Analiza perspectivă a bateriilor cu litiu Înlocuirea plumbului-acid din domeniul bateriilor auto

Bateriile cu plumb-acid sunt în prezent principala sursă de alimentare pentru SLI la autovehicule și li s-au dat și multe alte aplicații. Avantajele bateriilor cu litiu ca baterii SLI în loc de baterii cu plumb-acid constau în principal în viața lor mai lungă și densitatea mai mare a energiei. În ceea ce privește siguranța, sunt luate în considerare noile reglementări europene privind utilizarea bateriilor cu materiale restrictive în vehicule, precum și specificațiile de cost, proiectare și testare. Ciclul de viață și reciclarea celor două baterii sunt, de asemenea, luate în considerare.

1. Înlocuirea bateriei

De-a lungul anilor, standardele chimice și de fabricație ale bateriilor cu plumb-acid au fost adaptate la noile cerințe de energie și provocări relativ rapid prin ajustarea aditivilor și îmbunătățirea proceselor de fabricație existente, mai degrabă decât încercarea de a reproiecta un sistem complet nou de baterii. În anii 1960, durata de viață a unei baterii SLI cu plumb-acid era de aproximativ 3 ani, iar până în 2015, pe măsură ce cerințele de putere și aplicații cresc, bateria poate dura până la cinci ani sau mai mult.

Bateriile plumb-acid și-au menținut cota de piață, în principal pentru că pot satisface curentul ridicat necesar pentru pornirea rece a ICE, durabilitatea ciclului la temperaturi ridicate, siguranța relativ ridicată și costul relativ scăzut. Dacă intenționați să participați la această piață, atunci acestea sunt provocările cu care trebuie să se confrunte orice nouă tehnologie a bateriei. În ultimii ani, stabilitatea bateriilor cu litiu din punct de vedere chimic și de fabricație a fost semnificativ îmbunătățită, costul a fost redus continuu și performanța a fost continuu îmbunătățită. Într-un sens mai larg, în comparație cu bateriile plumb-acid, principalele avantaje actuale ale bateriilor litiu-ion SLI sunt densitatea lor ridicată de energie și durata de viață lungă.

Bateriile SLI litiu-ion au performanțe similare cu bateriile SLI plumb-acid existente și au fost introduse teste suplimentare pentru a evalua stabilitatea bateriilor SLI litiu-ion. Inclusiv măsuri stricte de siguranță, cum ar fi protecția la supraîncărcare, teste de distrugere a tipului de zdrobire sau puncție, descărcare și încărcare continuă la temperatură scăzută și evaluarea impactului depunerii de litiu.

2. Proiectarea de siguranță a bateriei litiu-ion

Principala provocare în dezvoltarea bateriilor litiu-ion SLI este cât de sigură este bateria în condiții de abuz sau de îmbătrânire și dacă va avea loc o fugă termică. Multe teste au fost efectuate pentru a preveni această situație, dar nu toate situațiile sunt previzibile. Deoarece accidentul a provocat daune excesive la interiorul vehiculului, ceea ce poate cauza arderea bateriei din cauza incendiilor externe sau interne, măsurile de precauție luate vor asigura că bateria deteriorată nu va provoca în continuare scântei, reducând astfel răspândirea focului după accident. În plus, un factor unic al bateriei este scurtcircuitul intern (ISC) care poate apărea din cauza îmbătrânirii sale. Unele condiții obișnuite, cum ar fi formarea de dendrite de litiu, pătrund în diafragmă pentru a provoca un scurtcircuit, ceea ce face ca diafragma să se micșoreze din cauza căldurii și să provoace un scurtcircuit pe suprafață mare. O altă provocare pentru testarea standardizată a bateriei este aceea că structura externă a bateriilor litiu-ion poate fi cilindrică, pungă (pachet moale) sau pătrat. Prin urmare, fiecare tip de baterie necesită o procedură de testare mecanică diferită. Aceste tehnici pot fi folosite pentru a ghida înțelegerea corelației dintre testele de siguranță și bateriile SLI litiu-ion.

3. Proiectarea bateriei SLI

În proiectarea bateriilor SLI, există o varietate de materiale pentru electrozi și combinații de baterii din care puteți alege. Cu toate acestea, atunci când tensiunea totală a bateriei este limitată la un 12V tipic, este posibil să înlocuiți bateria plumb-acid existentă în acest caz. În prezent, doar câteva baterii conectate în serie pot atinge tensiunea corectă a bateriei.

În plus față de cerința de a obține o tensiune a bateriei apropiată de 12V, trebuie luați în considerare și alți factori, cum ar fi disponibilitatea ușoară pe piața consumatorilor. Comparativ cu bateriile standard plumb-acid, aceste materiale pot face baterii SLI competitive. Materialele catodice ale bateriilor litiu-ion pot fi împărțite în tipuri stratificate, spinel și olivină. Materialul anodic este în principal carbon. În plus față de luarea în considerare a compatibilității materialelor cu catod și anod pentru a asigura tensiunea și capacitatea corectă a bateriei, prima dintre bateriile litiu-ion Cele trei componente importante sunt electrolitul său. Pentru majoritatea bateriilor comerciale, electroliții lichizi organici sunt utilizați împreună cu săruri solubile de litiu, care pot asigura conductivitatea ionului litiu necesar. Cea mai comună sare utilizată în prezent este LiPF6.

În BEV, bateria litiu-ion SLI de 12 V poate fi utilizată pentru întreținerea sistemului electronic de la bordul vehiculului &, atunci când vehiculul nu conduce. Utilizarea bateriilor SLI plumb-acid în această aplicație nu este ideală, deoarece este de obicei proiectată pentru o putere mare și nu este neapărat potrivită pentru scenariile de aplicații de descărcare intensă de curent redus. În această privință, bateriile SLI litiu-ion doar compensează deficiențele bateriilor SLI plumb-acid.

4. Proiectarea echilibrului bateriei și a sistemului de gestionare a bateriei (BMS)

Spre deosebire de bateriile SLI plumb-acid, provocarea pentru tehnologia bateriilor litiu-ion este că au o eficiență ridicată de reîncărcare aproape de 95% și trebuie să funcționeze strict în fereastra de tensiune a bateriei. Când bateriile litiu-ion sunt asamblate în serie și încărcate, se pot deplasa cu ușurință în afara ferestrei de tensiune a bateriei, materialul activ poate începe să experimenteze modificări de fază ireversibile, iar electrolitul poate începe să se descompună. La rândul său, aceasta mărește rezistența internă a bateriei, crescând astfel efectul de dezechilibru al bateriei. Prin urmare, gestionarea bateriei și monitorizarea pachetelor individuale de baterii au devenit practici standard pentru modulele litiu-ion și sunt de obicei încorporate în carcasa cutiei de baterii. Există un număr mare de sisteme BMS pe piață, dintre care multe sunt personalizate pentru produse chimice specifice bateriilor litiu-ion. Cea mai simplă și mai rentabilă metodă de încărcare este de a limita încărcarea acumulatorului din serie. O metodă mai bună este de a permite redistribuirea energiei între baterii odată ce bateria atinge limita superioară de tensiune, prevenind supraîncărcarea unei singure baterii și provocând probleme de siguranță.

5. Costul bateriei

În comparație cu tehnologiile existente, una dintre principalele provocări ale bateriilor litiu-ion SLI este de a oferi consumatorilor un preț competitiv. Cercetătorii lucrează din greu pentru a studia problemele lanțului valoric în fabricarea bateriilor litiu-ion. În prezent, aproape 60% din costurile bateriei sunt considerate a fi compuse din materiale inactive, cum ar fi colectoarele de curent, separatoarele și carcasele bateriei. Costul suplimentar provine din interfaza electrolitică solidă (SEI). ) Timpul și energia petrecute în procesul de formare.

6. Politici și legislație

Principalele motoare ale tehnologiei sunt însoțite de obicei de anumite politici naționale și internaționale legate de sănătate și siguranță, urmate de legislație. Acestea implică de obicei utilizarea anumitor substanțe chimice sau accesorii chimice care sunt considerate dăunătoare pentru oameni și mediu. Mai ales atunci când aceste substanțe nocive sunt utilizate în vehicule, conceptul lor de proiectare ar trebui să poată atinge" reciclare verde", adică pot fi dezasamblate astfel încât diverse materiale să poată fi reutilizate, reciclate sau aruncate în siguranță fără a provoca poluarea mediului.

7. Standarde și specificații

De-a lungul deceniilor, specificațiile și standardele au apărut și s-au dezvoltat treptat pentru a se adapta la performanța și siguranța aproape tuturor aplicațiilor de baterii, inclusiv a bateriilor SLI pentru vehicule. Pe de altă parte, legislația anumitor țări sau regiuni se poate referi la standarde atunci când se ocupă de anumite cerințe care au de obicei un impact direct asupra siguranței și sănătății comunității și a mediului. United States Advanced Battery Alliance (USABC) a compilat un manual de testare a bateriei (Revizuirea 2) pentru Departamentul Energiei din SUA (DoE).

8. Reciclarea bateriei

În prezent, o companie cu o anumită forță în reciclarea bateriilor litiu-ion.

Cele de mai sus rezumă faptul că unele companii mari participă activ la procesul stabilit de reciclare la scară industrială a bateriilor litiu-ion. Capacitatea de reciclare a industriei emergente de reciclare va crește de cel puțin cinci ori în următorii 7-10 ani.

9. Concluzii și perspective

Acest articol rezumă câțiva factori ai înlocuirii bateriilor SLI plumb-acid cu baterii SLI litiu-ion, care vor fi un proces gradual în următorii câțiva ani. Odată cu utilizarea masivă a sistemului de stocare a energiei din surse regenerabile, utilizarea bateriilor plumb-acid va continua să crească, iar accentul acumulatorilor litiu-ion SLI va fi folosit în vehiculele ICE de nivel mediu-înalt situate în Europa, unele dintre care se află în Asia și Statele Unite. Pentru multe vehicule ICE mici și ieftine, bateria SLI cu plumb-acid va continua să fie utilizată, deoarece costul înlocuirii bateriei va fi întotdeauna factorul decisiv. În plus, piața globală a consumatorilor va crește utilizarea" economie circulară" produse, care se vor concentra pe reducerea deșeurilor de mediu, sporind în același timp reciclarea materiilor prime. Deși reciclarea bateriilor litiu-ion este încă la început, China, Japonia și alte țări au realizat deja inițiative majore. Statele Unite, Australia și țările europene au demonstrat toate noile funcții de reciclare a materialelor în bateriile litiu-ion. Aceste procese de reciclare vor avea loc în următorii cinci până la cinci ani. Perfect în zece ani.