Litium-akkuteknologian maisema
Kolmikomponenttisista polymeerilitium-akuista litiumrautafosfaattiakkuihin – miten valita juuri oikea akku teollisuuslaitteillesi?
Litium-akkujen kemian ydin: neljä tärkeintä katodimateriaalia
Litiumparistot, tunnetaan myös litiumioniakkuina, ja ne edustavat virstanpylvästä nykyaikaisessa sähkökemiallisessa energian varastoinnissa. Niiden keskeinen toimintaperiaate on litiumionien palautuva lisääminen ja poistaminen katodin (kuten Lnteenniumkobolttioksidi (LCO), litiumrautafosfaatti (LiFePO₄) tai kolmikomponenttimateriaalit (NMC/NCA)) ja anodi (kuten grafiitti- tai pii-hiilikomposiitit). Tämä mekanismi antaa niille mullistavia etuja, kuten erittäin korkea energiatiheys, pitkä käyttöikä, nopea lataus-/purkauskyky ja alhainen itsepurkautumisnopeus.
Älypuhelimien ja kannettavien tietokoneiden kannettavista virtalähteistä sähköajoneuvojen vankkaan sydämeen ja laajamittaisista sähköverkon energian varastointijärjestelmistä teollisuusajoneuvojen ja -koneiden laajeneviin sovelluksiin, litiumakut ovat muokanneet energiankäyttöä perusteellisesti. Ne ovat perustavanlaatuinen teknologia, joka ajaa kulutuselektroniikan vallankumousta ja maailmanlaajuista siirtymistä vihreään energiaan.
Litiumrautafosfaatti - Kallionluja "kestävyyden vartija"
Kemiallinen kaava: LiFePOXNUMX
Perusominaisuudet: Huippuluokan turvallisuus, poikkeuksellisen pitkä käyttöikä, erinomainen teho, kustannustehokas ja ympäristöystävällinen.
Mikrorakenne: Sen vakaa fosfori-happi-kovalenttinen sidosrakenne varmistaa korkean lämpöstabiilisuuden, minimoi hapen vapautumisen ja poistaa olennaisesti palamis- tai räjähdysriskin.
Ihanteelliset sovellukset: Sähkötrukit, henkilönostimet, raskaan teollisuuden laitteet, energian varastointijärjestelmät—missä tahansa tilanteessa, jossa vaaditaan äärimmäistä turvallisuutta, pitkäikäisyyttä ja alhaisia kokonaiskustannuksia.
LiFePO₄ on alan vertailukohta. Optimoimme sen suorituskyvyn matalissa lämpötiloissa ja energiankulutuksen laskennan tarkkuuden edistyneellä rakennusautomaatiojärjestelmällä, joka täydentää sen ominaisuuksia.
Litiumkobolttioksidi (LCO) - kulutuselektroniikan veteraani
LCO-kemialliset litiumakut ovat vähiten uusimpia, pääasiassa käytettyjä elektroniset laitteet ja Mobiilisovelluksia, ja koostuvat kobolttioksidikatodista (positiivinen elektrodi) ja grafiittihiilianodista (negatiivinen elektrodi).
Kemiallinen kaava: LiCoO₂ (LCO)
Perusominaisuudet: Korkea energiatiheys, kypsä valmistusprosessi.
Mikrorakenne: Koboltti tarjoaa rakenteellista vakautta, mutta korkea kobolttipitoisuus johtaa korkeisiin kustannuksiin, huonoon lämpöstabiilisuuteen ja rajoitettuun käyttöikään.
Sopii parhaiten: Matkapuhelimet, kannettavat tietokoneet, digikamerat ja muut viihde-elektroniikka.
"Se merkitsi litium-akkujen kaupallisen kehityksen alkua, mutta sen turvallisuus, käyttöikä ja kustannusrajoitukset tekevät siitä täysin sopimattoman teollisuuskäyttöön."
LMO-kemiallisten litiumakkujen koostumus ja ominaisuudet:
Kemiallinen symboli: LiMn₂O₄ (LMO)
Perusominaisuudet: Edullinen, suhteellisen hyvä turvallisuus, erinomainen suorituskyky.
Mikrorakenne: Runsaat mangaanivarannot, mutta mangaani-ionit liukenevat helposti elektrolyyttiin, mikä johtaa lyhyempään syklin käyttöikään ja nopeaan suorituskyvyn heikkenemiseen korkeissa lämpötiloissa.
Sopii parhaiten:Hidaskäyntiset sähköajoneuvot, sähkötyökalut ja edullinen kotitalouksien energian varastointi. Usein sekoitettu NCM:n kanssa tasapainottaakseen kustannukset ja suorituskyvyn.
LiMn₂O₄ (LMO) tarjoaa taloudellisen ratkaisun, mutta sen rajallinen käyttöikä ei vastaa päivittäisten raskaiden teollisuuslaitteiden tiukkoihin vaatimuksiin.
Lithium LFP Chemistry Purkauskäyrä
Toisaalta tämä etu voi muuttua myös haitaksi, koska litteän käyrän vuoksi vain jännitteiden lukeminen vaikeuttaa oikean määrittämistä. SOC (maksutila).
Tämän rajoituksen välttämiseksi BMS akkua hallitseva järjestelmä on suunniteltava älykkäästi, jotta se tarjoaa oikean lataustilan ja suorittaa tasapainotustoiminnot parhaalla mahdollisella tavalla.
Yksi tämän kemian monista eduista on koboltin täydellinen puuttuminen, materiaali, joka, kuten olemme jo maininneet, on myrkyllistä ja yksi ympäristölle vaikuttavimmista.
Paljon litiumparistojen valmistajat yrittävät tällä hetkellä vähentää koboltin prosenttiosuutta akuissaan, joten LFP-kemia, koska se on kobolttiton, alkaa suurella edulla.
Vaikka vasta muutama vuosi sitten, LFP-paristot näytti olevan tarkoitettu unohdettaviksi, koska niiden energiatiheys oli hyvin alhainen, noin 100 Wh/kg, tänään tämä tekniikka
on kirjaimellisesti noussut uudelleen tuhkasta erittäin merkittävällä energiatiheyden kasvulla, saavuttaen 170 Wh/kg lyhyessä ajassa, mikä herätti suurta kiinnostusta automaailmassa.
Gravimetrisen tiheyden odotetaan nousevan edelleen 220/230 Wh/kg:iin tulevina vuosina. Juuri tästä syystä monet autonvalmistajat ovat päättäneet ottaa uudelleen käyttöön LFP-kemian ajoneuvojensa sähköistämiseen, ennen kaikkea Tesla, joka käyttää sitä tällä hetkellä "vakiosarjassaan"
ajoneuvoja, koska se takaa paremman turvallisuustason hieman halvemmalla kuin NMC kemia käytetään korkean suorituskyvyn ajoneuvoissa. Kuten Tesla, Niin BYD, Volkswagen ja monet muut suuret autonvalmistajat näkevät nyt suuria mahdollisuuksia LFP-kemiassa.
NMC-kemiallisten litiumakkujen koostumus ja ominaisuudet:
Nikkeli - Mangaani - Koboltti (LiNixMnyCozO2)
Toistaiseksi NMC-kemialliset akut ovat edelleen yleisimmin käytettyjä autoteollisuudessa.
Tällä kemialla erittäin korkea ominaisenergia jopa 220 – 240 Wh/kg voidaan saavuttaa. Tämä on selkeästi ratkaiseva kilpailuetu autolle, sillä se mahdollistaa suuren energiamäärän varastoinnin pienellä painolla ja tilavuudella,
mahdollistaa enemmän energian asentamisen ajoneuvoon kuin muut litiumpohjaiset tekniikat.
NMC-kemiaa on erilaisia:
NMC 111 (Nikkeli 33.3 % – Mangaani 33.3 % – Koboltti 33.3 %)
NMC 622 (Nikkeli 60 % – Mangaani 20 % – Koboltti 20 %)
NMC 811 (Nikkeli 80 % – Mangaani 10 % – Koboltti 10 %)
NCA-kemiallisten litiumakkujen koostumus ja ominaisuudet:
Nikkeli – koboltti – alumiini (LiNiCoAIO2)
NCA-kemiallisia akkuja käytetään myös autoteollisuudessa NMC-akkujen rinnalla. Niiden turvallisuusluokitus on hieman NMC:tä alhaisempi, mutta samalla niiden energiatiheys on erittäin korkea, 250-300 Wh/kg. NCA Kennorakenne on hyvin samanlainen kuin NMC 811:ssä, korkea nikkelipitoisuus ja alhainen koboltti- ja alumiinipitoisuus. Suuren energian varastointikapasiteetin vuoksi NCA-litiumparistoja käytetään usein sekoituksissa NMC-kemian kanssa kompromissin saavuttamiseksi energiatiheyden, turvallisuuden ja vakauden välillä.
LTO-kemiallisten litiumakkujen koostumus ja ominaisuudet
Litiumtitanaatti (Li4Ti5O12)
Se on kemia, jota mainitaan vielä vähän, mutta se näyttää erittäin lupaavalta elinkaarien suhteen, koska sen alhaiset sisäiset jännitteet ja mekaanisen rasituksen puute mahdollistavat sen hajoamisen hyvin vähän, jolloin se saavuttaa helposti 15,000 20,000 - XNUMX XNUMX käyttökertaa. Erityinen etu on se, että sitä voitaisiin käyttää autojen ja erittäin kovassa käytössä olevien ajoneuvojen sähköistykseen, mutta tällä hetkellä siihen liittyy edelleen käyttöä ja leviämistä rajoittavia ongelmia.
Sen heikkoja kohtia ovat 2:
Matala energiatiheys (177 Wh/l) ja gravimetrinen tiheys (60-70 Wh/Kg) sekä pienempi nimellisjännite 2.4 V tai 2.8 V: tämä tarkoittaa, että sarjassa tarvitaan enemmän kennoja halutun akkujännitteen saavuttamiseksi .
Sen tällä hetkellä erittäin korkeat kustannukset, mikä näkyy maailmanlaajuisten LTO-solujen valmistajien vähäisessä määrässä, mikä johtuu todennäköisesti markkinoiden tämänhetkisistä alhaisista määristä.
Sen etuja ovat sen sijaan pitkän käyttöiän lisäksi laaja lämpötila-alue ja erinomainen herkkyys suuritehoiselle lataukselle ja purkamiselle eli korkealle C-nopeudelle (virran suhde nimelliskapasiteettiin).
LTO-tekniikan ihanteellinen käyttökohde ovat raskaat sovellukset, kuten AGV:t (automaattiset ohjatut ajoneuvot): kuvittele 24/7 toimivia itseohjautuvia trukkeja, jotka myös hyödyntävät pikalatausta vähentääkseen seisokkeja ja siten lisäävät laitoksen tehokkuutta.
Teoriasta käytäntöön: oikean litiumkemian käyttäminen jokaiseen sovellukseen
Olemme hahmotelleet kuusi litiumpohjaisen kemian päätyyppiä, joita käytetään tällä hetkellä yleisimmin eri sähköistysalueilla. Mutta emme saa ajatella, että nämä kemiat kilpailevat keskenään, päinvastoin! Ne ovat kaikki arvokkaita ja tehokkaita, mutta jokainen litiumkemikaali toimii parhaiten eri käyttöalueilla.
Tämä kaavio näyttää vertailun kemian eri ominaisuuksista seuraavilla tavoilla:
● Ominaisenergia tai gravimetrinen tiheys [Wh/Kg]: on akun sisältämän energian määrän (Wh = V x Ah) suhde akun painoon.
● Turvallisuus: joka liittyy läheisesti lämpöstabiilisuuteen, koska luontainen turvallisuus riippuu hyvin paljon siitä, kuinka lämpöstabiileja komponentit ovat
● C- Rate: lataus/purkausnopeus eli lataus- tai purkausvirran (A) ja kennon nimelliskapasiteetin (Ah) välinen suhde. Tämä on parametri, joka liittyy läheisesti solun kykyyn tuottaa tehoa.
● Elinkaari: Kuinka monta kertaa kenno voidaan purkaa ja ladata käyttöiän loppuun asti. Yleensä otetaan huomioon, kun 80 % jäljellä olevasta kapasiteetista on saavutettu.
● Kustannukset
LFP- ja LTO-akut teollisuudelle
Teollisuudessa, maataloudessa tai jopa erikoisajoneuvojen sähköistykseen, varsinkin jos kyse on erittäin syklisistä sovelluksista, jotka rasittavat akkua, on parempi käyttää kemikaaleja, kuten LFP ja LTO, joissa käyttöikä, luotettavuus ja turvallisuus ovat tärkeitä. tärkeimmät vaatimukset.
Siksi teollisuusmaailmassa tilakysymys on vähemmän rajoite, kuten ei ole välttämätöntä liiallinen suorituskyky tai energiatiheys. Oikean kemian valintaa arvioitaessa tulee siis esiin tärkeämpi turvallisuustekijä, josta harvat haluavat ja voivat tehdä kompromisseja.
On parempi, että akku on hieman isompi, mutta tarjoaa optimaalisen turvallisuuden ja huomattavasti pidemmän käyttöiän. On ajoneuvoja, kuten LGV- ja AGV-autoja, joita on käytettävä intensiivisesti ja jotka toimivat lakkaamatta kellon ympäri, minkä seurauksena niiden akut suorittavat jopa 3 tai 4 latausjaksoa yhdessä päivässä. Siksi LFP-kemia tukee niitä helposti yli 4,000 XNUMX latausjaksolla. Jos kiinteään varastointiin tarvittavat akut ovat välttämättömiä, energiatiheys ei tarkoittaisi juuri mitään, ja päinvastoin akkujen hinta ja elinkaaret olisivat tekijät kemian valinnassa. LFP-kemia löytäisi sitten paikkansa.