Ποια χημεία είναι η καλύτερη για ηλεκτρισμό του οχήματός σας;
Ας ανακαλύψουμε τους διαφορετικούς τύπους μπαταριών
Σύνθεση και χαρακτηριστικά μπαταριών λιθίου με χημεία LCO:
Οξείδιο λιθίου-κοβαλτίου (LiCoO 2)
Οι μπαταρίες λιθίου με χημεία LCO είναι οι λιγότερο πρόσφατες, κυρίως για τις οποίες χρησιμοποιούνται ηλεκτρονικές συσκευές και Κινητές εφαρμογές, και αποτελούνται από μια κάθοδο οξειδίου του κοβαλτίου (θετικό ηλεκτρόδιο) και μια άνοδο άνθρακα γραφίτη (αρνητικό ηλεκτρόδιο).
Το πλεονέκτημα αυτής της χημείας είναι ότι έχει υψηλή ειδική ενέργεια και είναι ιδανική για μεσαίες-μικρές μπαταρίες, οι οποίες μπορούν να αποδίδουν καλά, ώστε να φορτίζονται πολύ γρήγορα.
Οι μπαταρίες LCO είναι στην πραγματικότητα οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες για smartphone, ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές και φορητούς φορητούς υπολογιστές.
Από την άλλη, η χρήση τους περιορίζεται κυρίως σε εφαρμογές που δεν είναι πολύ μεγάλες λόγω τους περιορισμούς ασφαλείας. Επιπλέον, διαθέτουν σχετικά χαμηλό ρεύμα εκφόρτισης και αυτό μπορεί να τους οδηγήσει σε γρήγορη υπερθέρμανση κάτω από υψηλά φορτία.
Περιέχουν επίσης υψηλή αναλογία κοβαλτίου, ένα ακριβό στοιχείο που είναι δύσκολο να βρεθεί και σχετίζεται με μεγάλα ηθικά προβλήματα στην εξόρυξη, και αυτός είναι ο λόγος που ένας αυξανόμενος αριθμός κατασκευαστών προσπαθούν τώρα να το κάνουν χωρίς αυτό ή να περιορίσουν τη χρήση του όσο το δυνατόν περισσότερο. .
Σύνθεση και χαρακτηριστικά μπαταριών λιθίου με χημεία LMO:
Οξείδιο Λιθίου-Μαγγανίου (LiMn 2 O 4 )
Μπαταρίες λιθίου με Χημεία LMO λειτουργούν πολύ παρόμοια με εκείνα που χρησιμοποιούν Τεχνολογία LCO. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε μικρές συσκευές όπως ηλεκτρικά εργαλεία.
Το κύριο χαρακτηριστικό των μπαταριών LMO είναι η ικανότητά τους να παρέχουν πολλή ενέργεια σε σύντομο χρονικό διάστημα. Μπαταρίες LMN αποτελείται από μια κάθοδο οξειδίου του μαγγανίου και μια άνοδο γραφίτη.
Συχνά χρησιμοποιούνται για ηλεκτρικά ποδήλατα, στην κηπουρική, ιατρικό εξοπλισμό και ηλεκτρικά εργαλεία όπως τρυπάνια και κατσαβίδια.
Μπαταρίες LMO έχουν υψηλότερη θερμική σταθερότητα από τις μπαταρίες με χημεία LCO, αλλά περιορίζονται από τη χωρητικότητά τους, η οποία είναι χαμηλότερη από τα συστήματα με βάση το κοβάλτιο.
Σύνθεση και χαρακτηριστικά μπαταριών λιθίου με χημεία LFP:
Λίθιο – Σίδηρος – Φωσφορικό (LiFePO4)
Η χημεία LFP ανταποκρίνεται καλύτερα από όλα στις ειδικές ανάγκες του βιομηχανικού τομέα, όπου δεν απαιτείται υπερβολική ειδική ενέργεια, αλλά όπου υπάρχει ανάγκη για πολύ υψηλή ασφάλεια και μεγάλους κύκλους ζωής. Μιλάμε λοιπόν για έναν πολύ ευρύ κόσμο, που κυμαίνεται από αυτοματισμούς, ρομποτική, logistics, κατασκευές, γεωργία, βαρκάδα, ηλεκτρικά οχήματα, μέχρι οχήματα αεροδρομίων, εναέριες πλατφόρμες και ειδικά οχήματα Στην πραγματικότητα, οι μπαταρίες με χημεία LFP είναι οι ασφαλέστερες και πιο σταθερές στην αγορά σήμερα και είναι διαθέσιμες σε μορφές μεγάλης χωρητικότητας, όπως απαιτείται από τα βιομηχανικά συστήματα, χωρίς την ανάγκη σύνδεσης πολλών μικρά κελιά παράλληλα, γεγονός που θα μείωνε τη σταθερότητά τους και θα έθετε σε κίνδυνο την ασφάλεια του οχήματος. Οι κύκλοι ζωής σε μια μπαταρία με χημεία LFP σήμερα υπερβαίνουν 3,500 κύκλους και, εάν είναι εξοπλισμένο με ένα καλό σύστημα BMS, μπορεί εύκολα να υπερβεί 4,000, και στο μέλλον ακόμη περισσότερο από 6,000 κύκλους μπορεί να αναμένεται.Αλλά πρέπει να είμαστε προσεκτικοί, όταν μιλάμε για «κύκλους ζωής» δεν πρέπει να πιστεύουμε ότι μετά από 3,500 κύκλους μια μπαταρία έχει εξαντληθεί εντελώς. Στην πραγματικότητα, Είναι σημαντικό να θυμάστε ότι το τέλος ζωής μιας μπαταρίας σε ένα όχημα θεωρείται πάντα ότι είναι το 80% που απομένει, αλλά θα εξακολουθούν να υπάρχουν πολλές δυνατότητες χρήσης σε άλλους τομείς, όπως η αποθήκευση ενέργειας. Ένα άλλο πλεονέκτημα της χημείας LFP, εκτός από την εγγενή ασφάλεια και τους υψηλούς κύκλους ζωής της, είναι ότι έχει μια επίπεδη καμπύλη εκφόρτισης. Στην παρακάτω εικόνα, η καμπύλη τείνει να ανέβει. Αυτή είναι η λεγόμενη καμπύλη φόρτισης, ενώ οι φθίνουσες καμπύλες αναφέρονται στην τάση της μπαταρίας κατά την εκφόρτιση. Το εύρος τάσης από 100 % έως 0 % είναι επομένως πολύ παρόμοιο, και αυτό είναι ένα θεμελιώδες γεγονός, καθώς επιτρέπει σε μηχανές και βιομηχανικά οχήματα να εγγυώνται την ίδια απόδοση από την αρχή έως το τέλος της εκφόρτισης.
Καμπύλη εκφόρτισης χημείας LFP λιθίου
Από την άλλη πλευρά, αυτό το πλεονέκτημα μπορεί επίσης να μετατραπεί σε μειονέκτημα, καθώς, λόγω της επίπεδης καμπύλης, η ανάγνωση μόνο των τάσεων θα κάνει πιο περίπλοκο τον προσδιορισμό της σωστής SOC (κατάσταση χρέωσης).
Για να αποφευχθεί αυτός ο περιορισμός, το BMS Το σύστημα διαχείρισης της μπαταρίας θα πρέπει να σχεδιαστεί με έξυπνο τρόπο ώστε να παρέχει τη σωστή κατάσταση φόρτισης και να εκτελεί τις λειτουργίες εξισορρόπησης με τον καλύτερο δυνατό τρόπο.
Ένα από τα πολλά πλεονεκτήματα αυτής της χημείας είναι η πλήρης απουσία κοβαλτίου, ενός υλικού το οποίο, όπως έχουμε ήδη αναφέρει, είναι τοξικό, ένα από τα πιο επιβλαβή για το περιβάλλον.
Πολλές κατασκευαστές μπαταριών λιθίου επί του παρόντος προσπαθούν να μειώσουν το ποσοστό κοβαλτίου στις μπαταρίες τους, επομένως η χημεία LFP, καθώς είναι χωρίς κοβάλτιο, ξεκινά με ένα μεγάλο πλεονέκτημα.
Αν και μόλις πριν από λίγα χρόνια, Μπαταρίες LFP φαινόταν ότι ήταν προορισμένο να ξεχαστούν, καθώς η ενεργειακή τους πυκνότητα ήταν πολύ χαμηλή, περίπου 100 Wh/Kg, σήμερα αυτή η τεχνολογία
έχει κυριολεκτικά ξαναβγεί από τις στάχτες με πολύ σημαντική αύξηση της ενεργειακής πυκνότητας, φτάνοντας 170 Wh/Kg σε σύντομο χρονικό διάστημα, προκαλώντας έντονο ενδιαφέρον από τον κόσμο της αυτοκινητοβιομηχανίας.
Περαιτέρω αυξήσεις της βαρυμετρικής πυκνότητας σε 220/230 Wh/Kg αναμένονται ήδη τα επόμενα χρόνια. Αυτός ακριβώς είναι ο λόγος που πολλοί κατασκευαστές αυτοκινήτων αποφάσισαν να επαναφέρουν τη χημεία LFP για τον ηλεκτροκίνηση των οχημάτων τους, πρώτα και κύρια η Tesla, η οποία τη χρησιμοποιεί αυτήν τη στιγμή στο «τυποποιημένο εύρος» του
οχημάτων καθώς εγγυάται καλύτερο επίπεδο ασφάλειας, με ελαφρώς χαμηλότερο κόστος από το NMC χημεία χρησιμοποιείται για οχήματα υψηλών επιδόσεων. Αρέσει Τέσλα, Έτσι, BYD, Volkswagen και πολλοί άλλοι μεγάλοι κατασκευαστές αυτοκινήτων βλέπουν τώρα μεγάλες δυνατότητες στη χημεία LFP.
Σύνθεση και χαρακτηριστικά μπαταριών λιθίου με χημεία NMC:
Νικέλιο – Μαγγάνιο – Κοβάλτιο (LiNixMnyCozO2)
Μέχρι σήμερα, οι μπαταρίες με χημεία NMC παραμένουν οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας.
Με αυτή τη χημεία, μια πολύ υψηλή ειδική ενέργεια έως 220 – 240 Wh/kg μπορεί να επιτευχθεί. Αυτό είναι σαφώς ένα αποφασιστικό ανταγωνιστικό πλεονέκτημα για ένα αυτοκίνητο, καθώς επιτρέπει την αποθήκευση μεγάλης ποσότητας ενέργειας με χαμηλό βάρος και όγκο,
επιτρέποντας την εγκατάσταση περισσότερης ενέργειας στο όχημα από άλλες τεχνολογίες που βασίζονται στο λίθιο.
Υπάρχουν διάφοροι τύποι χημείας NMC:
NMC 111 (Νικέλιο 33.3% – Μαγγάνιο 33.3% – Κοβάλτιο 33.3%)
NMC 622 (Νικέλιο 60% – Μαγγάνιο 20% – Κοβάλτιο 20%)
NMC 811 (Νικέλιο 80% – Μαγγάνιο 10% – Κοβάλτιο 10%)
Σύνθεση και χαρακτηριστικά μπαταριών λιθίου με χημεία NCA:
Νικέλιο – Κοβάλτιο – Αλουμίνιο (LiNiCoAIO2)
Οι μπαταρίες με χημεία NCA χρησιμοποιούνται επίσης στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας μαζί με τις μπαταρίες NMC. Η βαθμολογία ασφαλείας τους είναι ελαφρώς χαμηλότερη από αυτή των NMC, αλλά ταυτόχρονα έχουν πολύ υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, που φτάνει τα 250-300 Wh/Kg. Το NCA Η δομή των κυττάρων είναι πολύ παρόμοια με αυτή του NMC 811, με υψηλή περιεκτικότητα σε νικέλιο και χαμηλή περιεκτικότητα σε κοβάλτιο και αλουμίνιο. Λόγω της υψηλής χωρητικότητας αποθήκευσης ενέργειας, οι μπαταρίες λιθίου NCA χρησιμοποιούνται συχνά σε μείγματα με χημικές ουσίες NMC για την επίτευξη συμβιβασμού μεταξύ της ενεργειακής πυκνότητας, της ασφάλειας και της σταθερότητας.
Σύνθεση και χαρακτηριστικά μπαταριών λιθίου με χημεία LTO
Τιτανικό λίθιο (Li4Ti5O12)
Είναι μια χημεία που εξακολουθεί να αναφέρεται ελάχιστα, αλλά φαίνεται να είναι πολλά υποσχόμενη όσον αφορά τους κύκλους ζωής, καθώς οι χαμηλές εσωτερικές τάσεις και η έλλειψη μηχανικής καταπόνησης της επιτρέπουν να υποβαθμίζεται πολύ λίγο, φτάνοντας εύκολα τις 15,000 έως 20,000 χρήσεις αυτού του κύκλου. Ιδιαίτερο πλεονέκτημα, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ηλεκτροκίνηση αυτοκινήτων και οχημάτων που υπόκεινται σε πολύ βαριά χρήση, αλλά επί του παρόντος εξακολουθεί να φέρει ορισμένα προβλήματα που περιορίζουν τη χρήση και τη διάδοσή του.
Τα αδύνατα σημεία του είναι 2:
Η χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα (177 Wh/l) και η βαρυμετρική πυκνότητα (60-70 Wh/Kg) καθώς και η χαμηλότερη ονομαστική τάση 2.4 V ή 2.8 V: αυτό σημαίνει ότι θα χρειαστούν περισσότερες κυψέλες σε σειρά για να επιτευχθεί η επιθυμητή τάση μπαταρίας .
Το επί του παρόντος πολύ υψηλό κόστος, το οποίο αντικατοπτρίζεται σε έναν χαμηλό αριθμό παγκόσμιων κατασκευαστών κυψελών LTO, πιθανότατα λόγω των σημερινών χαμηλών ποσοτήτων που απαιτούνται από την αγορά
Τα πλεονεκτήματά του, από την άλλη, περιλαμβάνουν όχι μόνο τη μεγάλη διάρκεια ζωής του, αλλά και το μεγάλο εύρος θερμοκρασιών του και την εξαιρετική του ευαισθησία σε φόρτιση και εκφόρτιση υψηλής ισχύος, δηλαδή υψηλό C-Rate (αναλογία ρεύματος προς ονομαστική χωρητικότητα).
Η ιδανική χρήση της τεχνολογίας LTO είναι εφαρμογές βαρέως τύπου όπως AGV (αυτοματοποιημένα οχήματα καθοδήγησης): φανταστείτε στόλους αυτοοδηγούμενων περονοφόρων φορτηγών που λειτουργούν 24/7, τα οποία επίσης εκμεταλλεύονται τη γρήγορη φόρτιση για να μειώσουν το χρόνο διακοπής λειτουργίας και κατά συνέπεια να αυξήσουν την απόδοση της εγκατάστασης.
Από τη θεωρία στην πράξη: Χρησιμοποιώντας τη σωστή χημεία λιθίου για κάθε εφαρμογή
Περιγράψαμε τους 6 κύριους τύπους χημείας με βάση το λίθιο που χρησιμοποιούνται σήμερα πιο ευρέως στους διάφορους τομείς ηλεκτροδότησης. Αλλά δεν πρέπει να πιστεύουμε ότι αυτές οι χημείες ανταγωνίζονται μεταξύ τους, το αντίθετο μάλιστα! Είναι όλα πολύτιμα και υψηλής απόδοσης, αλλά κάθε χημική ουσία λιθίου λειτουργεί καλύτερα σε διαφορετικούς τομείς χρήσης.
Αυτό το διάγραμμα δείχνει μια σύγκριση των διαφόρων χαρακτηριστικών των χημικών ως εξής:
● Ειδική Ενέργεια ή Βαρυμετρική Πυκνότητα [Wh/Kg]: είναι ο λόγος της ποσότητας ενέργειας που περιέχεται (Wh = V x Ah) προς το βάρος της μπαταρίας.
● Ασφάλεια: η οποία σχετίζεται στενά με τη θερμική σταθερότητα επειδή η εγγενής ασφάλεια εξαρτάται πολύ από το πόσο θερμικά σταθερά είναι τα εξαρτήματα
● C- Rate: ρυθμός φόρτισης/εκφόρτισης, δηλαδή η αναλογία μεταξύ του ρεύματος φόρτισης ή εκφόρτισης (A) και της ονομαστικής χωρητικότητας του στοιχείου (Ah). Αυτή είναι μια παράμετρος στενά συνδεδεμένη με την ικανότητα της κυψέλης να παράγει ενέργεια.
● Κύκλος ζωής: Αριθμός φορών που μπορεί να αποφορτιστεί και να φορτιστεί η κυψέλη έως ότου συμπληρωθεί το τέλος της ζωής, συνήθως θεωρείται όταν επιτευχθεί η υπολειπόμενη χωρητικότητα του 80%.
● Κόστος
Μπαταρίες LFP και LTO για τον βιομηχανικό τομέα
Στη βιομηχανία, τη γεωργία ή ακόμα και για την ηλεκτροκίνηση ειδικών οχημάτων, ειδικά εάν πρόκειται για εξαιρετικά κυκλικές εφαρμογές που ασκούν πίεση στην μπαταρία, είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείτε χημικές ουσίες όπως το LFP και το LTO, όπου η διάρκεια ζωής, η αξιοπιστία και η ασφάλεια είναι τα απαραίτητα. σημαντικότερες απαιτήσεις.
Στον βιομηχανικό κόσμο, επομένως, το ζήτημα του χώρου είναι λιγότερο περιοριστικό, όπως δεν είναι απαραίτητο να έχουμε υπερβολική απόδοση ή ενεργειακή πυκνότητα. Κατά την αξιολόγηση της επιλογής της σωστής χημείας, επομένως παίζει ρόλο ο πιο σημαντικός παράγοντας ασφάλειας, μια πτυχή που λίγοι άνθρωποι θέλουν και μπορούν να συμβιβαστούν.
Είναι καλύτερα να έχετε μια μπαταρία που είναι ελαφρώς πιο ογκώδης, αλλά παρέχει βέλτιστη ασφάλεια και έχει σημαντικά μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Υπάρχουν οχήματα, όπως τα LGV και τα AGV, τα οποία απαιτείται να χρησιμοποιούνται εντατικά και να λειτουργούν ασταμάτητα όλο το εικοσιτετράωρο, με αποτέλεσμα οι μπαταρίες τους να κάνουν ακόμη και 3 ή 4 κύκλους φόρτισης σε μια μέρα. Επομένως, η χημεία LFP θα τα υποστηρίξει εύκολα με τους περισσότερους από 4,000 κύκλους επαναφόρτισης. Εάν οι μπαταρίες για σταθερή αποθήκευση είναι απαραίτητες, τότε η ενεργειακή πυκνότητα δεν θα σήμαινε σχεδόν τίποτα και, αντίθετα, το κόστος και οι κύκλοι ζωής της μπαταρίας θα ήταν τα στοιχεία πίσω από την επιλογή της χημείας. Η χημεία LFP θα έβρισκε τότε τη θέση της.