Analýza perspektivních lithiových baterií nahrazujících olověné kyseliny v oblasti automobilových baterií

Olověné baterie jsou v současné době hlavním zdrojem energie pro SLI v motorových vozidlech a dostaly také mnoho dalších aplikací. Výhody lithiových baterií jako baterií SLI namísto olověných baterií spočívají hlavně v jejich delší životnosti a vyšší hustotě energie. Z hlediska bezpečnosti se berou v úvahu nové evropské předpisy o bateriích týkající se používání omezujících materiálů ve vozidlech, stejně jako náklady, design a technické parametry. V úvahu se bere také životní cyklus a recyklace obou baterií.

1. Výměna baterie

V průběhu let byly chemické a výrobní standardy olověných baterií relativně rychle přizpůsobeny novým energetickým požadavkům a výzvám úpravou přísad a zdokonalením stávajících výrobních procesů, místo aby se snažily přepracovat zcela nový systém baterií. V 60. letech byla životnost olověné baterie SLI asi 3 roky a do roku 2015, jak se budou zvyšovat požadavky na napájení a aplikace, může baterie vydržet až pět let nebo déle.

Olověné baterie si udržely podíl na trhu, hlavně proto, že mohou splňovat vysoký proud potřebný pro spuštění ICE za studena, trvanlivost vysokoteplotního cyklu, relativně vysoká bezpečnost a relativně nízké náklady. Pokud se plánujete účastnit tohoto trhu, pak to jsou výzvy, kterým musí každá nová technologie baterií čelit. V posledních letech se stabilita lithiových baterií z hlediska chemie a výroby výrazně zlepšila, náklady se neustále snižovaly a výkon se neustále zlepšoval. V širším smyslu, ve srovnání s olověnými bateriemi, jsou hlavními výhodami lithium-iontových baterií SLI jejich vysoká hustota energie a dlouhá životnost.

Lithium-iontové baterie SLI mají podobný výkon jako stávající olověné akumulátory SLI a byly zavedeny další testy k vyhodnocení stability lithium-iontových baterií SLI. Včetně přísných bezpečnostních opatření, jako je ochrana proti přebití, zkoušky destrukce typu rozdrcení nebo proražení, nepřetržité nízkoteplotní vybíjení a nabíjení a hodnocení dopadu depozice lithia.

2. Bezpečnostní konstrukce lithium-iontové baterie

Hlavní výzvou při vývoji lithium-iontových baterií SLI je, jak bezpečná je baterie za podmínek zneužití nebo stárnutí a zda dojde k tepelnému úniku. Aby se zabránilo této situaci, bylo provedeno mnoho testů, ale ne všechny situace jsou předvídatelné. Jelikož nehoda způsobila nadměrné poškození interiéru vozidla, které by mohlo způsobit popálení baterie v důsledku vnějších nebo vnitřních požárů, přijatá preventivní opatření zajistí, aby poškozená baterie již dále nezpůsobovala jiskření, čímž se sníží šíření požáru nehoda. Jedinečným faktorem baterie je navíc vnitřní zkrat (ISC), ke kterému může dojít v důsledku jejího stárnutí. Některé běžné podmínky, jako je tvorba lithiových dendritů, pronikají do membrány a způsobí zkrat, který způsobí zmenšení membrány působením tepla a způsobení velkoplošného zkratu. Další výzvou pro standardizované testování baterií je to, že vnější struktura lithium-iontových baterií může být válcová, pouzdrová (měkká) nebo čtvercová. Proto každý typ baterie vyžaduje jiný postup mechanického testu. Tyto techniky lze použít k orientaci v porozumění korelace mezi testováním bezpečnosti a lithium-iontovými bateriemi SLI.

3. Design baterie SLI

V designu baterií SLI si můžete vybrat z různých materiálů elektrod a kombinací baterií. Pokud je však celkové napětí baterie omezeno na typických 12 V, je v tomto případě možné stávající olověný akumulátor vyměnit. V současné době může pouze několik baterií zapojených do série dosáhnout správného napětí baterie.

Kromě požadavku na získání napětí baterie blízkého 12V je třeba vzít v úvahu i další faktory, jako je snadná dostupnost na spotřebitelském trhu. Ve srovnání se standardními olověnými bateriemi mohou tyto materiály vyrábět cenově konkurenceschopné baterie SLI. Katodové materiály lithium-iontových baterií lze rozdělit na vrstvené, spinelové a olivinové typy. Materiál anody je hlavně uhlík. Kromě zvážení kompatibility katodových a anodových materiálů pro zajištění správného napětí a kapacity baterie je první z lithium-iontových baterií Tři důležité součásti jsou jeho elektrolyt. U většiny komerčních baterií se používají organické kapalné elektrolyty společně s rozpustnými lithnými solemi, které mohou poskytovat požadovanou vodivost lithiových iontů. Nejčastěji používanou solí je LiPF6.

V BEV lze 12 V lithium-iontovou baterii SLI použít k údržbě palubního elektronického systému vozidla&# 39, když vozidlo neřídí. Použití olověných kyselinových baterií SLI v této aplikaci není ideální, protože je obvykle navrženo pro vysoký výkon a není nutně vhodné pro scénáře aplikace hlubokého nízkého proudu. V tomto ohledu lithium-iontové baterie SLI pouze vyrovnávají nedostatky olověných kyselinových baterií SLI.

4. Návrh systému vyvážení baterie a správy baterie (BMS)

Na rozdíl od olověných kyselinových baterií SLI je výzvou technologie lithium-iontových baterií to, že mají vysokou účinnost dobíjení téměř 95% a musí přísně fungovat v rámci okna napětí baterie. Když jsou lithium-iontové baterie sestaveny do série a nabity, mohou se snadno uvolnit mimo okno napětí baterie, aktivní materiál může začít docházet k nevratným fázovým změnám a elektrolyt se může začít rozkládat. To zase zvyšuje vnitřní odpor baterie, a tím zvyšuje účinek nevyváženosti baterie. Správa baterie a monitorování jednotlivých bateriových sad se proto staly standardními postupy pro lithium-iontové moduly a jsou obvykle zabudovány do pouzdra bateriové skříně. Na trhu existuje velké množství systémů BMS, z nichž mnohé jsou šité na míru konkrétním chemikáliím lithium-iontových baterií. Nejjednodušší a nákladově nejefektivnější metodou nabíjení je omezení nabíjení sériové baterie. Lepší metodou je umožnit přerozdělení energie mezi bateriemi, jakmile baterie dosáhne svého horního limitu napětí, což zabrání přebíjení jedné baterie a způsobí bezpečnostní problémy.

5. Náklady na baterii

Ve srovnání se stávajícími technologiemi je jednou z hlavních výzev lithium-iontových baterií SLI poskytnout spotřebitelům konkurenceschopnou cenu. Vědci tvrdě pracují na studiu problémů hodnotového řetězce při výrobě lithium-iontových baterií. V současné době se téměř 60% nákladů na baterie považuje za neaktivní materiály, jako jsou sběrače proudu, oddělovače a pouzdra baterií. Dodatečné náklady pocházejí z pevné fáze elektrolytu (SEI). ) Čas a energie vynaložená na proces formování.

6. Politiky a právní předpisy

Hlavní hnací síly technologie jsou obvykle doprovázeny určitými vnitrostátními a mezinárodními politikami týkajícími se bezpečnosti a ochrany zdraví, následovanými legislativou. Obvykle to zahrnuje použití určitých chemikálií nebo chemických doplňků, které jsou považovány za škodlivé pro člověka a životní prostředí. Zejména pokud se tyto škodlivé látky používají ve vozidlech, jejich designový koncept by měl být schopen dosáhnout&„zelené recyklace“&“, to znamená, že je lze rozebrat, aby bylo možné různé materiály znovu použít, recyklovat nebo bezpečně zlikvidovat aniž by docházelo k jakémukoli znečištění životního prostředí.

7. Normy a specifikace

V průběhu desetiletí se objevily a postupně vyvíjely specifikace a normy, které se přizpůsobily výkonu a bezpečnosti téměř všech aplikací na baterie, včetně baterií SLI pro vozidla. Na druhou stranu, legislativa určitých zemí nebo regionů může odkazovat na standardy při řešení určitých požadavků, které mají obvykle přímý dopad na bezpečnost a zdraví komunity a životního prostředí. USA Advanced Battery Alliance (USABC) sestavilo příručku pro testování baterií (revize 2) pro americké ministerstvo energetiky (DoE).

8. Recyklace baterií

V současné době společnost s určitou silou v recyklaci lithium-iontových baterií.

Výše uvedené shrnuje, že některé velké společnosti se aktivně účastní zavedeného procesu recyklace lithium-iontových baterií v průmyslovém měřítku. Recyklační kapacita vznikajícího recyklačního průmyslu se v příštích 7 až 10 letech zvýší nejméně pětkrát.

9. Závěry a vyhlídky

Tento článek shrnuje některé faktory nahrazování olověných kyselinových baterií SLI lithium-iontovými bateriemi SLI, což bude v příštích několika letech postupný proces. S masivním využíváním systému obnovitelných zdrojů energie bude používání olověných baterií nadále růst a zaměření lithium-iontových baterií SLI bude využíváno ve vozidlech ICE střední a vyšší třídy v Evropě, některé z které jsou v Asii a Spojených státech. U mnoha malých a levných vozidel ICE bude i nadále používán olověný akumulátor SLI, protože rozhodujícím faktorem bude vždy cena výměny baterie. Globální spotřebitelský trh navíc zvýší využívání „oběhového hospodářství“&„; výrobky, které se zaměří na snižování environmentálního odpadu při současném zvýšení recyklace surovin. Ačkoli je recyklace lithium-iontových baterií ještě v plenkách, Čína, Japonsko a další země již provedly významné iniciativy. USA, Austrálie a evropské země prokázaly nové funkce recyklace materiálů v lithium-iontových bateriích. Tyto recyklační procesy budou probíhat v příštích pěti až pěti letech. Perfektní za deset let.