Panoramica
Dall'invenzione e commercializzazione delle batterie negli anni '70, Le batterie agli ioni di litio si sono evolute dalla fornitura di energia a piccoli dispositivi elettronici alla fornitura di elettricità a camion fino a 60 tonnellate, rendere il mercato maturo e importante.
Le politiche e le imprese dei governi di tutto il mondo ne stanno promuovendo lo sviluppo, produzione di batterie agli ioni di litio (note anche come batterie agli ioni di litio) non solo forniscono meno emissioni rispetto ai generatori che utilizzano energia non rinnovabile, ma comportano anche costi inferiori e più opzioni energetiche.
Dopo decenni di test, sono emerse varie configurazioni elettrochimiche, ognuno con le sue caratteristiche uniche e i vantaggi degli attributi, adatto per prodotti di diversi settori.
In questo articolo, verranno introdotti sei diversi tipi di chimica delle batterie agli ioni di litio, che credo ti sarà utile.
Sommario
1.Quali sono i tipi di batterie esistenti nei sistemi a pannelli solari?
Quando si parla di impianti a pannelli solari, i principali tipi di batterie sul mercato sono le batterie al piombo e le batterie agli ioni di litio. Il primo ha un prezzo relativamente basso, ma un volume maggiore e una durata prevista generalmente compresa tra 2 E 5 anni.
Sebbene le batterie agli ioni di litio siano più costose delle batterie al piombo, le loro prestazioni sono più stabili e la durata prevista è più lunga (10 A 12 anni), facendoli diventare gradualmente il materiale più popolare sul mercato.
Inoltre, esistono altri tipi chimici di batterie che occupano una posizione intermedia in termini di efficienza e costo, e hanno anche i propri mercati a causa delle diverse prospettive ed esigenze applicative.
Per esempio, le batterie al nichel-cadmio possono immagazzinare energia a basse temperature, ma la loro densità è bassa, quindi non possono immagazzinare una grande quantità di energia. Rispetto alle batterie sopra citate, le batterie al nichel idrogeno hanno una maggiore capacità di accumulo e minori costi di manutenzione rispetto agli anni precedenti, e sarà favorito anche dal mercato.
L’energia al litio è un campo di ricerca attivo e caldo, e attualmente i prodotti chimici per batterie più popolari includono:
Litio nichel manganese cobalto (LiNixMnyCozO2 o NMC)
Ossido di alluminio litio nichel cobalto (LiNiCoAlO2 o NCA)
Fosfato di ferro e litio (LiFePO4 o LFP)
Ossido di litio cobalto (LiCoO2 o LCO)
Ossido di litio e manganese (LiMn2O4 o LMO)
Titanato di litio (Li2TiO3 o LTO)
Sebbene queste siano tutte batterie al litio, ci sono diverse differenze tra loro.
2.Tipi chimici di batterie agli ioni di litio
2.0 Termini tecnici relativi ai tipi chimici di batterie agli ioni di litio
Analizzare e comprendere i tipi chimici delle batterie agli ioni di litio, comprendere prima i termini di valutazione rilevanti, che ti aiuterà a comprendere i concetti e a fare confronti migliori.
2.0.1 Energia specifica
Capacità di tempo di funzionamento, espresso in kilowattora per chilogrammo.
2.0.2 Potenza specifica
Capacità di trasporto in condizioni di corrente elevata, espresso in watt per chilogrammo。
2.0.3 Sicurezza
A giudicare dalla soglia di temperatura della fuga termica
2.0.4 Prestazione
Capacità, voltaggio, e la resistenza indicano anche le prestazioni della batteria a diverse temperature.
2.0.5 Durata di servizio
Il tempo di utilizzo totale dei cicli completi di carica/scarica della batteria.
2.0.6 Costo dell'investimento
Il costo delle materie prime, componenti di assemblaggio, e investimenti in tecnologia del lavoro.
2.1 Ossido di litio cobalto (LiCoO2 o LCO)
- Energia specifica elevata (densita 'energia)
- Potenza specifica limitata
- Bassa sicurezza
- Breve durata
Batterie al litio ossido di cobalto, note anche come batterie all'ossido di litio cobalto o agli ioni di litio cobalto, sono conosciuti da allora 1991. L'ossido di litio cobalto può formare una composizione chimica per batterie ad alta energia specifica, con carbonio grafite come anodo e ossido di cobalto come catodo, e una struttura a strati che facilita il movimento degli ioni.
La tensione nominale è 3,7 V e la densità di energia è 150 a 180Wh/kg.
Questa prestazione ad alta energia specifica ma a bassa potenza specifica significa che può essere erogato a carichi a bassa potenza per un lungo periodo, quindi le batterie LCO sono comunemente utilizzate negli smartphone, compresse, e laptop.
Tuttavia, questo tipo di batteria chimica ha un punteggio di sicurezza inferiore, soprattutto in termini di stabilità termica, poiché l'elevata resistenza può causare il surriscaldamento della batteria e aumentare il rischio di fuga termica.
Perciò, insieme alla sua durata di vita e al ciclo di ricarica più brevi, Le batterie LCO non sono più la scelta più popolare poiché vari settori investono in altre tecnologie di batterie più convenienti.
Nel frattempo, c’è una ragione speciale per cui l’estrazione del cobalto comporta violazioni dei diritti umani. La Repubblica Democratica del Congo fornisce quasi 70% delle materie prime mondiali di cobalto.
Tuttavia, non esistono leggi sul lavoro o norme di sicurezza per il manuale (su piccola scala) operazioni minerarie nell’ambito del progetto di estrazione del cobalto nel secondo paese più grande dell’Africa. L’estrazione manuale ad alto rischio, l’impiego di lavoro minorile durante il processo minerario, e le cattive condizioni di lavoro hanno valso all’industria mineraria del cobalto il titolo di “batteria di sangue”.
Le batterie agli ioni di litio senza cobalto possono aiutarci a utilizzare materiali per batterie che siano etici per l’uomo.
2.2 Ossido di litio e manganese (LiMn2O4 o LMO)
- Migliora la sicurezza
- Elevata stabilità termica
- Ciclo di vita limitato
- Energia specifica media
- Rapporto di potenza moderato
Le batterie LMO sono comunemente chiamate ossido di litio e manganese, Manganese agli ioni di litio, e spinello di manganese, e sono conosciuti da allora 1996. La sua struttura forma una struttura tridimensionale di spinello o una struttura cristallina di catodo di ossido di litio e manganese.
La struttura dello spinello può migliorare il movimento corrente e la traiettoria del flusso ionico, ridurre la resistenza interna, e migliorare la sicurezza e la stabilità.
Il design al litio manganese ha massimizzato la durata della batteria, sicurezza, e potere specifico. A causa della composizione chimica delle batterie ibride che può prolungare la durata della batteria e migliorare l'energia specifica della batteria, molti veicoli elettrici come BMW i3 e Nissan Leaf hanno scelto la combinazione LMO-NMC. Il componente LMO fornisce corrente elevata durante l'accelerazione, mentre NMC aumenta l'autonomia.
2.3 Fosfato di ferro e litio (LiFePO4 o LFP)
- Alta sicurezza
- Elevato potere specifico
- Ciclo di vita lungo
- Energia specifica bassa
Il fosfato di ferro e litio è un tipo di LiFePO4 o LFP batteria, e la scoperta del fosfato come materiale catodico ha guidato lo sviluppo di batterie al litio ricaricabili.
Dopo decenni di sviluppo e applicazione, ora è diventato un materiale popolare.
Le batterie LFP vengono utilizzate principalmente per l'accumulo di energia e altre applicazioni che richiedono elevata sicurezza, ad alta potenza, e lunga durata. La tensione nominale delle batterie LiFePO4 è inferiore, con conseguente energia specifica inferiore rispetto alle batterie agli ioni di litio-cobalto.
Sebbene la densità energetica della composizione chimica di questa batteria sia leggermente inferiore (3.2V/Cell), ha una lunga durata, costo più basso, ed è più sicuro.
Può sopportare anche differenze di temperatura molto elevate, rendendolo popolare nelle industrie con carichi elevati e ambienti difficili. Ha buone prestazioni elettrochimiche e una maggiore tolleranza al sovraccarico delle batterie, ed è anche popolare nelle apparecchiature utilizzate in postazioni fisse ad alta durabilità.
Il progresso della tecnologia chimica delle batterie ha reso la sostituzione delle batterie tradizionali un passo inevitabile. Per esempio, Le batterie al litio fosfato possono sostituire le batterie di avviamento al piombo-acido – Le batterie al litio fosfato funzionano bene quando quattro batterie sono collegate in serie, producendo una tensione pari alla tensione generata da sei batterie al piombo collegate in serie.
Ciò riflette anche le eccellenti prestazioni e la redditività economica delle batterie LiFePO4.
2.4 Litio nichel manganese cobalto (LiNixMnyCozO2 o NMC)
- Elevato potere specifico
- Energia specifica elevata
- Alta sicurezza
- Costo medio
- Nel complesso buona prestazione
Il litio nichel manganese cobalto è uno dei materiali chimici leader nel mercato delle batterie, tra gli altri materiali. Batterie, noto anche come NMC, NCM, eccetera., possono essere utilizzate come batterie energetiche o batterie di potenza.
La batteria NMC è una delle batterie combinate catodiche agli ioni di litio, nichel, manganese, cobalto, di maggior successo.
Sulla base di costi di produzione inferiori, può anche fornire un'elevata energia specifica e ha una buona sicurezza. Di 2000 i cicli di ricarica dimostrano che ha anche un'eccellente durata.
La sua tensione nominale è di 3,6 V e la densità di energia è di 150-220 Wh/kg, rendendolo una scelta di alta qualità nel settore dei veicoli elettrici. Combinando i vantaggi del nichel (energia specifica elevata) e manganese (formando strutture di spinello per ottenere una bassa resistenza interna), Le batterie NMC sono ampiamente utilizzate in settori come quello delle biciclette elettriche, veicoli elettrici, e attrezzature mediche.
NMC ha anche il tasso di riscaldamento autonomo più basso tra le sei configurazioni, ed è leggero, taglia piccola, e la forte capacità di accumulo di energia lo rendono una delle scelte ideali per i produttori.
La composizione chimica di NMC può essere configurata per contenere quantità diverse. La formula NMC è tipicamente composta da 33% nichel, 33% manganese, E 33% cobalto. Il cobalto sta diventando sempre più costoso ed è difficile sostenerne l’approvvigionamento, mentre il mondo sta spingendo per ridurre al minimo l’uso del cobalto.
Quindi la combinazione unica di 1-1-1 rende le batterie NMC una buona scelta grazie al loro basso contenuto di cobalto e ai minori costi delle materie prime. Perciò, è una scelta popolare nei settori che fanno affidamento su cicli frequenti per applicazioni diffuse, come la produzione su larga scala di batterie per automobili e sistemi di stoccaggio dell’energia (ESS).
Altre strutture combinate di successo nelle applicazioni di mercato sono NMC811 e NMC622, e la serie NMC è in costante crescita per adattarsi ai sistemi elettrochimici di ioni di litio misti NMC presenti sul mercato.
2.5 Ossido di alluminio litio nichel cobalto (LiNiCoAlO2 o NCA)
- Energia specifica elevata
- Lunga durata
- Potenza e prestazioni eccellenti
- I costi e la sicurezza sono relativamente scarsi rispetto ad altri
Ossido di alluminio litio nichel cobalto (NCA) le batterie hanno somiglianze con le NMC in quanto hanno un'energia specifica elevata e buoni dati di potenza specifica. In uno studio che confronta l'energia specifica del piombo, a base di nichel, e sistemi basati sul litio, si è scoperto che il litio alluminio (NCA) ha l'energia specifica più alta, e NCA ha un ciclo di vita elevato superiore 2000 cicli di ricarica.
La densità energetica di 200-260 Wh/kg e la tensione nominale di 3,6 V rendono NCA la scelta ideale per i sistemi di alimentazione, sebbene questa composizione chimica richieda maggiore attenzione ai problemi di sicurezza ed è costosa.
Perché le batterie NCA raggiungono una maggiore stabilità aggiungendo alluminio, ma nei materiali chimici delle batterie, maggiore è il contenuto di nichel, maggiore è l'energia specifica, e minore è la stabilità della batteria. Perciò, Le batterie NCA devono adottare maggiori misure di sicurezza per garantire la qualità della batteria e la sicurezza dell'utente.
NCA può fornire correnti relativamente elevate per un lungo periodo e mantenere velocità di ricarica elevate per una ricarica rapida. Le batterie configurate possono essere utilizzate per veicoli elettrici ad alte prestazioni o veicoli elettrici fuoristrada pesanti (OHEV), rendendo NCA un materiale candidato per i sistemi di alimentazione dei veicoli elettrici.
2.6 Titanato di litio (Li2TiO3 o LTO)
- Sicurezza eccellente
- Ricarica rapida
- Lunga durata
- Energia specifica bassa
Da quando sono entrato nel mercato in 2008, Le batterie al titanato di litio sono state una delle batterie agli ioni di litio più sicure con prestazioni eccellenti, come la stabilità termica alle alte temperature e l'elevata corrente di scarica (10 volte la capacità nominale).
Il ciclo di ricarica è di circa 15000 volte, e la durata è più lunga di quella del litio ferro fosfato.
Nelle batterie LTO, il titanato di litio sostituisce la grafite nell'anodo, mentre l'ossido di litio e manganese o NMC funge da materiale catodico. Rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio miste al cobalto, Le batterie al titanato di litio hanno caratteristiche di deformazione zero, e non formerà il SEI (interfaccia elettrolitica solida) pellicola o rivestimento al litio durante la ricarica a bassa temperatura e la ricarica rapida, garantendone l’efficienza della reazione.
Il titanato di litio ha una buona potenza specifica e prestazioni in un ampio intervallo di temperature, ma i suoi due principali svantaggi sono il costo di produzione e una potenza specifica inferiore rispetto ad altri tipi di dati.
LTO è stato utilizzato nelle apparecchiature aerospaziali e militari, così come le applicazioni dell'energia solare, e c'è ancora spazio per ulteriori sviluppi nella chimica delle batterie.
Conclusione
Come John B. Goodenough disse una volta, “La scienza è una lingua internazionale.”. È proprio questo linguaggio che continuerà a promuovere l’innovazione, e la tecnologia innovativa ha portato al continuo sviluppo e vitalità del mercato globale delle batterie agli ioni di litio.
I produttori di batterie investono continuamente nella ricerca e nello sviluppo di batterie agli ioni di litio per liberare il potenziale di nuovi tipi di batterie agli ioni di litio. Qui ci sono solo sei tipi chimici popolari di batterie agli ioni di litio, e credo che avrai una comprensione più profonda dopo averli letti.
Le batterie LCO sono le batterie più comunemente utilizzate nei dispositivi elettronici portatili.
Le batterie LMO forniscono una corrente maggiore rispetto alle batterie LCO, e l'NMC è diventata la principale sostanza chimica catodica per molte applicazioni grazie al suo costo inferiore rispetto ad altre batterie a base di cobalto. Le batterie LTO si caricano più velocemente, mentre le batterie LFP sono molto stabili e sicure anche quando sono completamente cariche. NCA funziona bene in applicazioni con carico elevato e ha una lunga durata della batteria, rendendolo la scelta ideale per i produttori di veicoli elettrici.
Si può dire che ognuno di essi ha i propri punti di forza e caratteristiche distinte, e anche i loro scenari applicativi sono diversi. Le batterie agli ioni di litio sono una delle batterie ricaricabili ampiamente utilizzate nel mercato attuale e attualmente dominano il mercato delle batterie secondarie.
E lo spazio di sviluppo nel mercato delle batterie è ancora maggiore e più ampio, come la ricerca e lo sviluppo di batterie agli ioni di sodio, che è una delle prime dieci tecnologie emergenti nel campo chimico in 2022.
Il professor Xia Hui dell'Università della Tecnologia di Nanchino in Cina, in collaborazione con squadre nazionali ed estere, ha compiuto progressi significativi nella ricerca di materiali catodici a base di manganese, che è anche un futuro promettente mercato delle batterie per l'editore.
Proprio come la storia umana viene costantemente creata, anche l'innovazione tecnologica è in continuo aggiornamento, e possiamo continuare a prestare attenzione allo sviluppo delle batterie insieme.
