Литий-ионные аккумуляторы: настоящее и будущее

В последние годы литий-ионные батареи были основным источником энергии для большинства наших портативных электронных устройств. Но тогда существуют различные ограничения для их применения, особенно в некоторых электрических транспортных средствах или в более высоких приложениях. В нашем сегодняшнем посте мы обсудим развитие и будущее литий-ионных аккумуляторов.

По большей части покрытие и элементное легирование изменили большинство материалов электродов, обычно используемых в материалах анодов или катодов батарей. Это привело к довольно высокому коэффициенту диффузии ионов лития, проводимости и подвижности, помимо удельной емкости. Появились новые электродные материалы, и многие из них, как сообщается, обеспечивают улучшенные характеристики. Эти характеристики были проанализированы по некоторым параметрам, включая, помимо прочего, удельную емкость, циклическую стабильность, скорость заряда / разряда и удельную энергию. Следовательно, нынешний сценарий материалов электродов литий-ионных батарей является очень многообещающим, поскольку он обещает улучшить характеристики батареи, тем самым сделав ее еще более эффективной. Это развитие, несомненно, уменьшит зависимость и доминирование ископаемого топлива, особенно для производства электроэнергии (например, при сжигании угля для выработки электроэнергии).

Какие материалы входят в состав литий-ионного аккумулятора?

Компоненты аккумуляторного элемента составляют комплексную поставку множества и в большинстве случаев не связанных между собой групп продуктов. И одна из групп материалов, которая играет важную роль, - это цветные минералы и металлы.

Существует несколько важных групп материалов, которые включают анодные материалы, катодные материалы, сепараторы и токосъемники, электролиты и многие другие. Как правило, литий-ионные батареи в основном определяются химическим составом катода. Могут быть альтернативные химические составы или особые составы в пределах различного диапазона батарей, и они придают этим батареям особую мощность, безопасность, энергию и даже варианты стоимости и часто предназначены для особых и различных применений.

Цветные металлы и минералы, в основном присутствующие в литий-ионных батареях, - это кобальт, марганец, никель, литий, графит, алюминий и медь. Если первые четыре в основном используются в качестве материалов для катода, литий также можно использовать в качестве электролита. Следовательно, могут быть специальные разработки для катодов и коллекторов, особенно для используемых материалов из цветных металлов, но для анода в основном используется графит.

Все большее внимание уделяется xEV, и на рынках ESS (хотя и в меньшей степени) требования к материалам несколько меняются. Это очевидно можно увидеть в катодных материалах, поскольку рынок смещается от катода с высоким содержанием кобальта LCO, который обычно используется в портативной электронике, к более богатым никелем продуктам - NMC, но NCA также востребован. Сегодня в Китае требуется еще один материал для xEV, и это LFP. Хотя спрос на это сейчас несколько теряет позиции по сравнению с NCA и NMC. Но LFP остается благоприятным для приложений ESS и HEV.

Как мы установили, спрос на материалы меняется. Например, из-за того, что в качестве катода используются материалы LCO с высоким содержанием кобальта, кобальт может быть не таким, как обычно, особенно в следующем десятилетии, несмотря на высокие характеристики катодов NCA и NMC. Как вы, возможно, знаете, они содержат кобальт, но компонент кобальта имеет очень небольшой объем. Хотя потребление лития может утроиться к 2025 году до 170тыс.т в базовом сценарии, спрос на кобальт может увеличиться только вдвое до примерно 57тыс.т.

Какие ионы лития используются в батареях?

Использование термина «литиевые батареи» относится к семейству различных батарей литий-металлического химического состава, которые состоят из различных типов электролитов и катодов, но все имеют металлический литий на аноде. Эти батареи требуют от 0,15 кг до 0,3 кг лития на 1 кВтч. Эти первичные системы предназначены для использования заряженных катодов, которые являются электроактивными с кристаллографическими вакансиями, которые постепенно заполняются во время разряда.

В одном из наиболее распространенных типов литиевых элементов, используемых в большинстве потребительских приложений, используется металлический литий на аноде, а затем диоксид марганца на катоде. Затем в органическом растворителе растворяется соль лития.

С другой стороны, для оптимизации работы литий-ионных элементов в своих продуктах некоторые производители используют электролитические растворы, которые состоят из органических растворителей, таких как соль LIPF6, и некоторых других добавок. Это делается многими производителями и исследовательскими центрами для производства литий-ионных элементов для различных аккумуляторных приложений, от электромобилей до бытовой электроники.

Развитие и будущее литий-ионных аккумуляторов

Ни для кого не секрет, что с 1991 года, когда литий-ионная батарея была впервые представлена для коммерческого использования, она имела большой успех и использовалась в самых разных электронных и промышленных устройствах. С того времени были проведены серьезные исследования с целью улучшения характеристик и производительности этих батарей.

Сегодня литий-ионные батареи практически незаменимы, особенно если принять во внимание жизнь и применение людей в нашем современном обществе. Мы можем легко назвать литий-ионные батареи доминирующей технологией, широко используемой в различных портативных электронных устройствах, включая смартфоны, планшеты, ноутбуки, детские игрушки и многое другое в промышленности.

Более того, мы можем назвать литий-ионные батареи наиболее предпочтительным вариантом, когда мы говорим о новых развивающихся секторах, таких как сектор электромобилей.

Хотя мы все можем согласиться с тем, что литий-ионная технология до сих пор недостаточно используется в области энергоснабжения, особенно в области фотоэлектрической и ветроэнергетики, она по-прежнему имеет огромный потенциал в борьбе с выбросами углерода во всем мире, а также может помочь в энергетическая устойчивость.

Литий-ионные батареи можно легко рассматривать как батареи, способные изменить мир. Эти батареи теперь являются выбором энергии, используемой в бесчисленном количестве бытовой электроники, а также в электромобилях Tesla и во многих других глобальных конгломератах.

Хотя эти батареи обещают помочь миру решить проблему энергоснабжения и устойчивости в будущем, некоторые из их недостатков все еще необходимо устранить.

Например, при использовании электродов из металлического лития удельная энергия вырабатывается выше, чем при использовании обычных батарей. Однако электроды из металлического лития могут образовывать дендриты, которые имеют структуру в форме пальцев и в основном ответственны за короткое замыкание в батарее.

Эта проблема была решена путем использования углеродного электрода, содержащего ионы лития, вместо электродов из металлического лития. Это приводит к появлению литий-ионных аккумуляторов, даже несмотря на то, что их емкость хранения энергии была уменьшена по сравнению с батареями с литий-металлическими электродами. Таким образом, можно улучшить увеличение емкости накопления энергии.