차량을 전기화하는 데 가장 적합한 화학은 무엇입니까?
다양한 종류의 배터리 알아보기
LCO 화학을 사용한 리튬 배터리의 구성 및 특성:
리튬-코발트-산화물(LiCoO 2 )
LCO 화학을 사용하는 리튬 배터리는 가장 최근의 것으로 주로 다음과 같은 용도로 사용됩니다. 전자 제품 과 모바일 애플리케이션, 코발트 산화물 음극(양극)과 흑연 탄소 양극(음극)으로 구성됩니다.
이 화학의 장점은 비에너지가 높고 성능이 좋은 중소형 배터리에 적합하여 매우 빠르게 충전할 수 있다는 것입니다.
LCO 배터리는 실제로 스마트폰, 디지털 카메라 및 휴대용 노트북에 가장 널리 사용됩니다.
반면에, 그들의 사용은 주로 너무 크지 않은 응용 프로그램으로 제한됩니다. 안전 제한. 또한 방전 전류가 다소 낮아 높은 부하에서 빠르게 과열될 수 있습니다.
그들은 또한 발견하기 어렵고 추출의 주요 윤리적 문제와 관련된 값비싼 원소인 코발트를 높은 비율로 함유하고 있습니다. 이것이 바로 점점 더 많은 제조업체가 코발트를 사용하지 않거나 가능한 한 사용을 제한하는 이유입니다. .
LMO 화학을 사용한 리튬 배터리의 구성 및 특성:
리튬-망간-산화물(LiMn 2 O 4 )
리튬 배터리 LMO 화학 사용하는 것과 매우 유사하게 수행 LCO 기술. 그들은 전동 공구와 같은 소형 장치에 널리 사용됩니다.
LMO 배터리의 주요 특징은 짧은 시간에 많은 에너지를 공급할 수 있다는 것입니다. LMN 배터리 망간 산화물 음극과 흑연 양극으로 구성됩니다.
그들은 종종 전기 자전거, 정원 가꾸기, 의료 장비 및 드릴 및 스크루 드라이버와 같은 전동 공구에 사용됩니다.
LMO 배터리 LCO 화학을 사용하는 배터리보다 열 안정성이 높지만 코발트 기반 시스템보다 낮은 용량으로 인해 제한됩니다.
LFP 화학을 사용한 리튬 배터리의 구성 및 특성:
리튬 – 철 – 인산염(LiFePO4)
LFP 화학은 과도한 특정 에너지가 필요하지 않지만 매우 높은 안전성과 긴 수명 주기가 필요한 산업 부문의 특정 요구에 가장 잘 대응합니다. 그래서 우리는 자동화, 로봇 공학, 물류, 건설, 농업, 보트, 전기 자동차에서 공항 차량, 공중 플랫폼 및 특수 차량에 이르기까지 매우 광범위한 세계에 대해 이야기하고 있습니다. 실제로 LFP 화학이 적용된 배터리는 오늘날 시장에서 가장 안전하고 안정적이며 산업 시스템에서 요구하는 대용량 형식으로 제공됩니다. 여러개 연결할 필요없이 작은 세포 병렬, 안정성을 낮추고 차량의 안전. 오늘날 LFP 화학을 사용하는 배터리의 수명 주기는 3,500주기 좋은 BMS 시스템을 갖추고 있다면 쉽게 초과할 수 있습니다. 4,000, 그리고 미래에는 그 이상 6,000주기 예상할 수 있습니다.그러나 "수명 주기"에 대해 이야기할 때 배터리가 3,500주기 후에 완전히 소모되었다고 생각해서는 안 됩니다. 사실은, 차량 배터리의 수명 종료는 항상 80% 용량이 남아 있는 것으로 간주되지만 에너지 저장과 같은 다른 영역에서 사용할 수 있는 가능성이 여전히 많다는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 고유한 안전성과 높은 수명 주기 외에도 LFP 화학의 또 다른 장점은 평평한 방전 곡선을 가지고 있다는 것입니다. 아래 이미지에서 곡선이 상승하는 경향이 있습니다. 이것은 소위 충전 곡선이며 하강 곡선은 방전 중 배터리 전압을 나타냅니다. 따라서 100%에서 0%까지의 전압 범위는 매우 유사하며 이는 기계 및 산업용 차량이 방전의 시작부터 끝까지 동일한 성능을 보장할 수 있도록 하는 근본적인 사실입니다.
리튬 LFP 화학 방전 곡선
반면에 이 장점은 단점이 될 수도 있습니다. 평평한 곡선으로 인해 전압만 읽으면 올바른 값을 결정하기가 더 복잡해지기 때문입니다. SOC (충전 상태).
이러한 제한을 피하기 위해 BMS 배터리를 관리하는 시스템은 올바른 충전 상태를 제공하고 가능한 최상의 방법으로 밸런싱 기능을 수행하도록 스마트한 방식으로 설계되어야 합니다.
이 화학의 많은 이점 중 하나는 우리가 이미 언급한 바와 같이 환경에 가장 큰 영향을 미치는 독성 물질인 코발트가 전혀 없다는 것입니다.
많은 리튬 배터리 제조 현재 배터리에서 코발트의 비율을 줄이려고 노력하고 있으므로 코발트가 없는 LFP 화학은 큰 이점으로 시작합니다.
불과 몇 년 전이지만, LFP 배터리 에너지 밀도가 매우 낮기 때문에 잊혀질 운명인 것 같았습니다. 100Wh/kg, 오늘날 이 기술
에너지 밀도가 크게 증가하여 말 그대로 잿더미에서 다시 나타났습니다. 170Wh/kg 단기간에 자동차 업계의 뜨거운 관심을 불러일으키고 있습니다.
향후 몇 년 동안 중량 밀도가 220/230 Wh/Kg까지 추가로 증가할 것으로 예상됩니다. 이것이 바로 많은 자동차 제조업체가 차량의 전기화를 위해 LFP 화학을 다시 도입하기로 결정한 이유이며, 무엇보다도 현재 이를 사용하고 있는 Tesla입니다. "표준 범위"에서
차량보다 약간 낮은 비용으로 더 나은 수준의 안전을 보장합니다. NMC 화학 고성능 차량에 사용됩니다. 좋다 테슬라, 그래서 BYD, 폭스 바겐 그리고 다른 많은 주요 자동차 제조업체는 이제 LFP 화학에서 큰 잠재력을 보고 있습니다.
NMC 화학을 사용한 리튬 배터리의 구성 및 특성:
니켈 – 망간 – 코발트(LiNixMnyCozO2)
현재까지 NMC 화학이 포함된 배터리는 자동차 부문에서 가장 자주 사용됩니다.
이 화학으로 최대의 매우 높은 비에너지 220 – 240Wh/kg 달성 될 수있다. 적은 무게와 부피로 많은 양의 에너지를 저장할 수 있기 때문에 이는 분명 자동차의 결정적인 경쟁 우위입니다.
다른 리튬 기반 기술보다 더 많은 에너지를 차량에 설치할 수 있습니다.
다양한 유형의 NMC 화학이 있습니다.
NMC 111 (니켈 33.3% – 망간 33.3% – 코발트 33.3%)
NMC 622 (니켈 60% – 망간 20% – 코발트 20%)
NMC 811 (니켈 80% – 망간 10% – 코발트 10%)
NCA 화학을 사용한 리튬 배터리의 구성 및 특성:
니켈 – 코발트 – 알루미늄(LiNiCoAIO2)
NCA 화학이 포함된 배터리는 NMC 배터리와 함께 자동차 부문에서도 사용됩니다. 그들의 안전 등급은 NMC보다 약간 낮지만 동시에 250-300 Wh/Kg에 이르는 매우 높은 에너지 밀도를 가지고 있습니다. NCA 셀 구조는 니켈 함량이 높고 코발트 및 알루미늄 함량이 낮은 NMC 811의 셀 구조와 매우 유사합니다. 높은 에너지 저장 용량으로 인해 NCA 리튬 배터리는 에너지 밀도, 안전 및 안정성 간의 절충을 달성하기 위해 종종 NMC 화학 물질과 혼합하여 사용됩니다.
LTO 화학을 사용한 리튬 배터리의 구성 및 특성
티탄산리튬(Li4Ti5O12)
그것은 아직 거의 언급되지 않은 화학이지만 낮은 내부 전압과 기계적 스트레스의 부족으로 인해 이 사이클의 15,000~20,000회 사용에 쉽게 도달할 수 있기 때문에 수명 주기 측면에서 매우 유망한 것으로 보입니다. 특히 이점은 매우 많이 사용되는 자동차 및 차량의 전기화에 사용될 수 있지만 현재는 여전히 사용 및 확산을 제한하는 몇 가지 문제를 안고 있습니다.
약점은 2입니다.
낮은 에너지 밀도(177Wh/l) 및 중량 밀도(60-70Wh/Kg)와 2.4V 또는 2.8V의 낮은 공칭 전압: 이는 원하는 배터리 전압을 달성하기 위해 더 많은 셀이 직렬로 필요함을 의미합니다. .
현재 매우 높은 비용은 적은 수의 글로벌 LTO 셀 제조업체에 반영되어 있으며, 이는 아마도 현재 시장에서 요구하는 소량 때문일 것입니다.
반면 장점은 긴 서비스 수명뿐만 아니라 넓은 온도 범위와 고전력 충전 및 방전에 대한 우수한 민감성, 즉 높은 C-Rate(정격 용량에 대한 전류의 비율)를 포함합니다.
LTO 기술의 이상적인 사용은 AGV(자동 가이드 차량)와 같은 대형 애플리케이션입니다. 24시간 연중무휴로 작동하는 자율 주행 지게차를 상상해 보십시오. 이 트럭은 빠른 충전을 활용하여 가동 중지 시간을 줄이고 결과적으로 공장 효율성을 높입니다.
이론에서 실습으로: 모든 응용 분야에 적합한 리튬 화학 물질 사용
현재 다양한 전기화 분야에서 가장 널리 사용되는 6가지 주요 유형의 리튬 기반 화학에 대해 간략히 설명했습니다. 그러나 우리는 이러한 화학 물질이 서로 경쟁 관계에 있다고 생각해서는 안 됩니다. 오히려 그 반대입니다! 그것들은 모두 귀중하고 고성능이지만 각 리튬 화학 물질은 서로 다른 사용 영역에서 가장 잘 작동합니다.
이 도표는 다음과 같은 화학 물질의 다양한 특성을 비교한 것입니다.
● 비에너지 또는 중량 밀도[Wh/Kg]: 배터리 무게에 대한 포함된 에너지 양(Wh = V x Ah)의 비율입니다.
● 안전: 본질 안전은 구성 요소가 열적으로 얼마나 안정적인지에 크게 좌우되기 때문에 열 안정성과 밀접한 관련이 있습니다.
● C-속도: 충전/방전 속도, 즉 충전 또는 방전 전류(A)와 셀의 공칭 용량(Ah) 사이의 비율입니다. 이것은 세포의 전력 생성 능력과 밀접한 관련이 있는 매개변수입니다.
● 수명 주기: 수명이 다할 때까지 셀을 방전 및 충전할 수 있는 횟수로, 일반적으로 잔여 용량이 80%에 도달했을 때로 간주됩니다.
● 비용
산업용 LFP 및 LTO 배터리
산업, 농업 또는 특수 차량의 전기화, 특히 배터리에 스트레스를 주는 주기가 높은 응용 분야인 경우 서비스 수명, 신뢰성 및 안전성이 중요한 LFP 및 LTO와 같은 화학 물질을 사용하는 것이 좋습니다. 가장 중요한 요구 사항.
따라서 산업계에서는 과도한 성능이나 에너지 밀도가 필수적이지 않은 것처럼 공간 문제가 제약이 되지 않습니다. 따라서 올바른 화학 물질의 선택을 평가할 때 더 중요한 안전 요소가 작용하며, 이는 소수의 사람들이 타협하기를 원하고 타협할 수 있는 측면입니다.
약간 더 부피가 크지만 최적의 안전성을 제공하고 서비스 수명이 훨씬 더 긴 배터리를 사용하는 것이 좋습니다. LGV 및 AGV와 같이 집중적으로 사용하고 3시간 내내 끊임없이 작동해야 하는 차량이 있기 때문에 배터리는 하루에 4~4,000회 충전 주기까지 수행합니다. 따라서 LFP 화학은 XNUMX회 이상의 재충전 주기로 이를 쉽게 지원할 것입니다. 고정 저장을 위한 배터리가 필요한 경우 에너지 밀도는 거의 의미가 없으며 반대로 배터리 비용과 수명 주기는 화학 선택의 이면에 있는 요소가 될 것입니다. 그러면 LFP 화학이 그 자리를 찾을 것입니다.