vozidla' v čase, keď vozidlo nejazdí. Použitie olovených akumulátorov SLI v tejto aplikácii nie je ideálne, pretože je obvykle navrhnuté pre vysoký výkon a nie je nevyhnutne vhodné pre aplikačné scenáre hlbokého nízkoprúdového vybíjania. V tomto ohľade lítium-iónové batérie SLI len kompenzujú nedostatky olovených batérií SLI.

4. Návrh rovnováhy batérie a systému správy batérie (BMS)

Na rozdiel od olovených kyselinových batérií SLI je výzvou pre technológiu lítium-iónových batérií, že majú vysokú účinnosť nabíjania takmer 95% a musia pracovať striktne v rámci okna napätia batérie. Keď sú lítium-iónové batérie zostavené do série a nabité, môžu sa ľahko unášať mimo okno napätia batérie, aktívny materiál môže začať vykazovať nevratné fázové zmeny a elektrolyt sa môže začať rozkladať. To zase zvyšuje vnútorný odpor batérie, čím sa zvyšuje efekt nevyváženosti batérie. Preto sa správa batérií a monitorovanie jednotlivých batériových jednotiek stali štandardnými postupmi pre lítium-iónové moduly a sú zvyčajne vstavané do puzdra batérie. Na trhu je veľké množstvo systémov BMS, z ktorých mnohé sú šité na mieru konkrétnym chemikáliám z lítium-iónových batérií. Najjednoduchšou a nákladovo najefektívnejšou metódou nabíjania je obmedziť nabíjanie sériového akumulátora. Lepšou metódou je umožniť redistribúciu energie medzi batériami, akonáhle batéria dosiahne svoj horný limit napätia, čím sa zabráni prebitiu jednej batérie a spôsobí problémy s bezpečnosťou.

5. Náklady na batériu

V porovnaní s existujúcimi technológiami je jednou z hlavných výziev lítium-iónových batérií SLI poskytnúť spotrebiteľom konkurencieschopnú cenu. Vedci tvrdo pracujú na štúdiu problémov hodnotového reťazca pri výrobe lítium-iónových batérií. V súčasnosti sa takmer 60% nákladov na batérie považuje za zložené z neaktívnych materiálov, ako sú zberače prúdu, separátory a puzdrá na batérie. Dodatočné náklady pochádzajú z medzifázy pevného elektrolytu (SEI). ) Čas a energia strávená v procese formovania.

6. Politiky a legislatíva

K hlavným hnacím silám technológie zvyčajne patria určité národné a medzinárodné politiky týkajúce sa zdravia a bezpečnosti, za ktorými nasledujú právne predpisy. Spravidla ide o používanie určitých chemikálií alebo chemického príslušenstva, ktoré sú považované za škodlivé pre ľudí a životné prostredie. Najmä keď sa tieto škodlivé látky používajú vo vozidlách, ich koncepcia by mala byť schopná dosiahnuť&„zelenú recykláciu &“, to znamená, že je možné ich rozobrať, aby bolo možné opakovane použiť, recyklovať alebo bezpečne zneškodniť rôzne materiály. bez akéhokoľvek znečistenia životného prostredia.

7. Štandardy a špecifikácie

V priebehu desaťročí vznikali a postupne sa vyvíjali špecifikácie a normy, ktoré sa prispôsobujú výkonu a bezpečnosti takmer všetkých batériových aplikácií vrátane batérií SLI pre vozidlá. Na druhej strane, legislatíva určitých krajín alebo regiónov môže odkazovať na štandardy pri riešení určitých požiadaviek, ktoré majú zvyčajne priamy vplyv na bezpečnosť a zdravie komunity a životného prostredia. United States Advanced Battery Alliance (USABC) zostavila príručku testovania batérií (Revízia 2) pre Ministerstvo energetiky USA (DoE).

8. Recyklácia batérie

V súčasnej dobe spoločnosť s určitou silou v recyklácii lítium-iónových batérií.

Vyššie uvedené sumarizuje, že niektoré veľké spoločnosti sa aktívne zúčastňujú na zavedenom procese recyklácie lítium-iónových batérií v priemyselnom meradle. Recyklačná kapacita vznikajúceho recyklačného priemyslu sa v nasledujúcich 7 až 10 rokoch zvýši najmenej päťkrát.

9. Závery a perspektívy

Tento článok sumarizuje niektoré faktory nahradenia olovených kyselinových batérií SLI lítium-iónovými batériami SLI, ktoré budú v nasledujúcich rokoch postupným procesom. S rozsiahlym využívaním systému skladovania energie z obnoviteľných zdrojov bude používanie olovených batérií stále rásť a zameranie lítium-iónových batérií SLI sa bude používať vo vozidlách ICE strednej a vyššej triedy nachádzajúcich sa v Európe, z ktorých niektoré ktoré sú v Ázii a USA. V mnohých malých a lacných vozidlách ICE sa oloveno-kyselinová batéria SLI bude naďalej používať, pretože náklady na výmenu batérie budú vždy rozhodujúcim faktorom. Globálny spotrebiteľský trh navyše zvýši používanie&„obehového hospodárstva &“; výrobkov, ktoré sa zamerajú na zníženie environmentálneho odpadu a zároveň zvýšia recykláciu surovín. Napriek tomu, že recyklácia lítium-iónových batérií je stále ešte v plienkach, Čína, Japonsko a ďalšie krajiny už podnikli veľké iniciatívy. Spojené štáty, Austrália a európske krajiny predviedli nové funkcie recyklácie materiálov v lítium-iónových batériách. Tieto recyklačné procesy sa uskutočnia v nasledujúcich piatich až piatich rokoch. Dokonalé za desať rokov.