Analiza potenciala litijevih baterij, ki nadomeščajo svinčeno kislino na področju avtomobilskih baterij

Svinčene kislinske baterije so trenutno glavni vir energije za SLI v motornih vozilih, dobile pa so tudi številne druge aplikacije. Prednosti litijevih baterij kot SLI namesto svinčenih so predvsem v daljši življenjski dobi in večji gostoti energije. Glede varnosti so upoštevani novi evropski predpisi o akumulatorjih za uporabo omejevalnih materialov v vozilih ter stroški, zasnova in preskusne specifikacije. Upošteva se tudi življenjski cikel in recikliranje obeh baterij.

1. Zamenjava baterije

Z leti so bili kemijski in proizvodni standardi svinčeno-kislinskih baterij razmeroma hitro prilagojeni novim zahtevam glede moči in izzivom s prilagajanjem dodatkov in izboljšanjem obstoječih proizvodnih procesov, namesto da bi poskušali preoblikovati popolnoma nov baterijski sistem. V šestdesetih letih je bila življenjska doba svinčevega SLI akumulatorja približno 3 leta, do leta 2015, ko se zahteve po moči in uporabi povečajo, pa lahko traja tudi pet let ali več.

Svinčene kislinske baterije ohranjajo tržni delež, predvsem zato, ker lahko dosežejo visok tok, potreben za hladen zagon ICE, trajnost cikla pri visokih temperaturah, razmeroma visoka varnost in razmeroma nizki stroški. Če nameravate sodelovati na tem trgu, so to izzivi, s katerimi se mora soočiti vsaka nova baterijska tehnologija. V zadnjih letih se je stabilnost litijevih baterij v kemijskem in proizvodnem smislu bistveno izboljšala, stroški se nenehno znižujejo in zmogljivosti nenehno izboljšujejo. V širšem smislu so trenutne glavne prednosti litij-ionskih SLI baterij trenutno njihova velika energijska gostota in dolga življenjska doba.

Litij-ionske SLI baterije imajo podobne zmogljivosti kot obstoječe svinčeve SLI baterije, uvedeni pa so bili tudi dodatni testi za oceno stabilnosti litij-ionskih SLI baterij. Vključno s strogimi varnostnimi ukrepi, kot so zaščita pred prekomernim polnjenjem, preskusi uničevanja ali predrtja, neprekinjeno praznjenje in polnjenje pri nizkih temperaturah ter ocena vpliva odlaganja litija.

2. Varnostna zasnova litij-ionske baterije

Glavni izziv pri razvoju litij-ionskih SLI baterij je, kako varna je baterija v pogojih zlorabe ali staranja in ali bo prišlo do toplotnega uhajanja. Za preprečitev te situacije je bilo opravljenih veliko testov, vendar niso vse situacije predvidljive. Ker je nesreča povzročila prekomerno škodo v notranjosti vozila, ki lahko povzroči opekline akumulatorja zaradi zunanjih ali notranjih požarov, bodo sprejeti varnostni ukrepi zagotovili, da poškodovana baterija ne bo več povzročala isker in s tem zmanjšala širjenje ognja po nesreča. Poleg tega je edinstven dejavnik akumulatorja notranji kratek stik (ISC), ki se lahko pojavi zaradi staranja. Nekateri pogosti pogoji, kot je tvorba litijevih dendritov, prodrejo v membrano, da povzročijo kratek stik, zaradi katerega se diafragma skrči zaradi toplote in povzroči kratek stik velike površine. Drug izziv za standardizirano testiranje baterij je, da je zunanja struktura litij-ionskih baterij lahko valjasta, vrečka (mehko pakiranje) ali kvadratna. Zato vsak tip baterije zahteva drugačen mehanski preskusni postopek. Te tehnike lahko uporabimo za razumevanje povezave med preskusi varnosti in litij-ionskimi SLI baterijami.

3. Zasnova baterije SLI

Pri zasnovi baterij SLI lahko izbirate med različnimi materiali elektrod in kombinacijami baterij. Ko pa je skupna napetost akumulatorja omejena na tipičnih 12 V, je v tem primeru mogoče zamenjati obstoječo svinčeno-akumulatorsko baterijo. Trenutno lahko le nekaj zaporedno povezanih baterij doseže pravilno napetost akumulatorja.

Poleg zahteve po napetosti akumulatorja blizu 12V je treba upoštevati še druge dejavnike, kot je lahka dostopnost na potrošniškem trgu. V primerjavi s standardnimi svinčenimi baterijami lahko ti materiali naredijo stroškovno konkurenčne SLI baterije. Katodne materiale litij-ionskih baterij lahko razdelimo na večplastne, spinelne in olivinske vrste. Anodni material je v glavnem ogljik. Poleg litij-ionskih baterij so poleg upoštevanja združljivosti katodnih in anodnih materialov za zagotavljanje pravilne napetosti in moči akumulatorja pomembni tudi trije pomembni sestavni deli elektrolita. Za večino komercialnih baterij se uporabljajo organski tekoči elektroliti skupaj z topnimi litijevimi solmi, ki lahko zagotovijo zahtevano prevodnost litijevih ionov. Trenutno najpogostejša sol je LiPF6.

V sistemu BEV lahko 12 V litij-ionsko SLI baterijo uporabljate za vzdrževanje elektronskega sistema vozila' ko vozilo ne vozi. Uporaba svinčevih SLI baterij v tej aplikaciji ni idealna, ker je običajno zasnovana za velike moči in ni nujno primerna za scenarije globokega praznjenja z nizkim tokom. V zvezi s tem litij-ionske SLI baterije le nadomeščajo pomanjkljivosti svinčevih SLI baterij.

4. Zasnova ravnovesja akumulatorja in sistema za upravljanje akumulatorjev (BMS)

Za razliko od svinčenih SLI baterij je izziv za tehnologijo litij-ionskih baterij ta, da imajo visoko učinkovitost polnjenja blizu 95% in morajo delovati natančno v oknu napetosti akumulatorja. Ko se litij-ionske baterije serijsko sestavijo in napolnijo, lahko zlahka odplavajo izven napetostnega okna akumulatorja, aktivni material lahko začne doživljati nepovratne fazne spremembe in elektrolit se lahko začne razgrajevati. To pa poveča notranji upor baterije in s tem poveča učinek neuravnoteženosti baterije. Zato sta upravljanje baterij in spremljanje posameznih baterijskih sklopov postala običajna praksa za litij-ionske module in so običajno vgrajeni v ohišje baterijske omarice. Na trgu je veliko število sistemov BMS, od katerih so mnogi prilagojeni določenim litij-ionskim baterijskim kemikalijam. Najenostavnejši in stroškovno najučinkovitejši način polnjenja je omejiti polnjenje serijskega akumulatorja. Boljša metoda je omogočiti prerazporeditev energije med baterijami, ko akumulator doseže zgornjo napetostno mejo, kar preprečuje, da bi se ena baterija preveč napolnila in povzroča varnostne težave.

5. Stroški baterije

V primerjavi z obstoječimi tehnologijami je eden glavnih izzivov litij-ionskih SLI baterij zagotoviti potrošnikom konkurenčno ceno. Raziskovalci si močno prizadevajo preučiti vprašanja vrednostne verige pri proizvodnji litij-ionskih baterij. Trenutno velja, da skoraj 60% stroškov akumulatorja sestavljajo neaktivni materiali, kot so tokovni zbiralniki, separatorji in ohišja baterij. Dodatni stroški prihajajo iz trdne elektrolitske interfaze (SEI). ) Čas in energija, porabljena v procesu nastajanja.

6. Politike in zakonodaja

Glavna gonila tehnologije običajno spremljajo nekatere nacionalne in mednarodne politike, povezane z zdravjem in varnostjo, ki jim sledi zakonodaja. Običajno gre za uporabo nekaterih kemikalij ali kemičnih dodatkov, ki veljajo za škodljive za ljudi in okolje. Še posebej, če se te škodljive snovi uporabljajo v vozilih, bi moral njihov koncept zasnove doseči &; zeleno recikliranje &; to pomeni, da jih je mogoče razstaviti, tako da je mogoče različne materiale ponovno uporabiti, reciklirati ali varno odstraniti onesnaževanja okolja.

7. Standardi in specifikacije

Skozi desetletja so se pojavili in postopoma razvijali specifikacije in standardi, da bi se prilagodili zmogljivosti in varnosti skoraj vseh baterijskih aplikacij, vključno s SLI baterijami za vozila. Po drugi strani pa se lahko zakonodaja nekaterih držav ali regij sklicuje na standarde pri obravnavi določenih zahtev, ki običajno neposredno vplivajo na varnost in zdravje skupnosti in okolja. Združenje United States Advanced Battery Alliance (USABC) je sestavilo priročnik za testiranje akumulatorjev (revizija 2) za ameriško ministrstvo za energijo (DoE).

8. Recikliranje baterij

Trenutno podjetje z določeno močjo pri recikliranju litij-ionskih baterij.

Zgoraj povzema, da nekatera velika podjetja aktivno sodelujejo v uveljavljenem industrijskem procesu recikliranja litij-ionskih baterij. Zmogljivost recikliranja nastajajoče reciklažne industrije se bo v naslednjih 7 do 10 letih povečala vsaj petkrat.

9. Sklepi in obeti

Ta članek povzema nekatere dejavnike zamenjave svinčevih SLI baterij z litij-ionskimi SLI baterijami, kar bo v naslednjih nekaj letih postopno. Z množično uporabo sistema za shranjevanje obnovljivih virov energije bo uporaba svinčevih baterij še naprej naraščala, litij-ionske SLI baterije pa se bodo osredotočale na vozila srednjega in visokega razreda ICE, ki se nahajajo v Evropi, ki so v Aziji in ZDA. Za številna majhna in poceni vozila ICE se bo svinčena SLI baterija še naprej uporabljala, saj bodo stroški zamenjave baterije vedno odločilni. Poleg tega bo svetovni potrošniški trg povečal uporabo&"krožnega gospodarstva &"; izdelkov, ki se bodo osredotočili na zmanjšanje okoljskih odpadkov, hkrati pa povečali recikliranje surovin. Čeprav je recikliranje litij-ionskih baterij šele v povojih, so Kitajska, Japonska in druge države že izvedle pomembne pobude. ZDA, Avstralija in evropske države so pokazale nove funkcije recikliranja materialov v litij-ionskih baterijah. Ti postopki recikliranja bodo potekali v naslednjih petih do petih letih. Popoln v desetih letih.