Prospektanalyse af lithiumbatterier, der udskifter blysyre inden for bilbatterier

Blybatterier er i øjeblikket den vigtigste strømkilde til SLI i motorkøretøjer, og de har også fået mange andre applikationer. Fordelene ved lithiumbatterier som SLI-batterier i stedet for blybatterier ligger hovedsageligt i deres længere levetid og højere energitæthed. Med hensyn til sikkerhed overvejes de nye europæiske batteribestemmelser om brug af restriktive materialer i køretøjer, såvel som omkostnings-, design- og testspecifikationer. Livscyklus og genbrug af de to batterier tages også i betragtning.

1. Udskiftning af batteri

I årenes løb er kemiske og fremstillingsmæssige standarder for blybatterier blevet tilpasset til nye strømkrav og udfordringer relativt hurtigt ved at justere tilsætningsstoffer og forbedre eksisterende fremstillingsprocesser snarere end at forsøge at redesigne et helt nyt batterisystem. I 1960'erne var levetiden på et blysyre-SLI-batteri ca. 3 år, og i 2015, når strøm- og applikationskravene stiger, kan batteriet vare så længe som fem år eller mere.

Bly-syrebatterier har opretholdt markedsandele, hovedsageligt fordi de kan imødekomme den høje strøm, der kræves til kold ICE-opstart, holdbarhed ved høj temperatur, relativt høj sikkerhed og relativt lave omkostninger. Hvis du planlægger at deltage i dette marked, er det de udfordringer, som enhver ny batteriteknologi skal stå over for. I de senere år er lithiumbatteriets stabilitet med hensyn til kemi og fremstilling blevet væsentligt forbedret, omkostningerne er kontinuerligt reduceret, og ydelsen er løbende forbedret. I bredere forstand sammenlignet med blybatterier er de nuværende største fordele ved lithium-ion SLI-batterier deres høje energitæthed og lange levetid.

Lithium-ion SLI-batterier har samme ydeevne som eksisterende blysyre-SLI-batterier, og der er indført yderligere tests for at evaluere stabiliteten af ​​lithium-ion SLI-batterier. Omfatter strenge sikkerhedsforanstaltninger, såsom beskyttelse mod overopladning, ødelæggelsestest ved knusning eller punktering, kontinuerlig lavtemperaturudladning og opladning og evaluering af virkningen af ​​lithiumaflejring

2. Sikkerhedsdesign af lithium-ion batteri

Den største udfordring i udviklingen af ​​lithium-ion SLI-batterier er, hvor sikkert batteriet er under misbrug eller ældningsforhold, og om termisk løbsk vil forekomme. Der er udført mange tests for at forhindre denne situation, men ikke alle situationer er forudsigelige. Da ulykken forårsagede overdreven skade på køretøjets indre, hvilket kan få batteriet til at brænde på grund af eksterne eller interne brande, vil de trufne forholdsregler sikre, at det beskadigede batteri ikke yderligere forårsager gnister og derved reducerer spredning af ild efter ulykke. Derudover er en unik faktor i batteriet den interne kortslutning (ISC), der kan opstå på grund af dets ældning. Nogle almindelige tilstande, såsom dannelse af lithiumdendritter, trænger igennem mellemgulvet for at forårsage kortslutning, hvilket får membranen til at krympe på grund af varme og forårsage en kortslutning i stort område. En anden udfordring for standardiseret batteritest er, at den eksterne struktur af lithium-ion-batterier kan være cylindrisk, pose (soft pack) eller firkantet. Derfor kræver hver batteritype en anden mekanisk testprocedure. Disse teknikker kan bruges til at styre forståelsen af ​​sammenhængen mellem sikkerhedstest og lithium-ion SLI-batterier.

3. SLI-batteridesign

I designet af SLI-batterier er der en række elektrodematerialer og batterikombinationer at vælge imellem. Men når den samlede batterispænding er begrænset til en typisk 12V, er det muligt at udskifte det eksisterende blysyrebatteri i dette tilfælde. I øjeblikket kan kun et par serieforbundne batterier nå den korrekte batterispænding.

Ud over kravet om at opnå en batterispænding tæt på 12V, skal andre faktorer som let tilgængelighed på forbrugermarkedet overvejes. Sammenlignet med standardbly-syrebatterier kan disse materialer skabe omkostnings-konkurrencedygtige SLI-batterier. Katodematerialerne i lithium-ion-batterier kan opdeles i lag, spinel og olivin. Anodematerialet er hovedsageligt kulstof. Ud over at overveje kompatibiliteten mellem katode- og anodematerialer til at give den korrekte batterispænding og effektkapacitet, er den første af lithium-ion-batterier. De tre vigtige komponenter er dens elektrolyt. For de fleste kommercielle batterier anvendes organiske flydende elektrolytter sammen med opløselige lithiumsalte, som kan give den krævede lithiumionledningsevne. Det mest almindelige salt, der i øjeblikket anvendes, er LiPF6.

I BEV kan 12 V lithium-ion SLI-batteri bruges til at vedligeholde køretøjets' elektroniske system om bord, når køretøjet ikke kører. Brugen af ​​blysyre-SLI-batterier i denne applikation er ikke ideel, fordi den normalt er designet til høj effekt, og den er ikke nødvendigvis egnet til applikationsscenarier med dyb lavstrømsafladning. I denne henseende kompenserer lithium-ion SLI-batterier bare manglerne ved blysyre-SLI-batterier.

4. Design af batteribalance og batteristyringssystem (BMS)

I modsætning til blysyre-SLI-batterier er udfordringen for lithium-ion-batteriteknologi, at de har en høj genopladningseffektivitet tæt på 95% og skal arbejde strengt inden for vinduet med batterispænding. Når lithium-ion-batterier samles i serie og oplades, kan de let svæve uden for batterispændingsvinduet, det aktive materiale kan begynde at opleve irreversible faseændringer, og elektrolytten kan begynde at nedbrydes. Dette øger igen batteriets indre modstand og øger dermed batteriets ubalanceeffekt. Derfor er batteristyring og overvågning af individuelle batteripakker blevet standardpraksis for lithium-ion-moduler, og de er normalt indbygget i batteriboksens hus. Der er et stort antal BMS-systemer på markedet, hvoraf mange er skræddersyet til specifikke lithium-ion batterikemikalier. Den enkleste og mest omkostningseffektive opladningsmetode er at begrænse opladningen af ​​seriebatteriet. En bedre metode er at tillade omfordeling af energi mellem batterierne, når batteriet når sin øvre spændingsgrænse, hvilket forhindrer et enkelt batteri i at overoplade og forårsager sikkerhedsproblemer.

5. Omkostningerne ved batteriet

Sammenlignet med eksisterende teknologier er en af ​​de største udfordringer for lithium-ion SLI-batterier at give forbrugerne en konkurrencedygtig pris. Forskere arbejder hårdt på at undersøge værdikædespørgsmålene i fremstillingen af ​​lithium-ion-batterier. På nuværende tidspunkt anses næsten 60% af batteriomkostningerne for at være sammensat af inaktive materialer såsom strømopsamlere, separatorer og batterikabinetter. De ekstra omkostninger kommer fra fast elektrolytinterfase (SEI). ) Den tid og energi, der bruges i dannelsesprocessen.

6. Politikker og lovgivning

De vigtigste drivkræfter for teknologi ledsages normalt af visse nationale og internationale politikker relateret til sundhed og sikkerhed efterfulgt af lovgivning. Disse involverer normalt brugen af ​​visse kemikalier eller kemisk tilbehør, der betragtes som skadelige for mennesker og miljø. Især når disse skadelige stoffer bruges i køretøjer, skal deres designkoncept være i stand til at opnå" grøn genbrug" ;, det vil sige, de kan demonteres, så forskellige materialer kan genbruges, genbruges eller bortskaffes sikkert uden at forårsage nogen forurening til miljøet.

7. standarder og specifikationer

I løbet af årtierne er der fremkommet specifikationer og standarder, som gradvist er udviklet til at tilpasse sig ydeevnen og sikkerheden i næsten alle batteriapplikationer, inklusive SLI-batterier til køretøjer. På den anden side kan lovgivningen i visse lande eller regioner henvise til standarder, når de beskæftiger sig med visse krav, der normalt har en direkte indvirkning på samfundets og miljøets sikkerhed og sundhed. United States Advanced Battery Alliance (USABC) har udarbejdet en manual til batteritestning (revision 2) til US Department of Energy (DoE).

8. Genbrug af batteri

I øjeblikket et firma med en vis styrke inden for genanvendelse af lithium-ion-batterier.

Ovenstående opsummerer, at nogle store virksomheder deltager aktivt i den etablerede industrielle genanvendelsesproces af lithium-ion-batterier. Genbrugskapaciteten i den nye genbrugsindustri vil stige mindst fem gange i de næste 7 til 10 år.

9. Konklusioner og udsigter

Denne artikel opsummerer nogle faktorer for udskiftning af blysyre-SLI-batterier med lithium-ion-SLI-batterier, hvilket vil være en gradvis proces i de næste par år. Med den massive anvendelse af lagring af vedvarende energisystemer vil brugen af ​​bly-syrebatterier fortsætte med at vokse, og fokus på lithium-ion SLI-batterier vil blive brugt i mellem-til-high-end ICE-køretøjer placeret i Europa, nogle af som er i Asien og USA. For mange små og billige ICE-køretøjer vil blysyre-SLI-batteriet fortsat blive brugt, fordi omkostningerne ved udskiftning af batteriet altid vil være den afgørende faktor. Derudover vil det globale forbrugermarked øge brugen af ​​& quot; cirkulær økonomi" produkter, der vil fokusere på at reducere miljøspild og samtidig øge genanvendelsen af ​​råmaterialer. Selvom genanvendelse af lithium-ion-batterier stadig er i sin barndom, har Kina, Japan og andre lande allerede gennemført større initiativer. USA, Australien og europæiske lande har alle demonstreret de nye funktioner til genbrug af materialer i lithium-ion-batterier. Disse genbrugsprocesser finder sted i de næste fem til fem år. Perfekt om ti år.