Литий-ионные аккумуляторные батареи: материалы, технологии и новые области применения

Портативные электронные устройства стали частью нашего современного технологического мира. Литий-ионные аккумуляторные батареи используются в качестве источника питания в основном в портативных устройствах. Давайте углубимся в то, что делает литиево-ионные батареи такими особенными и как литиевые батареи станут еще лучше в будущем.

Какие материалы делают литий-ионный аккумулятор?

Литиевая батарея состоит из батарей меньшего размера, называемых ячейками. Каждая ячейка представляет собой небольшой химический производственный комплекс, состоящий из электролита, соединяющего два разнородных электрода. Как и в любой другой батарее, есть положительный и отрицательный электроды, называемые катодом и анодом соответственно.

Катодные материалы

Катод или положительный электрод литий-ионных аккумуляторов изготовлен из современных материалов, в том числе чистых оксидов лития-металла. Существует множество вариантов материалов, которые можно использовать, например оксид лития, кобальта (LiCoO2), оксид лития (триоксо) марганец (LiMn2O4), Li (NixMnyCoz) O2], оксиды ванадия, оливины (такие как LiFePO4) и перезаряжаемые оксиды лития. Слоистый оксидный материал, содержащий никель и кобальт, в основном используется в литий-ионных батареях. Чем однороднее будет состав, тем лучше будет производительность и тем дольше будет срок службы батареи.

В то время как некоторые оксиды металлов демонстрируют высокую стабильность в диапазоне высокого напряжения, есть некоторые, которые имеют некоторые ограничения. Например, ограниченная доступность кобальта является проблемой. Кроме того, кобальт - токсичный металл, что является самым большим недостатком для массового производства. Марганец - дешевый металл с высоким тепловым порогом, но он демонстрирует ограниченное циклическое поведение. Следовательно, вместо того, чтобы использовать металлы по отдельности, часто используется комбинация кобальта, никеля и марганца для получения наилучшего результата и сведения к минимуму связанных с этим недостатков.

Что касается оксидов ванадия, они демонстрируют отличную кинетику и огромную емкость. Хотя из-за введения и извлечения лития материал оксида ванадия может стать аморфным. Это, в свою очередь, ограничивает поведение при езде на велосипеде. Преимущество оливинов в том, что они нетоксичны, но они обладают умеренной способностью. Также у них низкая проводимость. Были введены многочисленные методы нанесения покрытий, чтобы компенсировать плохую проводимость; однако все это связано с дополнительными затратами на обработку батареи.

Анодные материалы

С другой стороны, есть еще один электрод, называемый анодом. Анодные материалы для литий-ионных аккумуляторов представляют собой графит, легирующие литий материалы, литий, интерметаллиды или кремний. Литий кажется самым простым материалом, но есть опасения по поводу его цикличности и роста дендритов, которые вызывают короткие замыкания. По этой причине углеродистые аноды являются наиболее предпочтительным анодным материалом из-за их низкой стоимости и высокой доступности. Однако более высокая плотность заряда в мАч / г лития превосходит эти углеродистые аноды. Чтобы увеличить емкость, ученые используют углеродные нанотрубки и новые разновидности графита. Интерметаллические соединения и аноды из сплавов также показали высокую емкость, но из-за значительного изменения объема эти соединения демонстрируют плохие циклические характеристики. Для преодоления этого изменения объема можно использовать нанокристаллические материалы.

Электролиты

Батарея заполнена транспортной средой - электролитом, так что ионы лития, несущие заряд батареи, могут свободно течь. Этот электролит должен быть чистым и не содержать воды, чтобы обеспечить эффективную зарядку и разрядку во избежание короткого замыкания. Могут использоваться многие типы электролитов, называемые жидкими, полимерными и твердотельными электролитами. В основном предпочтительны электролиты на основе растворителей, содержащие соль лития в органическом растворителе, таком как бис (оксалато) борат (LiBC4O8) (LiBOB), гексафторфосфат лития (LiPF?), Фторалкилфосфат лития Li [PF3 (C2F5) 3] или похожий. Однако использование органического растворителя представляет опасность для окружающей среды, наряду с проблемой воспламеняемости, твердые полимерные электролиты являются отличной альтернативой для улучшения характеристик безопасности батарей.

Следовательно, должна существовать подходящая комбинация материалов отрицательных, положительных электродов и материалов электролита для производства рентабельной литий-ионной батареи большой емкости.

2019 Новое применение литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы имеют широкий спектр применения. С тех пор, как эти батареи были впервые выпущены, было проведено бесчисленное количество исследований и множество улучшений, направленных на повышение производительности этих батарей. Литий-ионная технология, являющаяся частью нашего повседневного современного общества, является доминирующей технологией. Посмотрите на свои портативные электронные устройства - смартфоны, ноутбуки и планшеты, гибридные и полностью электрические автомобили - все это литий-ионные. Поскольку общество приближается к выпуску продуктов с меньшим выбросом углерода и энергоэффективности, литий-ионная технология предпочтительнее в автомобильном секторе. Эти батареи могут накапливать энергию ветра и солнца. Современному электромобилю предсказывают большое будущее по сокращению выбросов углекислого газа. Между тем, способы утилизации лития из использованных батарей также рассматривались экспертами. Согласно новому исследованию, к 2050 году литий-ионные батареи станут доступной технологией для резервирования электроэнергии для большинства приложений. Одним из таких приложений является обеспечение того, чтобы в энергосистемах не возникали сильные колебания, и предоставление клиентам возможности управлять своими счетами. Эти приложения имеют решающее значение в мире, где мы в значительной степени полагаемся на прерывистые источники энергии, такие как энергия ветра и солнца. Значительно увеличилось использование литий-ионных аккумуляторов для следующих новых областей применения:

● Электроинструменты.

● Портативное зарядное устройство.

● Коммуникационное оборудование

● Носимые устройства.

● Дроны

Тенденция спроса на литий-ионные батареи в 2019 году

Литий-ионные батареи используются уже много лет. К 2026 году рынок литий-ионных аккумуляторов, по прогнозам, вырастет с 36,20 млрд долларов США в 2018 году до 109,72 млрд долларов США при среднегодовом темпе роста 13,4%. Тот факт, что литий-ионные батареи все чаще используются в качестве полностью заряженных электромобилей (BEV) и гибридных источников питания, делает их идеальным выбором в автомобильной промышленности. Кроме того, растет спрос на литий-ионные батареи в различных сферах применения, таких как электроника, ветроэнергетика, военный и промышленный сектор.

Вот несколько последних тенденций в области литий-ионных аккумуляторов.

● Высокая никелизация катодных материалов.

● Акцент на твердотельные батареи.

● Рынок оборудования для производства литий-ионных аккумуляторов становится все более популярным.

● Использование литий-ионных аккумуляторов в гибридных и электромобилях заслуживает внимания.

Заключение

Мир постоянно нуждается в эффективных перезаряжаемых батареях. Поскольку литий-ионные аккумуляторы легче по весу, меньше по размеру и обеспечивают больше энергии на единицу объема, большое количество автомобилей и производителей аккумуляторов используют LIB. Однако исследователи всего мира изо всех сил пытались разработать передовую технологию лучше, чем литий-ионные батареи. Поскольку мир движется к электрическому будущему, следующий большой прорыв в технологии перезаряжаемых аккумуляторов может быть не за горами.