Какая химия лучше всего подходит для электрификации вашего автомобиля?
Давайте познакомимся с различными типами аккумуляторов
Состав и характеристики литиевых аккумуляторов с химией LCO:
Оксид лития-кобальта (LiCoO 2 )
Литиевые батареи с химией LCO являются наименее современными, в основном используются для электронные устройства и Мобильные приложения, и состоят из катода из оксида кобальта (положительный электрод) и графитового углеродного анода (отрицательный электрод).
Преимущество этой химии заключается в том, что она имеет высокую удельную энергию и идеально подходит для средних и малых батарей, которые способны хорошо работать, поэтому их можно заряжать очень быстро.
Батареи LCO на самом деле наиболее широко используются для смартфонов, цифровых камер и портативных ноутбуков.
С другой стороны, их использование в основном ограничено приложениями, которые не слишком велики из-за их ограничения безопасности. Кроме того, они имеют довольно низкий ток разряда, что может привести к их быстрому перегреву при высоких нагрузках.
Они также содержат высокую долю кобальта, дорогого элемента, который трудно найти и который связан с серьезными этическими проблемами при извлечении, и поэтому все больше производителей в настоящее время пытаются обойтись без него или максимально ограничить его использование. .
Состав и характеристики литиевых батарей с химией ЖМО:
Оксид лития-марганца (LiMn 2 O 4 )
литиевые батареи с химия ЖИО работают очень похоже на те, которые используют технология LCO. Они широко используются в небольших устройствах, таких как электроинструменты.
Основной характеристикой батарей ЖМО является их способность обеспечивать большое количество энергии за короткое время. ЛМН аккумуляторы состоит из катода из оксида марганца и графитового анода.
Они часто используются для электрических велосипедов, в садоводстве, медицинском оборудовании и электроинструментах, таких как дрели и отвертки.
батареи ЖМО имеют более высокую термическую стабильность, чем батареи с химией LCO, но ограничены своей емкостью, которая ниже, чем у систем на основе кобальта.
Состав и характеристики литиевых аккумуляторов с химией LFP:
Литий-железо-фосфат (LiFePO4)
Химия LFP лучше всего отвечает специфическим потребностям промышленного сектора, где не требуется чрезмерная удельная энергия, но требуется очень высокая безопасность и длительный срок службы. Таким образом, мы говорим об очень широком мире, начиная от автоматизации, робототехники, логистики, строительства, сельского хозяйства, водного спорта, электромобилей, и заканчивая транспортными средствами для аэропортов, воздушными платформами и специальными транспортными средствами. Фактически, батареи с химией LFP сегодня являются самыми безопасными и стабильными на рынке и доступны в форматах большой емкости, как того требуют промышленные системы. без необходимости подключения многих маленькие клетки параллельно, что снизит их устойчивость и поставит под угрозу безопасность транспортного средства. Жизненный цикл батареи с химией LFP сегодня превышает 3,500 циклов и, если он оснащен хорошей системой BMS, может легко превысить 4,000, а в будущем и более 6,000 циклов можно ожидать.Но мы должны быть осторожны, когда мы говорим о «жизненных циклах», мы не должны думать, что после 3,500 циклов батарея полностью разряжается. Фактически, важно помнить, что окончанием срока службы аккумулятора в транспортном средстве всегда считается оставшаяся емкость на 80%, но остается еще много возможностей для использования в других областях, таких как накопление энергии. Еще одно преимущество химии LFP, помимо присущей ей безопасности и длительного срока службы, заключается в том, что она имеет плоскую кривую разряда. На изображении ниже кривая имеет тенденцию к росту. Это так называемая зарядная кривая, а нисходящие кривые относятся к напряжению батареи во время разрядки. Таким образом, диапазон напряжения от 100 % до 0 % очень похож, и это фундаментальный факт, поскольку он позволяет машинам и промышленным транспортным средствам гарантировать одинаковую производительность от начала до конца разряда.
Кривая разрядки химического состава лития LFP
С другой стороны, это преимущество может также превратиться в недостаток, так как из-за плоской кривой считывание только напряжений усложнит определение правильного SOC (состояние заряда).
Чтобы избежать этого ограничения, BMS система управления батареей должна быть продумана таким образом, чтобы обеспечивать правильное состояние заряда и выполнять функции балансировки наилучшим образом.
Одним из многих преимуществ этой химии является полное отсутствие кобальта, материала, который, как мы уже упоминали, является токсичным, одним из самых вредных для окружающей среды.
Много производители литиевых батарей в настоящее время пытаются уменьшить процентное содержание кобальта в своих батареях, поэтому химия LFP, не содержащая кобальта, имеет большое преимущество.
Хотя всего несколько лет назад, LFP батареи казались обреченными на забвение, так как плотность их энергии была очень низкой, около 100 Вт · ч / кг, сегодня эта технология
буквально возродился из пепла с очень значительным увеличением плотности энергии, достигающим 170 Вт · ч / кг за короткое время, вызвав большой интерес со стороны автомобильного мира.
Дальнейшее увеличение гравиметрической плотности до 220/230 Втч/кг уже ожидается в ближайшие годы. Именно поэтому многие производители автомобилей решили вновь использовать химию LFP для электрификации своих транспортных средств, в первую очередь Tesla, которая в настоящее время использует ее. в своем «стандартном диапазоне»
транспортных средств, так как он гарантирует более высокий уровень безопасности при несколько более низкой стоимости, чем химия НМЦ используется для высокопроизводительных автомобилей. Нравиться Tesla, Так BYD, Volkswagen и многие другие крупные производители автомобилей теперь видят большой потенциал в химии LFP.
Состав и характеристики литиевых аккумуляторов с химией NMC:
Никель – Марганец – Кобальт (LiNixMnyCozO2)
На сегодняшний день батареи с химией NMC остаются наиболее часто используемыми в автомобильном секторе.
С этой химией очень высокая удельная энергия до 220 – 240 Втч/кг может быть достигнут. Это, безусловно, является решающим конкурентным преимуществом для автомобиля, поскольку позволяет хранить большое количество энергии при малом весе и объеме.
позволяет установить в транспортном средстве больше энергии, чем другие технологии на основе лития.
Существуют различные типы химии NMC:
НМЦ 111 (Никель 33.3% – Марганец 33.3% – Кобальт 33.3%)
НМЦ 622 (Никель 60% – Марганец 20% – Кобальт 20%)
НМЦ 811 (Никель 80% – Марганец 10% – Кобальт 10%)
Состав и характеристики литиевых аккумуляторов с химией NCA:
Никель-Кобальт-Алюминий (LiNiCoAIO2)
Батареи с химией NCA также используются в автомобильной промышленности наряду с батареями NMC. Их рейтинг безопасности немного ниже, чем у NMC, но в то же время они имеют очень высокую плотность энергии, достигающую 250-300 Втч/кг. NCA Структура ячейки очень похожа на NMC 811, с высоким содержанием никеля и низким содержанием кобальта и алюминия. Из-за их высокой емкости накопления энергии литиевые батареи NCA часто используются в смесях с химией NMC для достижения компромисса между плотностью энергии, безопасностью и стабильностью.
Состав и характеристики литиевых аккумуляторов с химией LTO
Титанат лития (Li4Ti5O12)
Это химия, о которой до сих пор мало упоминают, но она кажется очень многообещающей с точки зрения жизненных циклов, поскольку ее низкое внутреннее напряжение и отсутствие механических нагрузок позволяют ей очень мало деградировать, легко достигая от 15,000 20,000 до XNUMX XNUMX циклов использования. Особое преимущество заключается в том, что его можно использовать для электрификации автомобилей и транспортных средств, подвергающихся очень интенсивному использованию, но в настоящее время он все еще имеет некоторые проблемы, которые ограничивают его использование и распространение.
Его слабых мест 2:
Низкая плотность энергии (177 Вт·ч/л) и гравиметрическая плотность (60–70 Вт·ч/кг), а также более низкое номинальное напряжение 2.4 В или 2.8 В: это означает, что для достижения желаемого напряжения батареи потребуется больше последовательных элементов. .
Его в настоящее время очень высокая стоимость, что отражается в небольшом количестве мировых производителей ячеек LTO, что, вероятно, связано с текущими низкими объемами, требуемыми рынком.
С другой стороны, к его достоинствам можно отнести не только длительный срок службы, но и широкий диапазон рабочих температур, а также превосходную чувствительность к мощному заряду и разряду, т. е. высокий C-Rate (отношение тока к номинальной емкости).
Идеальное использование технологии LTO — это приложения для тяжелых условий эксплуатации, такие как AGV (автоматически управляемые транспортные средства): представьте себе парк самоходных вилочных погрузчиков, работающих круглосуточно и без выходных, которые также используют преимущества быстрой зарядки для сокращения времени простоя и, следовательно, повышения эффективности предприятия.
От теории к практике: использование правильной химии лития для каждого приложения
Мы выделили 6 основных типов химии на основе лития, которые в настоящее время наиболее широко используются в различных областях электрификации. Но мы не должны думать, что эти химические вещества конкурируют друг с другом, как раз наоборот! Все они ценны и высокоэффективны, но каждый литиевый химикат лучше всего работает в разных областях применения.
На этой диаграмме показано сравнение различных характеристик химии с точки зрения:
● Удельная энергия или гравиметрическая плотность [Втч/кг]: отношение количества содержащейся энергии (Втч = В x Ач) к весу батареи.
● Безопасность: тесно связана с термической стабильностью, поскольку искробезопасность во многом зависит от термической стабильности компонентов.
● C- Rate: скорость заряда/разряда, т. е. соотношение между током заряда или разряда (А) и номинальной емкостью элемента (Ач). Этот параметр тесно связан со способностью клетки генерировать энергию.
● Жизненный цикл: количество раз, которое элемент может быть разряжен и заряжен до достижения конца срока службы, обычно считается при достижении 80% остаточной емкости.
● стоимость
Аккумуляторы LFP и LTO для промышленного сектора
В промышленности, сельском хозяйстве или даже для электрификации спецтехники, особенно если речь идет о высокоцикличных приложениях, оказывающих нагрузку на аккумулятор, лучше использовать такие химические вещества, как LFP и LTO, где срок службы, надежность и безопасность являются решающими факторами. наиболее важные требования.
Таким образом, в промышленном мире проблема пространства не является ограничением, так же как не обязательно иметь чрезмерную производительность или плотность энергии. Таким образом, при оценке выбора правильного химического состава в игру вступает более важный фактор безопасности, аспект, с которым мало кто хочет и может идти на компромисс.
Лучше иметь батарею, которая немного больше по размеру, но обеспечивает оптимальную безопасность и имеет значительно более длительный срок службы. Есть транспортные средства, такие как LGV и AGV, которые должны интенсивно использоваться и работать непрерывно круглосуточно, в результате их батареи могут выполнять даже 3 или 4 цикла зарядки за один день. Таким образом, химия LFP легко поддерживает их с более чем 4,000 циклами перезарядки. Если необходимы батареи для стационарного хранения, то плотность энергии почти ничего не значит, и, наоборот, стоимость батарей и их жизненные циклы будут факторами, определяющими выбор химии. Тогда химия LFP нашла бы свое место.