Ανάλυση προοπτικής μπαταριών λιθίου που αντικαθιστούν το μόλυβδο-οξύ στον τομέα των μπαταριών αυτοκινήτων

Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος είναι επί του παρόντος η κύρια πηγή ενέργειας για SLI στα μηχανοκίνητα οχήματα, και έχουν επίσης δοθεί πολλές άλλες εφαρμογές. Τα πλεονεκτήματα των μπαταριών λιθίου ως μπαταρίες SLI αντί για μπαταρίες μολύβδου-οξέος βρίσκονται κυρίως στη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής τους και στην υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα. Όσον αφορά την ασφάλεια, εξετάζονται οι νέοι ευρωπαϊκοί κανονισμοί για τις μπαταρίες σχετικά με τη χρήση περιοριστικών υλικών στα οχήματα, καθώς και οι προδιαγραφές κόστους, σχεδιασμού και δοκιμών. Λαμβάνεται επίσης υπόψη ο κύκλος ζωής και η ανακύκλωση των δύο μπαταριών.

1. Αντικατάσταση μπαταρίας

Με την πάροδο των ετών, τα πρότυπα χημείας και κατασκευής των μπαταριών μολύβδου-οξέος έχουν προσαρμοστεί στις νέες απαιτήσεις ισχύος και προκλήσεις σχετικά γρήγορα προσαρμόζοντας τα πρόσθετα και βελτιώνοντας τις υπάρχουσες διαδικασίες κατασκευής, αντί να προσπαθούν να επανασχεδιάσουν ένα εντελώς νέο σύστημα μπαταριών. Στη δεκαετία του 1960, η διάρκεια ζωής μιας μπαταρίας μολύβδου-οξέος SLI ήταν περίπου 3 χρόνια και μέχρι το 2015, καθώς αυξάνονται οι απαιτήσεις ισχύος και εφαρμογής, η μπαταρία μπορεί να διαρκέσει πέντε χρόνια ή περισσότερο.

Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος έχουν διατηρήσει μερίδιο αγοράς, κυρίως επειδή μπορούν να καλύψουν το υψηλό ρεύμα που απαιτείται για την εκκίνηση ψυχρού ICE, την ανθεκτικότητα κύκλου υψηλής θερμοκρασίας, τη σχετικά υψηλή ασφάλεια και το σχετικά χαμηλό κόστος. Εάν σκοπεύετε να συμμετάσχετε σε αυτήν την αγορά, τότε αυτές είναι οι προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπίσει οποιαδήποτε νέα τεχνολογία μπαταριών. Τα τελευταία χρόνια, η σταθερότητα των μπαταριών λιθίου όσον αφορά τη χημεία και την κατασκευή έχει βελτιωθεί σημαντικά, το κόστος μειώνεται συνεχώς και η απόδοση βελτιώνεται συνεχώς. Με μια ευρύτερη έννοια, σε σύγκριση με τις μπαταρίες μολύβδου-οξέος, τα τρέχοντα κύρια πλεονεκτήματα των μπαταριών SLI ιόντων λιθίου είναι η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και η μεγάλη διάρκεια ζωής τους.

Οι μπαταρίες SLI ιόντων λιθίου έχουν παρόμοια απόδοση με τις υπάρχουσες μπαταρίες SLI μολύβδου-οξέος και έχουν εισαχθεί πρόσθετες δοκιμές για την αξιολόγηση της σταθερότητας των μπαταριών SLI ιόντων λιθίου. Συμπεριλαμβανομένων αυστηρών μέτρων ασφαλείας, όπως η προστασία από υπερφόρτωση, οι δοκιμές καταστροφής τύπου σύνθλιψης ή διάτρησης, η συνεχής απόρριψη και φόρτιση χαμηλής θερμοκρασίας και η αξιολόγηση των επιπτώσεων της εναπόθεσης λιθίου.

2. Σχέδιο ασφάλειας της μπαταρίας ιόντων λιθίου

Η κύρια πρόκληση στην ανάπτυξη μπαταριών SLI ιόντων λιθίου είναι το πόσο ασφαλής είναι η μπαταρία υπό συνθήκες κατάχρησης ή γήρανσης και αν θα συμβεί θερμική διαφυγή. Έχουν διεξαχθεί πολλές δοκιμές για την πρόληψη αυτής της κατάστασης, αλλά δεν είναι όλες οι καταστάσεις προβλέψιμες. Δεδομένου ότι το ατύχημα προκάλεσε υπερβολική ζημιά στο εσωτερικό του οχήματος, η οποία μπορεί να προκαλέσει το κάψιμο της μπαταρίας λόγω εξωτερικών ή εσωτερικών πυρκαγιών, οι προφυλάξεις που λαμβάνονται θα διασφαλίσουν ότι η κατεστραμμένη μπαταρία δεν θα προκαλέσει περαιτέρω σπινθήρες, μειώνοντας έτσι την εξάπλωση της φωτιάς μετά το ατύχημα. Επιπλέον, ένας μοναδικός παράγοντας της μπαταρίας είναι το εσωτερικό βραχυκύκλωμα (ISC) που μπορεί να συμβεί λόγω της γήρανσης του. Ορισμένες κοινές καταστάσεις, όπως ο σχηματισμός δενδριτών λιθίου, διεισδύουν στο διάφραγμα για να προκαλέσουν βραχυκύκλωμα, το οποίο προκαλεί συρρίκνωση του διαφράγματος λόγω θερμότητας και προκαλεί βραχυκύκλωμα μεγάλης περιοχής. Μια άλλη πρόκληση για την τυποποιημένη δοκιμή μπαταριών είναι ότι η εξωτερική δομή των μπαταριών ιόντων λιθίου μπορεί να είναι κυλινδρική, σακούλα (μαλακό πακέτο) ή τετράγωνο. Ως εκ τούτου, κάθε τύπος μπαταρίας απαιτεί διαφορετική διαδικασία μηχανικής δοκιμής. Αυτές οι τεχνικές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να καθοδηγήσουν την κατανόηση της συσχέτισης μεταξύ των δοκιμών ασφάλειας και των μπαταριών SLI ιόντων λιθίου.

3. Σχέδιο μπαταριών SLI

Στο σχεδιασμό των μπαταριών SLI, υπάρχει μια ποικιλία από υλικά ηλεκτροδίων και συνδυασμούς μπαταριών για να διαλέξετε. Ωστόσο, όταν η συνολική τάση της μπαταρίας περιορίζεται σε ένα τυπικό 12V, είναι δυνατή η αντικατάσταση της υπάρχουσας μπαταρίας μολύβδου-οξέος σε αυτή την περίπτωση. Επί του παρόντος, μόνο λίγες μπαταρίες που συνδέονται σε σειρά μπορούν να φτάσουν τη σωστή τάση μπαταρίας.

Εκτός από την απαίτηση απόκτησης τάσης μπαταρίας κοντά στο 12V, πρέπει να ληφθούν υπόψη και άλλοι παράγοντες, όπως η εύκολη διαθεσιμότητα στην καταναλωτική αγορά. Σε σύγκριση με τις τυπικές μπαταρίες μολύβδου-οξέος, αυτά τα υλικά μπορούν να κάνουν οικονομικά ανταγωνιστικές μπαταρίες SLI. Τα υλικά καθόδων των μπαταριών ιόντων λιθίου μπορούν να χωριστούν σε τύπους στρώσεων, spinel και olivine. Το ανόδιο υλικό είναι κυρίως άνθρακας. Εκτός από την εξέταση της συμβατότητας των υλικών καθόδων και ανόδου για την παροχή της σωστής τάσης και ισχύος της μπαταρίας, η πρώτη από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου Τα τρία σημαντικά συστατικά είναι ο ηλεκτρολύτης της. Για τις περισσότερες εμπορικές μπαταρίες, χρησιμοποιούνται οργανικοί υγροί ηλεκτρολύτες μαζί με διαλυτά άλατα λιθίου, τα οποία μπορούν να παρέχουν την απαιτούμενη αγωγιμότητα ιόντων λιθίου. Το πιο κοινό αλάτι που χρησιμοποιείται σήμερα είναι το LiPF6.

Στο BEV, η μπαταρία SLI ιόντων λιθίου 12 V μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διατήρηση του ηλεκτρονικού συστήματος του οχήματος όταν το όχημα δεν οδηγεί. Η χρήση μπαταριών μολύβδου-οξέος SLI σε αυτή την εφαρμογή δεν είναι ιδανική επειδή είναι συνήθως σχεδιασμένη για υψηλή ισχύ και δεν είναι απαραίτητα κατάλληλη για τα σενάρια εφαρμογής της απόρριψης βαθιάς χαμηλής ρεύματος. Από την άποψη αυτή, οι μπαταρίες SLI ιόντων λιθίου απλώς αναπληρώνουν τις ελλείψεις των μπαταριών SLI μολύβδου-οξέος.

4. Σχεδιασμός της ισορροπίας μπαταριών και του συστήματος διαχείρισης μπαταριών (BMS)

Σε αντίθεση με τις μπαταρίες SLI μολύβδου-οξέος, η πρόκληση για την τεχνολογία μπαταριών ιόντων λιθίου είναι ότι έχουν υψηλή απόδοση επαναφόρτισης κοντά στο 95% και πρέπει να λειτουργούν αυστηρά μέσα στο παράθυρο τάσης της μπαταρίας. Όταν οι μπαταρίες ιόντων λιθίου συναρμολογούνται σε σειρά και φορτίζονται, μπορούν εύκολα να παρασυρθούν έξω από το παράθυρο τάσης της μπαταρίας, το ενεργό υλικό μπορεί να αρχίσει να βιώνει μη αναστρέψιμες αλλαγές φάσης και ο ηλεκτρολύτης μπορεί να αρχίσει να αποσυντίθεται. Αυτό με τη σειρά του αυξάνει την εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας, αυξάνοντας έτσι την ανισόρροπη επίδραση της μπαταρίας. Ως εκ τούτου, η διαχείριση της μπαταρίας και η παρακολούθηση μεμονωμένων μπαταριών έχουν γίνει τυπικές πρακτικές για μονάδες ιόντων λιθίου και συνήθως είναι ενσωματωμένες στο περίβλημα του κιβωτίου μπαταριών. Υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός συστημάτων BMS στην αγορά, πολλά από τα οποία είναι προσαρμοσμένα για συγκεκριμένες χημικές ουσίες μπαταριών ιόντων λιθίου. Η απλούστερη και οικονομικότερη μέθοδος φόρτισης είναι ο περιορισμός της φόρτισης της μπαταρίας της σειράς. Μια καλύτερη μέθοδος είναι να επιτραπεί η ανακατανομή της ενέργειας μεταξύ των μπαταριών μόλις η μπαταρία φτάσει στο ανώτατο όριο τάσης, αποτρέποντας την υπερφόρτιση μιας μπαταρίας και προκαλώντας προβλήματα ασφάλειας.

5. Το κόστος της μπαταρίας

Σε σύγκριση με τις υπάρχουσες τεχνολογίες, μία από τις κύριες προκλήσεις των μπαταριών SLI ιόντων λιθίου είναι να παρέχουν στους καταναλωτές ανταγωνιστική τιμή. Οι ερευνητές εργάζονται σκληρά για να μελετήσουν τα ζητήματα της αλυσίδας αξίας στην κατασκευή μπαταριών ιόντων λιθίου. Επί του παρόντος, σχεδόν το 60% του κόστους της μπαταρίας θεωρείται ότι αποτελείται από ανενεργά υλικά, όπως συλλέκτες ρεύματος, διαχωριστές και περιβλήματα μπαταριών. Το πρόσθετο κόστος προέρχεται από στερεό ηλεκτρολύτη interphase (SEI). ) Ο χρόνος και η ενέργεια που δαπανάται στη διαδικασία σχηματισμού.

6. Πολιτικές και νομοθεσία

Οι κύριοι παράγοντες της τεχνολογίας συνήθως συνοδεύονται από ορισμένες εθνικές και διεθνείς πολιτικές που σχετίζονται με την υγεία και την ασφάλεια, ακολουθούμενη από τη νομοθεσία. Αυτά συνήθως περιλαμβάνουν τη χρήση ορισμένων χημικών ουσιών ή χημικών εξαρτημάτων που θεωρούνται επιβλαβή για τον άνθρωπο και το περιβάλλον. Ειδικά όταν αυτές οι επιβλαβείς ουσίες χρησιμοποιούνται σε οχήματα, η σχεδιαστική τους ιδέα θα πρέπει να είναι σε θέση να επιτύχει "πράσινη ανακύκλωση", δηλαδή να αποσυναρμολογηθεί έτσι ώστε διάφορα υλικά να μπορούν να επαναχρησιμωθούν, να ανακυκλωθούν ή να απορριφθούν με ασφάλεια χωρίς να προκαλέσουν ρύπανση στο περιβάλλον.

7. Πρότυπα και προδιαγραφές

Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών, οι προδιαγραφές και τα πρότυπα έχουν προκύψει και αναπτυχθεί σταδιακά για να προσαρμοστούν στην απόδοση και την ασφάλεια σχεδόν όλων των εφαρμογών μπαταριών, συμπεριλαμβανομένων των μπαταριών SLI για οχήματα. Από την άλλη, η νομοθεσία ορισμένων χωρών ή περιφερειών μπορεί να αναφέρεται σε πρότυπα όταν αφορούν ορισμένες απαιτήσεις που συνήθως έχουν άμεσο αντίκτυπο στην ασφάλεια και την υγεία της κοινότητας και του περιβάλλοντος. Η Συμμαχία Προηγμένων Μπαταριών των Ηνωμένων Πολιτειών (USABC) έχει συντάξει ένα εγχειρίδιο δοκιμών μπαταριών (Αναθεώρηση 2) για το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DoE).

8. Ανακύκλωση μπαταριών

Επί του παρόντος, μια εταιρεία με ορισμένη αντοχή στην ανακύκλωση μπαταριών ιόντων λιθίου.

Τα παραπάνω συνοψίζουν ότι ορισμένες μεγάλες εταιρείες συμμετέχουν ενεργά στην καθιερωμένη βιομηχανική διαδικασία ανακύκλωσης μπαταριών ιόντων λιθίου. Η ικανότητα ανακύκλωσης της αναδυόμενης βιομηχανίας ανακύκλωσης θα αυξηθεί τουλάχιστον πέντε φορές τα επόμενα 7 με 10 χρόνια.

9. Συμπεράσματα και προοπτικές

Αυτό το άρθρο συνοψίζει ορισμένους παράγοντες αντικατάστασης μπαταριών SLI μολύβδου-οξέος με μπαταρίες SLI ιόντων λιθίου, οι οποίες θα είναι μια σταδιακή διαδικασία τα επόμενα χρόνια. Με τη μαζική χρήση της αποθήκευσης συστημάτων ανανεώσιμης ενέργειας, η χρήση μπαταριών μολύβδου-οξέος θα συνεχίσει να αυξάνεται και το επίκεντρο των μπαταριών SLI ιόντων λιθίου θα χρησιμοποιηθεί σε οχήματα ICE μεσαίου έως υψηλού επιπέδου που βρίσκονται στην Ευρώπη, μερικά από τα οποία βρίσκονται στην Ασία και τις Ηνωμένες Πολιτείες. Για πολλά μικρά και φθηνά οχήματα ICE, η μπαταρία μολύβδου-οξέος SLI θα συνεχίσει να χρησιμοποιείται, επειδή το κόστος αντικατάστασης της μπαταρίας θα είναι πάντα ο αποφασιστικός παράγοντας. Επιπλέον, η παγκόσμια καταναλωτική αγορά θα αυξήσει τη χρήση προϊόντων «κυκλικής οικονομίας», τα οποία θα επικεντρωθούν στη μείωση των περιβαλλοντικών αποβλήτων, αυξάνοντας παράλληλα την ανακύκλωση των πρώτων υλών. Αν και η ανακύκλωση των μπαταριών ιόντων λιθίου βρίσκεται ακόμη στα σπάργανα, η Κίνα, η Ιαπωνία και άλλες χώρες έχουν ήδη πραγματοποιήσει σημαντικές πρωτοβουλίες. Οι Ηνωμένες Πολιτείες, η Αυστραλία και οι ευρωπαϊκές χώρες έχουν αποδείξει όλες τις νέες λειτουργίες ανακύκλωσης υλικών σε μπαταρίες ιόντων λιθίου. Αυτές οι διαδικασίες ανακύκλωσης θα πραγματοποιηθούν τα επόμενα πέντε με πέντε χρόνια. Τέλεια σε 10 χρόνια.