Analiza izgleda litijumskih baterija koje zamjenjuju olovnu kiselinu na polju automobilskih baterija

Olovne baterije su trenutno glavni izvor napajanja SLI u motornim vozilima, a dobile su i mnoge druge primjene. Prednosti litijumskih baterija kao SLI baterija umjesto olovnih baterija uglavnom leže u njihovom dužem vijeku trajanja i većoj gustini energije. U pogledu sigurnosti uzimaju se u obzir novi evropski propisi o baterijama o upotrebi restriktivnih materijala u vozilima, kao i troškovi, dizajn i specifikacije ispitivanja. Uzimaju se u obzir i životni ciklus i recikliranje dviju baterija.

1. Zamjena baterije

Tokom godina, hemijski i proizvodni standardi olovno-kiselih baterija prilagođavali su se novim zahtjevima za snagom i izazovima relativno brzo prilagođavanjem aditiva i poboljšanjem postojećih proizvodnih procesa, umjesto pokušaja redizajniranja potpuno novog sistema baterija. Šezdesetih godina životni vijek olovne SLI baterije bio je oko 3 godine, a do 2015. godine, kako se povećavaju zahtjevi za snagom i aplikacijom, baterija može trajati i pet godina ili više.

Olovne baterije zadržale su tržišni udio, uglavnom zato što mogu zadovoljiti visoku struju potrebnu za hladno pokretanje ICE-a, trajnost ciklusa pri visokim temperaturama, relativno visoku sigurnost i relativno niske troškove. Ako planirate sudjelovati na ovom tržištu, to su izazovi s kojima se mora suočiti bilo koja nova tehnologija baterija. Poslednjih godina stabilnost litijumskih baterija u pogledu hemije i proizvodnje znatno je poboljšana, troškovi su kontinuirano smanjeni, a performanse kontinuirano poboljšavane. U širem smislu, u poređenju sa olovno-kiselinskim baterijama, trenutne glavne prednosti litijum-jonskih SLI baterija su njihova velika gustina energije i dug životni vijek.

Litijum-jonske SLI baterije imaju slične performanse kao i postojeće olovno-kiselinske SLI baterije, a uvedeni su i dodatni testovi za procenu stabilnosti litijum-jonskih SLI baterija. Uključujući stroge sigurnosne mjere, kao što su zaštita od prekomjernog punjenja, ispitivanja uništavanja ili probijanja, kontinuirano pražnjenje i punjenje pri niskim temperaturama i procjena utjecaja taloženja litija.

2. Sigurnosni dizajn litijum-jonske baterije

Glavni izazov u razvoju litijum-jonskih SLI baterija je koliko je baterija sigurna u uslovima zlostavljanja ili starenja i hoće li doći do termičkog odbjega. Provedena su mnoga ispitivanja kako bi se spriječila ova situacija, ali nisu sve situacije predvidive. Kako je nesreća prouzrokovala pretjeranu štetu u unutrašnjosti vozila, što može uzrokovati izgaranje akumulatora uslijed vanjskih ili unutarnjih požara, poduzete mjere predostrožnosti osigurat će da oštećena baterija dalje ne izaziva iskre, smanjujući tako širenje vatre nakon nesreća. Pored toga, jedinstveni faktor baterije je i interni kratki spoj (ISC) koji može nastati uslijed starenja. Neki uobičajeni uvjeti, poput stvaranja litijumovih dendrita, prodiru u membranu da izazovu kratki spoj, što dovodi do smanjenja dijafragme zbog vrućine i kratkog spoja velike površine. Još jedan izazov za standardizirano ispitivanje baterija je da vanjska struktura litij-jonskih baterija može biti cilindrična, vrećica (mekani paket) ili kvadratna. Stoga svaki tip baterije zahtijeva drugačiji postupak mehaničkog ispitivanja. Ove tehnike mogu se koristiti za vođenje razumijevanja korelacije između sigurnosnih ispitivanja i litijum-jonskih SLI baterija.

3. Dizajn SLI baterije

U dizajnu SLI baterija postoji veliki izbor materijala za elektrode i kombinacija baterija. Međutim, kada je ukupni napon akumulatora ograničen na tipičnih 12 V, u ovom je slučaju moguće zamijeniti postojeću olovnu bateriju. Trenutno samo nekoliko baterija povezanih u seriju može postići ispravan napon baterije.

Pored zahtjeva za postizanjem napona akumulatora blizu 12V, moraju se uzeti u obzir i drugi čimbenici kao što je laka dostupnost na potrošačkom tržištu. U poređenju sa standardnim olovno-kiselinskim baterijama, ovi materijali mogu stvoriti konkurentne SLI baterije. Katodni materijali litijum-jonskih baterija mogu se podijeliti na slojevite, spinelne i olivinske vrste. Anodni materijal je uglavnom ugljenik. Pored razmatranja kompatibilnosti katodnih i anodnih materijala kako bi se osigurao ispravan napon i kapacitet baterije, prva od litijum-jonskih baterija Tri važne komponente su njen elektrolit. Za većinu komercijalnih baterija koriste se organski tečni elektroliti zajedno s rastvorljivim litijevim solima, koje mogu osigurati potrebnu provodljivost litijum-jona. Najčešća sol koja se trenutno koristi je LiPF6.

U BEV-u, 12 V litijum-jonska SLI baterija može se koristiti za održavanje ugrađenog elektroničkog sistema vozila&# 39 kada vozilo ne vozi. Korištenje olovnih SLI baterija u ovoj aplikaciji nije idealno jer su obično dizajnirane za velike snage i nije nužno pogodno za scenarije primjene dubokog pražnjenja. S tim u vezi, litijum-jonske SLI baterije samo nadoknađuju nedostatke olovnih SLI baterija.

4. Dizajn balansa baterije i sistema upravljanja baterijama (BMS)

Za razliku od olovnih SLI baterija, izazov za tehnologiju litijum-jonskih baterija je taj što imaju visoku efikasnost punjenja blizu 95% i moraju raditi striktno unutar napona akumulatora. Kada se litijum-jonske baterije serijski sastave i napune, lako mogu odnijeti van prozora napona akumulatora, aktivni materijal može početi doživljavati nepovratne fazne promjene i elektrolit se može početi raspadati. To zauzvrat povećava unutrašnji otpor baterije, povećavajući time efekt neravnoteže baterije. Stoga su upravljanje baterijama i nadgledanje pojedinačnih baterija postali standardna praksa za litijum-jonske module i oni su obično ugrađeni u kućište kutije za baterije. Na tržištu postoji veliki broj BMS sistema, od kojih su mnogi prilagođeni specifičnim hemikalijama litijum-jonskih baterija. Najjednostavniji i najisplativiji način punjenja je ograničiti punjenje serijskog paketa baterija. Bolja metoda je omogućavanje preraspodjele energije između baterija nakon što baterija dosegne gornju granicu napona, sprječavajući prekomjerno punjenje jedne baterije i uzrokujući sigurnosne probleme.

5. Trošak baterije

U poređenju sa postojećim tehnologijama, jedan od glavnih izazova litijum-jonskih SLI baterija je pružanje potrošačima konkurentne cene. Istraživači naporno rade na proučavanju pitanja lanca vrijednosti u proizvodnji litijum-jonskih baterija. Trenutno se smatra da gotovo 60% troškova baterija čine neaktivni materijali poput kolektora struje, separatora i kućišta baterija. Dodatni trošak dolazi od čvrste elektrolitne interfaze (SEI). ) Vrijeme i energija utrošeni u procesu formiranja.

6. Politike i zakonodavstvo

Glavne pokretače tehnologije obično prate određene nacionalne i međunarodne politike povezane sa zdravljem i sigurnošću, praćene zakonodavstvom. To obično uključuje upotrebu određenih hemikalija ili hemijskih dodataka koji se smatraju štetnim za ljude i životnu sredinu. Naročito kada se ove štetne tvari koriste u vozilima, njihov koncept dizajna trebao bi biti u stanju postići&„zeleno recikliranje &“, odnosno mogu se rastaviti tako da se različiti materijali mogu ponovno upotrijebiti, reciklirati ili sigurno odložiti bez izazivanja zagađenja okoline.

7.Standardi i specifikacije

Tokom decenija pojavile su se specifikacije i standardi koji su se postepeno razvijali kako bi se prilagodili performansama i sigurnosti gotovo svih aplikacija baterija, uključujući SLI baterije za vozila. S druge strane, zakoni određenih zemalja ili regija mogu se pozivati ​​na standarde kada se bave određenim zahtjevima koji obično imaju direktan utjecaj na sigurnost i zdravlje zajednice i okoliša. Sjedinjene Američke Države Advanced Battery Alliance (USABC) sastavio je priručnik za testiranje baterija (Revizija 2) za američko Ministarstvo energetike (DoE).

8. Recikliranje baterija

Trenutno je kompanija sa određenom snagom u reciklaži litijum-jonskih baterija.

Gore navedeno rezimira da neke velike kompanije aktivno učestvuju u uspostavljenom procesu recikliranja litijum-jonskih baterija na industrijskoj skali. Kapacitet recikliranja nove reciklažne industrije povećat će se najmanje pet puta u sljedećih 7 do 10 godina.

9. Zaključci i izgledi

Ovaj članak sažima neke faktore zamjene olovnih SLI baterija litijum-jonskim SLI baterijama, što će biti postupan proces u narednih nekoliko godina. Uz masovnu upotrebu sistema za skladištenje obnovljivih izvora energije, upotreba olovnih baterija će i dalje rasti, a fokus litijum-jonskih SLI baterija koristit će se u srednjim i visokim ICE vozilima smještenim u Europi, neke od njih koji su u Aziji i Sjedinjenim Državama. Za mnoga mala i jeftina ICE vozila i dalje će se koristiti olovna SLI baterija, jer će trošak zamjene baterije uvijek biti odlučujući faktor. Uz to, globalno potrošačko tržište će povećati upotrebu&kružne ekonomije &; proizvodi, koji će se fokusirati na smanjenje otpada iz okoline, istovremeno povećavajući reciklažu sirovina. Iako je recikliranje litijum-jonskih baterija još uvijek u povojima, Kina, Japan i druge zemlje već su pokrenule velike inicijative. Sjedinjene Države, Australija i evropske zemlje pokazale su nove funkcije recikliranja materijala u litijum-jonskim baterijama. Ovi procesi recikliranja odvijat će se u sljedećih pet do pet godina. Savršeno za deset godina.