Översikt
Sedan uppfinningen och kommersialiseringen av batterier på 1970-talet, litiumjonbatterier har utvecklats från att leverera ström till små och elektroniska enheter till att leverera el till lastbilar som väger upp till 60 ton, gör marknaden mogen och viktig.
Politiken och företagen hos regeringar runt om i världen främjar dess utveckling, tillverkar litiumjonbatterier (även kända som litiumjonbatterier) ger inte bara mindre utsläpp än generatorer som använder icke förnybar energi, men kommer också med lägre kostnader och fler energialternativ.
Efter decennier av tester, olika elektrokemiska konfigurationer har dykt upp, var och en med sina unika egenskaper och attributfördelar, lämplig för produkter inom olika branscher.
I den här artikeln, sex olika typer av litiumjonbatterikemi kommer att introduceras, som jag tror kommer att vara till hjälp för dig.
Innehållsförteckning
1.Vilka är de befintliga typerna av batterier i solpanelsystem?
När man diskuterar solpanelssystem, huvudtyperna av batterier på marknaden är blybatterier och litiumjonbatterier. Den förra har ett relativt lågt pris, men en större volym och en förväntad livslängd i allmänhet mellan 2 och 5 år.
Även om litiumjonbatterier är dyrare än blybatterier, deras prestanda är stabilare och deras förväntade livslängd är längre (10 till 12 år), vilket gör att de gradvis blir det mest populära materialet på marknaden.
Dessutom, det finns andra kemiska typer av batterier som har en mellanposition i effektivitet och kostnad, och de har också sina egna marknader på grund av olika perspektiv och tillämpningsbehov.
Till exempel, nickelkadmiumbatterier kan lagra energi vid låga temperaturer, men deras densitet är låg, så de kan inte lagra en stor mängd energi. Jämfört med de tidigare nämnda batterierna, nickelvätebatterier har högre lagringskapacitet och lägre underhållskostnader jämfört med tidigare år, och kommer också att gynnas av marknaden.
Litiumenergi är ett aktivt och hett forskningsfält, och för närvarande de mest populära batterikemikalierna inkluderar:
Litium nickel mangan kobolt (LiNixMnyCozO2 eller NMC)
Litium nickel kobolt aluminiumoxid (LiNiCoAlO2 eller NCA)
Litiumjärnfosfat (LiFePO4 eller LFP)
Litiumkoboltoxid (LiCoO2 eller LCO)
Litium manganoxid (LiMn2O4 eller LMO)
Litiumtitanat (Li2TiO3 eller LTO)
Även om dessa alla är litiumbatterier, det finns olika skillnader mellan dem.
2.Kemiska typer av litiumjonbatterier
2.0 Tekniska termer relaterade till kemiska typer av litiumjonbatterier
Att analysera och förstå de kemiska typerna av litiumjonbatterier, först förstå de relevanta utvärderingsvillkoren, som hjälper dig att förstå begreppen och göra bättre jämförelser.
2.0.1 Specifik energi
Drifttidskapacitet, uttryckt i kilowattimmar per kilogram.
2.0.2 Specifik kraft
Transportkapacitet under stark ström, uttryckt i watt per kilogram。
2.0.3 säkerhet
Bedömning baserat på temperaturtröskeln för termisk runaway
2.0.4 Prestanda
Kapacitet, Spänning, och motstånd indikerar också batteriprestanda vid olika temperaturer.
2.0.5 Serviceliv
Den totala användningstiden för hela laddningsurladdningscyklerna för batteriet.
2.0.6 Investeringskostnad
Kostnaden för råvaror, monteringskomponenter, och investeringar i arbetskraftsteknik.
2.1 Litiumkoboltoxid (LiCoO2 eller LCO)
- Hög specifik energi (energi densitet)
- Begränsad specifik kraft
- Låg säkerhet
- Kort livslängd
Litiumkoboltoxidbatterier, även känd som litiumkoboltoxid eller litiumjonkoboltbatterier, har varit kända sedan dess 1991. Litiumkoboltoxid kan bilda en batterikemisk sammansättning med hög specifik energi, med grafitkol som anod och koboltoxid som katod, och en skiktad struktur som underlättar jonrörelse.
Den nominella spänningen är 3,7V och energitätheten är 150 till 180Wh/kg.
Denna höga specifika energi men låga specifika effektprestanda gör att den kan levereras till lågeffektbelastningar under lång tid, så LCO-batterier används ofta i smartphones, tabletter, och bärbara datorer.
dock, denna typ av kemiska batterier har lägre säkerhetspoäng, speciellt när det gäller termisk stabilitet, eftersom hög hållfasthet kan få batteriet att överhettas och öka risken för termisk rusning.
Därför, tillsammans med dess kortare livslängd och laddningscykel, LCO-batterier är inte längre det populäraste valet eftersom olika industrier investerar i andra mer kostnadseffektiva batteriteknologier.
Under tiden, Det finns en särskild anledning till att koboltbrytning innebär kränkningar av mänskliga rättigheter. Demokratiska republiken Kongo levererar nästan 70% av världens koboltråvaror.
dock, det finns inga arbetslagar eller säkerhetsföreskrifter för manual (småskalig) gruvverksamhet inom koboltgruvprojektet i det näst största landet i Afrika. Högrisk manuell gruvdrift, anställning av barnarbete under gruvprocessen, och dåliga arbetsförhållanden har gett koboltgruvindustrin titeln “blodbatteri”.
Koboltfria litiumjonbatterier kan hjälpa oss att använda batterimaterial som är etiska för människor.
2.2 Litium manganoxid (LiMn2O4 eller LMO)
- Förbättra säkerheten
- Hög termisk stabilitet
- Begränsad cykellivslängd
- Mediumspecifik energi
- Måttligt effektförhållande
LMO-batterier kallas vanligtvis litiummanganoxid, litiumjonmangan, och manganspinell, och har varit kända sedan dess 1996. Dess struktur bildar en tredimensionell spinellstruktur eller litiummanganoxidkatodkristallramverk.
Spinellstrukturen kan förbättra den nuvarande rörelsen och jonflödesbanan, minska inre motstånd, och förbättra säkerheten och stabiliteten.
Litiummangandesignen har maximerat batteriets livslängd, säkerhet, och specifik kraft. På grund av den kemiska sammansättningen av hybridbatterier som kan förlänga batteritiden och förbättra batterispecifik energi, många elfordon som BMW i3 och Nissan Leaf har valt kombinationen LMO-NMC. LMO-komponenten ger hög ström under acceleration, medan NMC ökar driving range.
2.3 Litiumjärnfosfat (LiFePO4 eller LFP)
- Hög säkerhet
- Hög specifik effekt
- Lång cykellivslängd
- Låg specifik energi
Litiumjärnfosfat är en typ av LiFePO4 eller LFP batteri, och upptäckten av fosfat som katodmaterial har drivit utvecklingen av laddningsbara litiumbatterier.
Efter decennier av utveckling och tillämpning, det har nu blivit ett populärt material.
LFP-batterier används främst för energilagring och andra applikationer som kräver hög säkerhet, hög kraft, och lång livslängd. Den nominella spänningen för LiFePO4-batterier är lägre, vilket resulterar i lägre specifik energi än koboltlitiumjonbatterier.
Även om energitätheten för detta batteris kemiska sammansättning är något lägre (3.2V/Cell), den har lång livslängd, lägre kostnad, och är säkrare.
Den tål till och med mycket stora temperaturskillnader, vilket gör den populär i industrier med hög belastning och tuffa miljöer. Den har bra elektrokemisk prestanda och större tolerans mot överladdning av batterier, och är också populär i utrustning som används på fasta platser med hög hållbarhet.
Framsteg inom batterikemi har gjort det till ett oundvikligt steg för traditionella batterier att bytas ut. Till exempel, litiumfosfatbatterier kan ersätta bly-syra startbatterier – litiumfosfatbatterier fungerar bra när fyra batterier är seriekopplade, producerar en spänning som är lika med den spänning som genereras av sex bly-syrabatterier kopplade i serie.
Detta återspeglar också den utmärkta prestandan och ekonomiska livskraften hos LiFePO4-batterier.
2.4 Litium nickel mangan kobolt (LiNixMnyCozO2 eller NMC)
- Hög specifik effekt
- Hög specifik energi
- Hög säkerhet
- Medium kostnad
- Överlag bra prestanda
Litiumnickel mangan kobolt är bland annat ett av de ledande kemiska materialen på batterimarknaden. Batterier, även känd som NMC, NCM, etc., kan användas som energibatterier eller kraftbatterier.
NMC batteri är en av de mest framgångsrika nickel mangan kobolt litium-jon katod kombination batteriprodukter.
På basis av lägre produktionskostnader, den kan också ge hög specifik energi och har god säkerhet. Handla om 2000 laddningscykler bevisar att den också har utmärkt livslängd.
Dess nominella spänning är 3,6V och energitätheten är 150-220Wh/kg, vilket gör det till ett högkvalitativt val inom elfordonsindustrin. Kombinera fördelarna med nickel (hög specifik energi) och mangan (bildar spinellstrukturer för att uppnå lågt inre motstånd), NMC-batterier används ofta i industrier som elcyklar, elektriska fordon, och medicinsk utrustning.
NMC har också den lägsta självuppvärmningshastigheten bland de sex konfigurationerna, och dess lätta, liten storlek, och stark energilagringskapacitet gör den till ett av de idealiska valen för tillverkare.
Den kemiska sammansättningen av NMC kan konfigureras för att innehålla olika mängder. NMC-formeln består vanligtvis av 33% nickel, 33% mangan, och 33% kobolt. Kobolt blir allt dyrare och svårare att upprätthålla, som världen driver på för att minimera användningen av kobolt.
Så den unika kombinationen av 1-1-1 gör NMC-batterier till ett bra val på grund av deras låga kobolthalt och lägre råvarukostnader. Därför, det är ett populärt val i branscher som förlitar sig på frekventa cykler för utbredda tillämpningar, som storskalig produktion av batterier i bilar och energilagringssystem (ESS).
Andra framgångsrika kombinationsstrukturer i marknadsapplikationer är NMC811 och NMC622, och NMC-serien växer ständigt för att anpassa sig till de elektrokemiska systemen för NMC blandade litiumjoner på marknaden.
2.5 Litium nickel kobolt aluminiumoxid (LiNiCoAlO2 eller NCA)
- Hög specifik energi
- Lång livslängd
- Utmärkt kraft och prestanda
- Kostnad och säkerhet är relativt dålig jämfört med andra
Litium nickel kobolt aluminiumoxid (NCA) batterier har likheter med NMC genom att de har hög specifik energi och bra specifik effektdata. I en studie som jämför den specifika energin hos blybaserat, nickelbaserad, och litiumbaserade system, det visade sig att litiumaluminium (NCA) har den högsta specifika energin, och NCA har en hög cykellivslängd på över 2000 laddningscykler.
Energitätheten på 200-260Wh/kg och den nominella spänningen på 3,6V gör NCA till ett idealiskt val för kraftsystem, även om denna kemiska sammansättning kräver mer uppmärksamhet på säkerhetsfrågor och är kostsam.
Eftersom NCA-batterier uppnår högre stabilitet genom att tillsätta aluminium, men i batterikemiska material, ju högre nickelhalt, ju högre specifik energi, och ju sämre batteristabilitet. Därför, NCA-batterier måste vidta fler säkerhetsåtgärder för att säkerställa batterikvalitet och användarsäkerhet.
NCA kan leverera relativt stora strömmar under lång tid och hålla höga laddningshastigheter för snabbladdning. De konfigurerade batterierna kan användas för högpresterande elfordon eller tunga offroad elfordon (OHEVs), gör NCA till ett kandidatmaterial för elfordonskraftsystem.
2.6 Litiumtitanat (Li2TiO3 eller LTO)
- Utmärkt säkerhet
- Snabbladdning
- Lång livslängd
- Låg specifik energi
Sedan de kom in på marknaden 2008, litiumtitanatbatterier har varit ett av de säkraste litiumjonbatterierna med utmärkt prestanda, såsom termisk stabilitet vid höga temperaturer och hög urladdningsström (10 gånger den nominella kapaciteten).
Laddningscykeln är ca 15000 gånger, och livslängden är längre än för litiumjärnfosfat.
I LTO-batterier, litiumtitanat ersätter grafiten i anoden, medan litiummanganoxid eller NMC fungerar som katodmaterial. Jämfört med traditionella koboltblandade litiumjonbatterier, litiumtitanatbatterier har nollspänningsegenskaper, och kommer inte att bilda SEI (fast elektrolytgränssnitt) film eller litiumbeläggning under lågtemperaturladdning och snabbladdning, säkerställa dess reaktionseffektivitet.
Litiumtitanat har bra specifik kraft och prestanda över ett brett temperaturområde, men dess två huvudsakliga nackdelar är produktionskostnad och lägre specifik effekt jämfört med andra typer av data.
LTO har använts inom flyg- och militärutrustning, såväl som solenergiapplikationer, och det finns fortfarande utrymme för vidareutveckling inom denna batterikemi.
Slutsats
Som John B. Goodenough sa en gång, “Vetenskap är ett internationellt språk.”. Det är just detta språk som kommer att fortsätta att främja innovation, och innovativ teknologi har lett till den kontinuerliga utvecklingen och vitaliteten på den globala marknaden för litiumjonbatterier.
Batteritillverkare investerar kontinuerligt i forskning och utveckling av litiumjonbatterier för att frigöra potentialen hos nya typer av litiumjonbatterier. Här är bara sex populära kemiska typer av litiumjonbatterier, och jag tror att du kommer att få en djupare förståelse efter att ha läst dem.
LCO-batterier är de mest använda batterierna i bärbara elektroniska enheter.
LMO-batterier ger högre ström än LCO-batterier, och NMC har blivit den viktigaste katodkemikalien för många applikationer på grund av dess lägre kostnad jämfört med andra koboltbaserade batterier. LTO-batterier laddas snabbare, medan LFP-batterier är mycket stabila och säkra även när de är fulladdade. NCA presterar bra i applikationer med hög belastning och har lång batteritid, vilket gör det till ett idealiskt val för elbilstillverkare.
Man kan säga att de var och en har sina egna styrkor och distinkta egenskaper, och deras tillämpningsscenarier är också olika. Litiumjonbatterier är ett av de flitigt använda uppladdningsbara batterierna på den nuvarande marknaden och dominerar för närvarande den sekundära batterimarknaden.
Och det finns fortfarande större och bredare utvecklingsutrymme på batterimarknaden, såsom forskning och utveckling av natriumjonbatterier, som är en av de tio främsta framväxande teknologierna inom det kemiska området i 2022.
Professor Xia Hui från Nanjing University of Technology i Kina, i samarbete med inhemska och utländska team, har gjort betydande framsteg i forskningen om manganbaserade katodmaterial, vilket också är en lovande framtida batterimarknad för redaktören.
Precis som mänsklig historia ständigt skapas, teknisk innovation uppdateras också ständigt, och vi kan fortsätta att uppmärksamma utvecklingen av batterier tillsammans.
