Yleiskatsaus
Akkujen keksimisestä ja kaupallistamisesta 1970-luvulla, litiumioniakut ovat kehittyneet pienten ja elektronisten laitteiden sähkön toimittamisesta kuorma-autoihin, joiden paino on enintään 60 tonnia, tehdä markkinoista kypsiä ja tärkeitä.
Hallitusten politiikat ja yritykset ympäri maailmaa edistävät sen kehitystä, litiumioniakkujen valmistus (tunnetaan myös nimellä litiumioniakut) eivät ainoastaan tuota vähemmän päästöjä kuin uusiutumatonta energiaa käyttävät generaattorit, mutta myös alhaisemmat kustannukset ja enemmän energiavaihtoehtoja.
Vuosikymmenten testauksen jälkeen, erilaisia sähkökemiallisia konfiguraatioita on syntynyt, jokaisella on ainutlaatuiset ominaisuutensa ja ominaisuusetunsa, sopii eri teollisuudenalojen tuotteisiin.
Tässä artikkelissa, kuusi erilaista litiumioniakkujen kemiaa esitellään, joista uskon olevan sinulle apua.
Sisällysluettelo
1.Mitä akkutyyppejä aurinkopaneelijärjestelmissä on olemassa?
Kun puhutaan aurinkopaneelijärjestelmistä, markkinoiden pääasialliset akkutyypit ovat lyijyakut ja litiumioniakut. Edellisellä on suhteellisen alhainen hinta, mutta suurempi tilavuus ja odotettu käyttöikä yleensä välillä 2 ja 5 vuotta.
Vaikka litiumioniakut ovat kalliimpia kuin lyijyakut, niiden suorituskyky on vakaampi ja niiden odotettu käyttöikä on pidempi (10 to 12 vuotta), tehden niistä vähitellen markkinoiden suosituimman materiaalin.
Lisäksi, on olemassa muita kemiallisia akkutyyppejä, jotka ovat tehokkuuden ja kustannusten suhteen välissä, ja niillä on myös omat markkinat erilaisista näkökulmista ja sovellustarpeista johtuen.
Esimerkiksi, nikkelikadmiumparistot voivat varastoida energiaa alhaisissa lämpötiloissa, mutta niiden tiheys on pieni, joten ne eivät voi varastoida suuria määriä energiaa. Verrattuna edellä mainittuihin akkuihin, nikkelivetyakkujen varastointikapasiteetti ja ylläpitokustannukset ovat alhaisemmat kuin aikaisempina vuosina, ja myös markkinat suosivat sitä.
Litiumenergia on aktiivinen ja kuuma tutkimusala, ja tällä hetkellä suosituimpia akkukemikaaleja ovat:
Litium-nikkeli-mangaanikoboltti (LiNixMnyCozO2 tai NMC)
Litium-nikkeli-kobolttialumiinioksidi (LiNiCoAlO2 tai NCA)
Litiumrautafosfaatti (LiFePO4 tai LFP)
Litiumkobolttioksidi (LiCoO2 tai LCO)
Litiummangaanioksidi (LiMn2O4 tai LMO)
Litium titanaatti (Li2TiO3 tai LTO)
Vaikka nämä ovat kaikki litiumakkuja, niiden välillä on erilaisia eroja.
2.Litiumioniakkujen kemialliset tyypit
2.0 Litiumioniakkujen kemiallisiin tyyppeihin liittyvät tekniset termit
Analysoida ja ymmärtää litiumioniakkujen kemialliset tyypit, ymmärrä ensin asiaankuuluvat arviointiehdot, joka auttaa sinua ymmärtämään käsitteitä ja tekemään parempia vertailuja.
2.0.1 Spesifinen energia
Käyttöaikakapasiteetti, ilmaistuna kilowattitunteina kilogrammaa kohti.
2.0.2 Ominaisteho
Siirtokapasiteetti suurella virralla, ilmaistuna watteina kilogrammaa kohti。
2.0.3 Turvallisuus
Arviointi lämpökarkaamisen lämpötilakynnyksen perusteella
2.0.4 Esitys
Kapasiteetti, Jännite, ja vastus osoittavat myös akun suorituskyvyn eri lämpötiloissa.
2.0.5 Käyttöikä
Akun täydellisten purkautumisjaksojen kokonaiskäyttöaika.
2.0.6 Investointikustannukset
Raaka-aineiden hinta, kokoonpanokomponentit, ja työteknologiainvestointeja.
2.1 Litiumkobolttioksidi (LiCoO2 tai LCO)
- Korkea ominaisenergia (energiatiheys)
- Rajoitettu ominaisteho
- Matala turvallisuus
- Lyhyt käyttöikä
Litium-kobolttioksidiakut, tunnetaan myös nimellä litiumkobolttioksidi- tai litium-ioni-kobolttiakut, ovat olleet tiedossa siitä lähtien 1991. Litiumkobolttioksidi voi muodostaa korkean ominaisenergian akun kemiallisen koostumuksen, grafiittihiili anodina ja kobolttioksidi katodina, ja kerrosrakenne, joka helpottaa ionien liikkumista.
Nimellisjännite on 3,7 V ja energiatiheys on 150 180Wh/kg asti.
Tämä korkea ominaisenergia mutta alhainen ominaisteho tarkoittaa, että se voidaan toimittaa pienitehoisille kuormille pitkään, joten LCO-akkuja käytetään yleisesti älypuhelimissa, tabletteja, ja kannettavat tietokoneet.
kuitenkin, tämän tyyppisillä kemiallisilla akuilla on alhaisempi turvallisuuspistemäärä, erityisesti lämpöstabiilisuuden kannalta, koska suuri lujuus voi aiheuttaa akun ylikuumenemisen ja lisätä lämmön karkaamisen riskiä.
Siksi, yhdessä sen lyhyemmän käyttöiän ja latausjakson kanssa, LCO-akut eivät ole enää suosituin vaihtoehto, sillä useat teollisuudenalat investoivat muihin kustannustehokkaampiin akkutekniikoihin.
sillä välin, on erityinen syy siihen, että koboltin louhintaan liittyy ihmisoikeusloukkauksia. Kongon demokraattinen tasavalta toimittaa lähes 70% maailman koboltin raaka-aineista.
kuitenkin, ei ole työlakeja tai turvallisuusmääräyksiä käsin (pienimuotoista) kaivostoimintaa koboltin kaivosprojektissa Afrikan toiseksi suurimmassa maassa. Korkean riskin manuaalinen louhinta, lapsityövoiman käyttö kaivosprosessin aikana, ja huonot työolosuhteet ovat ansainneet koboltin kaivosteollisuudelle tittelin “veri-akku”.
Kobolttittomat litiumioniakut voivat auttaa meitä hyödyntämään ihmisille eettisiä akkumateriaaleja.
2.2 Litiummangaanioksidi (LiMn2O4 tai LMO)
- Paranna turvallisuutta
- Korkea lämpöstabiilisuus
- Rajoitettu syklin käyttöikä
- Keskimääräinen ominaisenergia
- Keskinkertainen tehosuhde
LMO-akkuja kutsutaan yleisesti litiummangaanioksidiksi, litium-ioni mangaani, ja mangaani spinelliä, ja ovat olleet tiedossa siitä lähtien 1996. Sen rakenne muodostaa kolmiulotteisen spinellirakenteen tai litiummangaanioksidikatodikidekehyksen.
Spinellirakenne voi parantaa virran liikettä ja ionivirtausrataa, vähentää sisäistä vastusta, ja parantaa turvallisuutta ja vakautta.
Litiummangaanirakenne on maksimoinut akun käyttöiän, turvallisuutta, ja erityinen teho. Hybridiakkujen kemiallisen koostumuksen ansiosta, joka voi pidentää akun käyttöikää ja parantaa akun ominaisenergiaa, monet sähköajoneuvot, kuten BMW i3 ja Nissan Leaf, ovat valinneet LMO-NMC-yhdistelmän. LMO-komponentti tuottaa suuren virran kiihdytyksen aikana, kun taas NMC lisää ajomatkaa.
2.3 Litiumrautafosfaatti (LiFePO4 tai LFP)
- Korkea turvallisuus
- Suuri ominaisteho
- Pitkä syklin käyttöikä
- Matala ominaisenergia
Litiumrautafosfaatti on eräänlainen LiFePO4 tai LFP akku, ja fosfaatin löytäminen katodimateriaalina on johtanut ladattavien litiumakkujen kehittämiseen.
Vuosikymmenten kehittämisen ja käytön jälkeen, siitä on nyt tullut suosittu materiaali.
LFP-akkuja käytetään pääasiassa energian varastointiin ja muihin korkeaa turvallisuutta vaativiin sovelluksiin, korkeajännite, ja pitkä käyttöikä. LiFePO4-akkujen nimellisjännite on pienempi, mikä johtaa pienempään ominaisenergiaan kuin kobolttilitiumioniakut.
Vaikka tämän akun kemiallisen koostumuksen energiatiheys on hieman pienempi (3.2V/Cell), sillä on pitkä käyttöikä, alempi kustannus, ja on turvallisempaa.
Se kestää jopa erittäin suuria lämpötilaeroja, tekee siitä suositun teollisuudenaloilla, joilla on suuri kuormitus ja ankarat ympäristöt. Sillä on hyvä sähkökemiallinen suorituskyky ja parempi akkujen ylilatauksen sietokyky, ja on myös suosittu laitteissa, joita käytetään erittäin kestävissä kiinteissä paikoissa.
Akkukemian teknologian edistyminen on tehnyt perinteisten akkujen vaihtamisesta väistämättömän askeleen. Esimerkiksi, litiumfosfaattiakut voivat korvata lyijyhappokäynnistysakut – Litiumfosfaattiakut toimivat hyvin, kun neljä akkua on kytketty sarjaan, tuottaa jännitteen, joka vastaa kuuden sarjaan kytketyn lyijyakun tuottamaa jännitettä.
Tämä kuvastaa myös LiFePO4-akkujen erinomaista suorituskykyä ja taloudellista kannattavuutta.
2.4 Litium-nikkeli-mangaanikoboltti (LiNixMnyCozO2 tai NMC)
- Suuri ominaisteho
- Korkea ominaisenergia
- Korkea turvallisuus
- Keskihintainen
- Kokonaisuutena hyvä suoritus
Litiumnikkeli-mangaanikoboltti on yksi johtavista kemiallisista materiaaleista akkumarkkinoilla muiden materiaalien joukossa. Paristot, tunnetaan myös nimellä NMC, NCM, jne., voidaan käyttää energiaparistoina tai tehoparistoina.
NMC-akku on yksi menestyneimmistä nikkeli-mangaani-koboltti-litium-ioni-katodiyhdistelmäakkutuotteista.
Alhaisten tuotantokustannusten perusteella, se voi myös tuottaa korkeaa ominaisenergiaa ja sillä on hyvä turvallisuus. Noin 2000 latausjaksot osoittavat, että sillä on myös erinomainen käyttöikä.
Sen nimellisjännite on 3,6 V ja energiatiheys 150-220 Wh/kg, mikä tekee siitä laadukkaan valinnan sähköautoteollisuudessa. Yhdistämällä nikkelin edut (korkea ominaisenergia) ja mangaania (muodostaa spinellirakenteita alhaisen sisäisen vastuksen saavuttamiseksi), NMC-akkuja käytetään laajalti teollisuudessa, kuten sähköpolkupyörissä, sähköautot, ja lääketieteelliset laitteet.
NMC:llä on myös alhaisin itsekuumenemisnopeus kuudesta kokoonpanosta, ja sen kevyt, pieni koko, ja vahva energian varastointikapasiteetti tekevät siitä yhden ihanteellisen valinnan valmistajille.
NMC:n kemiallinen koostumus voidaan konfiguroida sisältämään erilaisia määriä. NMC-kaava koostuu tyypillisesti 33% nikkeli, 33% mangaani, ja 33% koboltti. Koboltti on yhä kalliimpaa ja vaikeasti kestävää hankintaa, kun maailma pyrkii minimoimaan koboltin käytön.
Joten ainutlaatuinen yhdistelmä 1-1-1 tekee NMC-akuista hyvän valinnan alhaisen kobolttipitoisuuden ja alhaisempien raaka-ainekustannusten vuoksi. Siksi, se on suosittu valinta aloilla, jotka luottavat säännöllisiin sykleihin laajalle levinneissä sovelluksissa, kuten autojen ja energian varastointijärjestelmien akkujen laajamittainen tuotanto (ESS).
Muita menestyneitä yhdistelmärakenteita markkinasovelluksissa ovat NMC811 ja NMC622, ja NMC-sarja kasvaa jatkuvasti mukautuakseen markkinoilla oleviin NMC-litium-ionien sähkökemiallisiin järjestelmiin.
2.5 Litium-nikkeli-kobolttialumiinioksidi (LiNiCoAlO2 tai NCA)
- Korkea ominaisenergia
- Pitkä käyttöikä
- Erinomainen teho ja suorituskyky
- Kustannukset ja turvallisuus ovat suhteellisen huonoja muihin verrattuna
Litium-nikkeli-kobolttialumiinioksidi (NCA) akuilla on yhtäläisyyksiä NMC:n kanssa siinä mielessä, että niillä on korkea ominaisenergia ja hyvät ominaistehotiedot. Tutkimuksessa, jossa verrataan lyijypohjaisen ominaisenergiaa, nikkelipohjainen, ja litiumpohjaiset järjestelmät, havaittiin, että litiumalumiinia (NCA) sillä on suurin ominaisenergia, ja NCA:lla on pitkä käyttöikä yli 2000 latausjaksot.
Energiatiheys 200-260 Wh/kg ja nimellisjännite 3,6 V tekevät NCA:sta ihanteellisen valinnan sähköjärjestelmiin, vaikka tämä kemiallinen koostumus vaatii enemmän huomiota turvallisuuskysymyksiin ja on kallista.
Koska NCA-akut saavuttavat paremman vakauden lisäämällä alumiinia, mutta akkukemiallisissa materiaaleissa, mitä suurempi nikkelipitoisuus, mitä suurempi ominaisenergia, ja mitä huonompi akun vakaus. Siksi, NCA-akkujen on toteutettava enemmän turvatoimia akun laadun ja käyttäjien turvallisuuden varmistamiseksi.
NCA voi toimittaa suhteellisen suuria virtoja pitkän aikaa ja ylläpitää korkeaa latausnopeutta nopeaa latausta varten. Konfiguroituja akkuja voidaan käyttää korkean suorituskyvyn sähköajoneuvoissa tai raskaissa maastoajoneuvoissa (OHEVit), tekee NCA:sta ehdokasmateriaalin sähköajoneuvojen tehojärjestelmiin.
2.6 Litium titanaatti (Li2TiO3 tai LTO)
- Erinomainen turvallisuus
- Nopea lataus
- Pitkä käyttöikä
- Matala ominaisenergia
Siitä lähtien kun tuli markkinoille 2008, litiumtitanaattiakut ovat olleet yksi turvallisimmista litiumioniakuista erinomaisella suorituskyvyllä, kuten lämpöstabiilisuus korkeissa lämpötiloissa ja suuri purkausvirta (10 kertaa nimelliskapasiteetti).
Latausjakso on noin 15000 ajat, ja käyttöikä on pidempi kuin litiumrautafosfaatin.
LTO-akuissa, litiumtitanaatti korvaa anodin grafiitin, kun taas litiummangaanioksidi tai NMC toimii katodimateriaalina. Verrattuna perinteisiin kobolttisekoitettuihin litiumioniakkuihin, litiumtitanaattiakuilla ei ole jännitystä, eikä muodosta SEI:tä (kiinteä elektrolyyttirajapinta) kalvo- tai litiumpinnoite matalan lämpötilan latauksen ja pikalatauksen aikana, varmistaa sen reaktiotehokkuuden.
Litiumtitanaatilla on hyvä ominaisteho ja suorituskyky laajalla lämpötila-alueella, mutta sen kaksi pääasiallista haittaa ovat tuotantokustannukset ja pienempi ominaisteho verrattuna muuntyyppisiin tietoihin.
LTO:ta on käytetty ilmailu- ja sotilasvarusteissa, sekä aurinkoenergiasovelluksia, ja tässä akkukemiassa on vielä kehittämisen varaa.
Johtopäätös
Kuten John B. Goodenough sanoi kerran, “Tiede on kansainvälinen kieli.”. Juuri tämä kieli jatkaa innovaatioiden edistämistä, ja innovatiivinen teknologia on johtanut maailmanlaajuisten litiumioniakkumarkkinoiden jatkuvaan kehitykseen ja elinvoimaisuuteen.
Akkujen valmistajat investoivat jatkuvasti litiumioniakkujen tutkimukseen ja kehittämiseen vapauttaakseen uudentyyppisten litiumioniakkujen potentiaalin. Tässä on vain kuusi suosittua kemiallista litiumioniakkutyyppiä, ja uskon, että saat syvemmän ymmärryksen niiden lukemisen jälkeen.
LCO-akut ovat yleisimmin käytettyjä akkuja kannettavissa elektronisissa laitteissa.
LMO-akut tarjoavat suuremman virran kuin LCO-akut, ja NMC:stä on tullut tärkein katodikemikaali monissa sovelluksissa, koska sen kustannukset ovat alhaisemmat verrattuna muihin kobolttipohjaisiin akkuihin. LTO-akut latautuvat nopeammin, kun taas LFP-akut ovat erittäin vakaita ja turvallisia jopa täyteen ladattuna. NCA toimii hyvin suuren kuormituksen sovelluksissa ja sillä on pitkä akun käyttöikä, joten se on ihanteellinen valinta sähköajoneuvojen valmistajille.
Voidaan sanoa, että heillä jokaisella on omat vahvuutensa ja erityispiirteensä, ja niiden sovellusskenaariot ovat myös erilaisia. Litiumioniakut ovat yksi laajalti käytetyistä ladattavista akuista nykyisillä markkinoilla ja hallitsevat tällä hetkellä toissijaisia akkumarkkinoita.
Ja akkumarkkinoilla on yhä enemmän ja laajempaa kehitystilaa, kuten natrium-ioni-akkujen tutkimus ja kehitys, joka on yksi kymmenen suurimman nousevan teknologian joukossa kemian alalla 2022.
Professori Xia Hui Nanjingin teknillisestä yliopistosta Kiinasta, yhteistyössä kotimaisten ja ulkomaisten tiimien kanssa, on edistynyt merkittävästi mangaanipohjaisten katodimateriaalien tutkimuksessa, joka on myös lupaava tulevaisuuden akkumarkkina editorille.
Aivan kuten ihmiskunnan historiaa luodaan jatkuvasti, myös teknologiset innovaatiot päivittyvät jatkuvasti, ja voimme jatkossakin kiinnittää huomiota akkujen kehittämiseen yhdessä.
