Vooruitzichtanalyse van lithiumbatterijen ter vervanging van loodzuur op het gebied van autobatterijen

Loodzuuraccu's zijn momenteel de belangrijkste energiebron voor SLI in motorvoertuigen, en ze hebben ook veel andere toepassingen gekregen. De voordelen van lithiumbatterijen als SLI-batterijen in plaats van loodzuurbatterijen liggen vooral in hun langere levensduur en hogere energiedichtheid. Op het gebied van veiligheid wordt rekening gehouden met de nieuwe Europese batterijvoorschriften voor het gebruik van beperkende materialen in voertuigen, evenals met kosten-, ontwerp- en testspecificaties. Er wordt ook rekening gehouden met de levenscyclus en recycling van de twee batterijen.

1. Batterij vervangen Battery

In de loop der jaren zijn de chemie- en productienormen van loodzuurbatterijen relatief snel aangepast aan nieuwe stroomvereisten en uitdagingen door additieven aan te passen en bestaande productieprocessen te verbeteren, in plaats van te proberen een volledig nieuw batterijsysteem opnieuw te ontwerpen. In de jaren zestig was de levensduur van een loodzuur-SLI-batterij ongeveer 3 jaar, en in 2015, naarmate de stroom- en toepassingsvereisten toenemen, kan de batterij wel vijf jaar of langer meegaan.

Loodzuurbatterijen hebben hun marktaandeel behouden, vooral omdat ze kunnen voldoen aan de hoge stroomsterkte die nodig is voor het opstarten van koude ICE, de duurzaamheid van de cyclus bij hoge temperaturen, relatief hoge veiligheid en relatief lage kosten. Als u van plan bent deel te nemen aan deze markt, dan zijn dit de uitdagingen waarmee elke nieuwe batterijtechnologie te maken krijgt. In de afgelopen jaren is de stabiliteit van lithiumbatterijen op het gebied van chemie en productie aanzienlijk verbeterd, zijn de kosten voortdurend verlaagd en zijn de prestaties voortdurend verbeterd. In bredere zin, vergeleken met loodzuuraccu's, zijn de huidige belangrijkste voordelen van lithium-ion SLI-accu's hun hoge energiedichtheid en lange levensduur.

Lithium-ion SLI-batterijen hebben vergelijkbare prestaties als bestaande loodzuur-SLI-batterijen en er zijn aanvullende tests ingevoerd om de stabiliteit van lithium-ion SLI-batterijen te evalueren. Inclusief strikte veiligheidsmaatregelen, zoals bescherming tegen overlading, vernietigingstests voor verbrijzeling of perforatie, continu ontladen en opladen bij lage temperaturen en evaluatie van de impact van lithiumafzetting.

2. Veiligheidsontwerp van lithium-ionbatterij;

De belangrijkste uitdaging bij de ontwikkeling van lithium-ion SLI-batterijen is hoe veilig de batterij is bij misbruik of veroudering, en of thermische runaway zal optreden. Er zijn veel testen gedaan om deze situatie te voorkomen, maar niet alle situaties zijn voorspelbaar. Aangezien het ongeval buitensporige schade aan het interieur van het voertuig heeft veroorzaakt, waardoor de batterij kan verbranden als gevolg van externe of interne branden, zullen de genomen voorzorgsmaatregelen ervoor zorgen dat de beschadigde batterij geen vonken meer veroorzaakt, waardoor de verspreiding van vuur na de ongeluk. Daarnaast is een unieke factor van de batterij de interne kortsluiting (ISC) die kan optreden als gevolg van veroudering. Enkele veelvoorkomende aandoeningen, zoals de vorming van lithiumdendrieten, dringen het diafragma binnen en veroorzaken kortsluiting, waardoor het diafragma krimpt als gevolg van hitte en een kortsluiting over een groot gebied veroorzaakt. Een andere uitdaging voor het gestandaardiseerd testen van batterijen is dat de externe structuur van lithium-ionbatterijen cilindrisch, zakje (softpack) of vierkant kan zijn. Daarom vereist elk batterijtype een andere mechanische testprocedure. Deze technieken kunnen worden gebruikt om inzicht te krijgen in de correlatie tussen veiligheidstests en lithium-ion SLI-batterijen.

3. SLI-batterijontwerp:

Bij het ontwerp van SLI-batterijen is er een verscheidenheid aan elektrodematerialen en batterijcombinaties om uit te kiezen. Wanneer de totale batterijspanning echter beperkt is tot een typische 12V, is het in dit geval mogelijk om de bestaande loodzuurbatterij te vervangen. Momenteel kunnen slechts enkele in serie geschakelde accu's de juiste accuspanning bereiken.

Naast de vereiste om een ​​batterijspanning van bijna 12V te verkrijgen, moeten andere factoren worden overwogen, zoals gemakkelijke beschikbaarheid op de consumentenmarkt. In vergelijking met standaard loodzuuraccu's kunnen deze materialen kostenconcurrerende SLI-accu's maken. De kathodematerialen van lithium-ionbatterijen kunnen worden onderverdeeld in gelaagde, spinel- en olivijntypes. Het anodemateriaal is voornamelijk koolstof. Naast de compatibiliteit van kathode- en anodematerialen om de juiste batterijspanning en stroomcapaciteit te bieden, is de eerste van lithium-ionbatterijen De drie belangrijke componenten zijn de elektrolyt. Voor de meeste commerciële batterijen worden organische vloeibare elektrolyten gebruikt in combinatie met oplosbare lithiumzouten, die voor de vereiste lithiumionengeleiding kunnen zorgen. Het meest gebruikte zout dat momenteel wordt gebruikt, is LiPF6.

In BEV kan de 12 V lithium-ion SLI-batterij worden gebruikt om het elektronische systeem aan boord van het voertuig' te onderhouden wanneer het voertuig niet rijdt. Het gebruik van lood-zuur SLI-batterijen in deze toepassing is niet ideaal omdat deze meestal is ontworpen voor hoog vermogen en niet noodzakelijkerwijs geschikt is voor de toepassingsscenario's van diepe lage stroomontlading. In dit opzicht compenseren lithium-ion SLI-batterijen de tekortkomingen van loodzuur-SLI-batterijen.

4. Ontwerp van batterijbalans en batterijbeheersysteem (BMS)

In tegenstelling tot lood-zuur SLI-batterijen, is de uitdaging voor lithium-ionbatterijtechnologie dat ze een hoog oplaadrendement hebben van bijna 95% en strikt binnen het batterijspanningsvenster moeten werken. Wanneer lithium-ionbatterijen in serie worden geassembleerd en opgeladen, kunnen ze gemakkelijk buiten het batterijspanningsvenster drijven, het actieve materiaal kan onomkeerbare faseveranderingen beginnen te ondergaan en de elektrolyt kan beginnen te ontleden. Dit verhoogt op zijn beurt de interne weerstand van de batterij, waardoor het onbalanseffect van de batterij toeneemt. Daarom zijn batterijbeheer en bewaking van afzonderlijke batterijpakketten standaardpraktijken geworden voor lithium-ionmodules en zijn ze meestal ingebouwd in de behuizing van de batterijdoos. Er is een groot aantal BMS-systemen op de markt, waarvan er vele op maat zijn gemaakt voor specifieke chemicaliën voor lithium-ionbatterijen. De eenvoudigste en meest kosteneffectieve oplaadmethode is om het opladen van het seriebatterijpakket te beperken. Een betere methode is om de herverdeling van energie tussen de batterijen mogelijk te maken zodra de batterij de bovenste spanningslimiet bereikt, waardoor wordt voorkomen dat een enkele batterij wordt overladen en veiligheidsproblemen veroorzaken.

5. De kosten van de batterij:

In vergelijking met bestaande technologieën is een van de grootste uitdagingen van lithium-ion SLI-batterijen om consumenten een concurrerende prijs te bieden. Onderzoekers werken er hard aan om de problemen met de waardeketen bij de productie van lithium-ionbatterijen te bestuderen. Momenteel wordt aangenomen dat bijna 60% van de batterijkosten bestaat uit inactieve materialen zoals stroomafnemers, scheiders en batterijbehuizingen. De extra kosten komen van vaste elektrolyt interfase (SEI). ) De tijd en energie besteed aan het vormingsproces.

6. Beleid en wetgeving

De belangrijkste drijfveren van technologie gaan meestal gepaard met bepaald nationaal en internationaal beleid met betrekking tot gezondheid en veiligheid, gevolgd door wetgeving. Deze omvatten meestal het gebruik van bepaalde chemicaliën of chemische accessoires die als schadelijk worden beschouwd voor mens en milieu. Vooral wanneer deze schadelijke stoffen in voertuigen worden gebruikt, moet hun ontwerpconcept in staat zijn om"groene recycling" te bereiken, dat wil zeggen dat ze kunnen worden gedemonteerd zodat verschillende materialen kunnen worden hergebruikt, gerecycled of veilig kunnen worden verwijderd zonder enige vervuiling van het milieu te veroorzaken.

7. Normen en specificaties:

In de loop van de decennia zijn er specificaties en normen ontstaan ​​en geleidelijk ontwikkeld om zich aan te passen aan de prestaties en veiligheid van bijna alle batterijtoepassingen, inclusief SLI-batterijen voor voertuigen. Aan de andere kant kan de wetgeving van bepaalde landen of regio's verwijzen naar normen als het gaat om bepaalde vereisten die meestal een directe impact hebben op de veiligheid en gezondheid van de gemeenschap en het milieu. De United States Advanced Battery Alliance (USABC) heeft een handleiding voor het testen van batterijen (Revisie 2) opgesteld voor het Amerikaanse ministerie van Energie (DoE).

8. Batterij recyclen

Momenteel een bedrijf met een zekere kracht in het recyclen van lithium-ionbatterijen.

Het bovenstaande vat samen dat sommige grote bedrijven actief deelnemen aan het gevestigde industriële recyclingproces van lithium-ionbatterijen. De recyclingcapaciteit van de opkomende recyclingindustrie zal de komende 7 tot 10 jaar minstens vervijfvoudigen.

9. Conclusies en vooruitzichten

Dit artikel vat enkele factoren samen voor het vervangen van lood-zuur SLI-batterijen door lithium-ion SLI-batterijen, wat de komende jaren een geleidelijk proces zal zijn. Met het massale gebruik van opslag van hernieuwbare energiesystemen, zal het gebruik van loodzuurbatterijen blijven groeien, en de focus van lithium-ion SLI-batterijen zal worden gebruikt in middelgrote tot high-end ICE-voertuigen in Europa, sommige van die zich in Azië en de Verenigde Staten bevinden. Voor veel kleine en goedkope ICE-voertuigen zal de loodzuur-SLI-batterij blijven worden gebruikt, omdat de kosten van het vervangen van de batterij altijd de beslissende factor zullen zijn. Daarnaast zal de wereldwijde consumentenmarkt het gebruik van"circulaire economie" producten, die zich zullen richten op het verminderen van milieuafval en het vergroten van de recycling van grondstoffen. Hoewel de recycling van lithium-ionbatterijen nog in de kinderschoenen staat, hebben China, Japan en andere landen al grote initiatieven genomen. De Verenigde Staten, Australië en Europese landen hebben allemaal de nieuwe functies van het recyclen van materialen in lithium-ionbatterijen gedemonstreerd. Deze recyclingprocessen zullen in de komende vijf tot vijf jaar plaatsvinden. Perfect in tien jaar.