Visaptveroša litija bateriju analīze: no pamatiem līdz ražošanai, struktūrai, procesiem, lietojumiem un nozares tendencēm

Litija baterijas jau sen ir “enerģijas kodols” tādās nozarēs kā plaša patēriņa elektronika, jauni enerģijas transportlīdzekļi, enerģijas uzglabāšanas sistēmas un pat zema{0}}augstuma ekonomika. Sākot no mazām ierīcēm, piemēram, mobilajiem tālruņiem un klēpjdatoriem, līdz liela mēroga-ierīcēm, piemēram, elektriskajiem transportlīdzekļiem un enerģijas uzkrāšanas spēkstacijām, to veiktspēja tieši nosaka aprīkojuma izturību, drošības līmeni un kalpošanas laiku. Šajā rakstā ir vispusīgi izjaukts šis kritiskais enerģijas komponents, aptverot tā galveno sastāvu, priekšrocības un trūkumus, klasifikācijas sistēmu, profesionālo terminoloģiju, nosaukumu piešķiršanas noteikumus, kā arī visu ražošanas procesu un nozares praksi, atklājot litija bateriju tehniskos noslēpumus.

I. Litija bateriju pamatsastāvs: "sirds" un "smadzenes" sinerģija

Litija akumulatora stabila darbība ir atkarīga no divu galveno sistēmu sinerģijas: "enerģijas padeves" un "drošības kontroles". Konkrēti, to var iedalīt divās daļās: akumulatora elementā un aizsargplāksnē (vai BMS), no kurām katrai ir neaizvietojama funkcija.

1. Akumulatora elements: litija bateriju "enerģijas sirds".

Akumulatora šūna ir kodols elektriskās enerģijas uzglabāšanai un izlaišanai, kas ir līdzvērtīga litija akumulatora "sirdim". Tās veiktspēja tieši nosaka akumulatora enerģijas blīvumu, cikla kalpošanas laiku un drošību. Akumulatora elements galvenokārt sastāv no 5 galvenajām sastāvdaļām:

Katoda materiāls: enerģijas izvades "avots", kas izlādes laikā atbrīvo litija jonus. Izplatītākie materiāli ir litija kobalta oksīds (LiCoO₂, ko izmanto plaša patēriņa elektronikā, piemēram, mobilajos tālruņos un klēpjdatoros, ar augstsprieguma platformu, bet vāju drošību), litija dzelzs fosfātu (LiFePO₄, ko izmanto enerģijas glabāšanā un elektriskajos transportlīdzekļos, ar augstu drošību un ilgu cikla mūžu), trīskomponentu litiju (augsti izmantots LiNi{Mₓ}CoႧ, In elektriskie transportlīdzekļi, kas var lepoties ar augstu enerģijas blīvumu) un litija manganāts (LiMn₂O₄, ko izmanto elektroinstrumentos, ar zemām izmaksām, bet vāju augstas -temperatūras stabilitāti).

Anoda materiāls: Enerģijas uzglabāšanas "noliktava", kas lādēšanas laikā adsorbē litija jonus un izlādes laikā nosūta tos atpakaļ uz katodu. Pašlaik grafīts ir galvenais (ar zemām izmaksām un labu stabilitāti, kas veido vairāk nekā 90% no anoda materiālu tirgus). Jaunās paaudzes anodi, kuru pamatā ir silīcija -anodi (kuru teorētiskā jauda ir vairāk nekā 10 reizes lielāka nekā grafītam), pakāpeniski tiek tirgoti, savukārt litija metāla anodi joprojām atrodas pētniecības un izstrādes stadijā dendrīta problēmu dēļ.

Elektrolīts: litija jonu migrācijas "kanāls", kas parasti sastāv no litija sāls (piemēram, LiPF₆, kas nodrošina litija jonus), organiskiem šķīdinātājiem (piemēram, karbonātiem, šķīdina litija sāļus) un piedevām (uzlabo cikla kalpošanas laiku un drošību). Tā tīrība un stabilitāte tieši ietekmē akumulatora veiktspēju augstā un zemā temperatūrā{5}} un drošības līmeni. Piemēram, pārmērīgs mitrums reaģēs ar litija sāļiem, veidojot kaitīgas gāzes, radot iespējamus drošības apdraudējumus.

Atdalītājs: "drošības barjera" starp katodu un anodu, poraina polimēra plēve (galvenokārt polietilēna PE un polipropilēna PP). Tas var ne tikai novērst tiešu kontaktu un īssavienojumu starp katodu un anodu, bet arī ļaut litija joniem iziet cauri. Augstas-kvalitātes separatoriem ir jābūt ar vienādu poru izmēru, pietiekamu mehānisko izturību un ķīmisko stabilitāti. Augstās temperatūrās tie var arī bloķēt jonu pārvadi, izmantojot "izslēgšanas efektu", lai izvairītos no termiskās bēgšanas.

Apvalks: Akumulatora elementa “aizsargvāks”, kas atbilstoši formai sadalīts alumīnija apvalkā (prizmatiskās baterijas, piemēram, mobilo tālruņu akumulatori), tērauda apvalkā (cilindrveida akumulatori, piemēram, 18650) un alumīnija -plastmasas kompozītmateriālu plēvē (baterijas maisiņos, piemēram, plāni mobilie tālruņi un valkājamas ierīces). Korpusam ir jābūt ar sprādziendrošu-, augstas-temperatūras un korozijas-izturīgu īpašībām, kā arī jābūt pēc iespējas vieglākam, lai uzlabotu akumulatora enerģijas blīvumu.

2. Aizsardzības padome: litija akumulatoru "drošības smadzenes".

Ja akumulatora šūna ir “enerģijas sirds”, aizsardzības panelis ir “drošības smadzenes”, kas atbild par akumulatora uzlādes un izlādes stāvokļa uzraudzību, lai izvairītos no tādiem riskiem kā pārlādēšana, pārmērīga{0}}izlāde un īssavienojums. Strāvas akumulatoru aizsardzības paneli parasti sauc par Battery Management System (BMS) ar sarežģītāku struktūru, savukārt patērētāju akumulatoru (piemēram, mobilo tālruņu akumulatoru) aizsardzības panelis ir salīdzinoši vienkāršots. Galvenās sastāvdaļas ietver:

Aizsardzības mikroshēma/pārvaldības mikroshēma: galvenā vadības ierīce, kas reāllaikā{0}}pārrauga akumulatora spriegumu, strāvu un temperatūru. Ja tiek konstatētas novirzes (piemēram, pārlādēšana ar spriegumu, kas pārsniedz 4,2 V, pārmērīga izlāde, ja spriegums ir mazāks par 3,0 V), tas iedarbina aizsardzības mehānismu.

MOSFET: strāvas "slēdzis", kas atslēdz vai vada uzlādes un izlādes ķēdi saskaņā ar mikroshēmas norādījumiem. Piemēram, pārlādēšanas laikā MOSFET atvieno uzlādes ceļu, lai izvairītos no akumulatora elementu bojājumiem.

Rezistori un kondensatori: palīgkomponenti, ko izmanto strāvas paraugu ņemšanai un sprieguma filtrēšanai, lai nodrošinātu noteikšanas datu precizitāti.

PCB plāksne: Komponentu "nesējs", integrējot mikroshēmas, MOSFET un citas detaļas, lai izveidotu stabilu ķēdes sistēmu.

PTC/NTC: Temperatūras aizsardzības sastāvdaļas. PTC (Pozitīvā temperatūras koeficienta termistoram) ir straujš pretestības pieaugums augstās temperatūrās, lai ierobežotu strāvu; NTC (negatīvā temperatūras koeficienta termistors) uztver temperatūru reāllaikā un nodrošina mikroshēmas temperatūras datus.

II. Litija bateriju priekšrocības un trūkumi: kāpēc tās var kļūt par galveno enerģijas avotu?

Litija baterijas var aizstāt svina -skābes, niķeļa-kadmija un niķeļa-metāla hidrīda akumulatorus, lai kļūtu par pirmo izvēli plaša patēriņa elektronikas un jaunās enerģijas jomās, pateicoties to izcilajām veiktspējas priekšrocībām, taču tām ir arī nenoliedzami trūkumi. Mēs varam intuitīvāk saprast litija bateriju novietojumu, horizontāli salīdzinot četrus galvenos akumulatoru veidus:

1. Galvenās priekšrocības: kāpēc litija baterijas ir neaizvietojamas?

Augsts enerģijas blīvums: gravimetriskā enerģijas blīvums ir 4-8 reizes lielāks nekā svina-skābes akumulatoriem, un tilpuma enerģijas blīvums ir 4-5 reizes lielāks nekā svina-skābes akumulatoriem. Tas nozīmē, ka litija baterijas var uzglabāt vairāk elektroenerģijas ar tādu pašu svaru/tilpumu. Piemēram, mobilā tālruņa litija akumulators ar ietilpību 1900mAh sver tikai aptuveni 20g, savukārt svina-skābes akumulators ar tādu pašu ietilpību sver vairāk nekā 1kg, kas ir pilnībā nepiemērots portatīvajām ierīcēm.

Ilgs cikla mūžs: Augstas-kvalitatīvas litija baterijas var sasniegt vairāk nekā 1500 ciklus, un litija dzelzs fosfāta baterijas var pat pārsniegt 6000 ciklus, savukārt svina-skābes akumulatoriem ir tikai 200-300 cikli. Ņemot par piemēru elektriskos transportlīdzekļus, modeļiem, kas aprīkoti ar litija akumulatoriem, akumulatora darbības laiks ir 5–8 gadi, kas ievērojami pārsniedz svina-skābes akumulatoru 1–2 gadus.

Videi draudzīgs un piesārņojošs-Bez piesārņojuma: Nesatur toksiskus smagos metālus, piemēram, svinu, dzīvsudrabu un kadmiju, tas ir videi draudzīgs visā ražošanas, izmantošanas un nodošanas aprites ciklā saskaņā ar globālo "divkāršā oglekļa" tendenci. Turpretim svina-skābes akumulatoru radītais svina piesārņojums un niķeļa-kadmija akumulatoru radītais kadmija piesārņojums daudzās valstīs ir ierobežots.

Zems{0}}pašizlādes līmenis: ikmēneša pašizlādes rādītājs{0}}ir tikai par 2%-9%, daudz zemāks nekā niķeļa-metāla hidrīda akumulatoru 20%-30%. Pilnībā uzlādēts mobilā tālruņa litija akumulators pēc viena mēneša dīkstāves joprojām var saglabāt vairāk nekā 80% jaudas, savukārt niķeļa-metāla hidrīda akumulatoram var būt atlikuši tikai 50%.

Augstsprieguma platforma: vienas šūnas nominālais spriegums ir 3,2-3,7 V, kas atbilst 3 niķeļa-kadmija/niķeļa-metāla hidrīda akumulatoru virknes spriegumam. Tas var atbilst aprīkojuma prasībām bez vairākiem sērijas savienojumiem, vienkāršojot akumulatora komplekta dizainu.

2. Galvenās nepilnības: kādas problēmas vēl ir jāatrisina?

Augstas izmaksas: Akumulatora izmaksas ir aptuveni 2,0-3,5 CNY/Wh, kas ir 2-5 reizes vairāk nekā svina-skābes akumulatoriem. Lai gan tas pakāpeniski samazinās līdz ar lielapjoma ražošanu, tā joprojām ir galvenā jaunu enerģijas transportlīdzekļu un enerģijas uzglabāšanas sistēmu izmaksu pozīcija.

Slikta pielāgošanās temperatūrai: Optimālā darba temperatūra ir 0-45 grādi. Kad temperatūra ir zemāka par 0 grādiem, jauda ievērojami samazinās (piem., pie -20 grādiem, jauda var būt tikai 50%); ja temperatūra ir virs 60 grādiem, pastāv drošības riski. Ir jākonfigurē papildu apkures/dzesēšanas sistēmas, palielinot izmaksas un sarežģītību.

Drošības apdraudējumi: Šķidrie elektrolīti ir uzliesmojoši. Ja aizsardzības sistēma neizdodas (piemēram, pārlādēšana, caurduršana, ekstrūzija), tas var izraisīt termisku bēgšanu, izraisot ugunsgrēku un sprādzienu. Tāpēc litija akumulatoriem ir jābūt aprīkotiem ar BMS vai aizsardzības plāksnēm, un tos nedrīkst izmantot "kailām" kā svina-skābes akumulatoriem.

Augstas prasības lādētājiem: Lai nodrošinātu stabilu uzlādes procesu un izvairītos no pārlādēšanas, ir nepieciešami pastāvīgas strāvas un pastāvīga sprieguma lādētāji, savukārt svina-skābes akumulatoriem ir nepieciešams tikai vienkāršs sprieguma regulators, un lādētāja izmaksas ir zemākas.

III. Litija bateriju klasifikācijas sistēma: kā izvēlēties dažādiem scenārijiem?

Ir daudz veidu litija bateriju, kuras var iedalīt vairākās kategorijās pēc dažādiem izmēriem. Dažādu kategoriju akumulatoriem ir ievērojamas veiktspējas atšķirības, un tās ir piemērotas dažādiem scenārijiem. Klasifikācijas loģikas apgūšana var palīdzēt jums labāk izprast, "kāpēc kobalta litija baterijas tiek izmantotas mobilajos tālruņos un litija dzelzs fosfāta / trīskāršā litija baterijas tiek izmantotas elektriskajos transportlīdzekļos".

1. Pēc uzlādes un izlādes raksturlielumiem: primārie akumulatori salīdzinājumā ar sekundārajiem akumulatoriem

Primārie (nav{0}}uzlādējami) akumulatori: zināmas arī kā litija primārās baterijas, piemēram, litija mangāna dioksīda baterijas (CR2032 pogu baterijas, ko izmanto tālvadības pultīs un pulksteņos) un litija -tionilhlorīda baterijas (izmanto lietiskā interneta ierīcēs un medicīnas implantējamos instrumentos). Tiem ir raksturīga liela ietilpība un ilgs glabāšanas laiks (līdz 10 gadiem), taču tos nevar uzlādēt un pēc lietošanas tie tiek izmesti.

Sekundārās (uzlādējamās) baterijas: pazīstami arī kā uzglabāšanas akumulatori, tie ir ikdienas dzīvē visbiežāk izmantotie veidi, piemēram, mobilo tālruņu akumulatori un elektrisko transportlīdzekļu akumulatori. Tos var atkārtoti uzlādēt un izlādēt 500-1500 reizes. Kodols ir atgriezeniskā "litija jonu migrācijas reakcija starp katodu un anodu", kas ir arī šī raksta uzmanības centrā.

2. Pēc katoda materiāla: bateriju galvenās veiktspējas noteikšana

Šī ir visizplatītākā klasifikācijas metode, un katoda materiāls tieši nosaka akumulatora enerģijas blīvumu, drošību un izmaksas:

Litija kobalta oksīds (LiCoO₂): Augsts enerģijas blīvums (200-250Wh/kg), augsta sprieguma platforma (3,7V), bet slikta drošība un īss cikla mūžs (500-800 cikli), galvenokārt tiek izmantots plaša patēriņa elektronikā, piemēram, mobilajos tālruņos un klēpjdatoros.

Litija dzelzs fosfāts (LiFePO₄): īpaši augsta drošība (termiskā temperatūra pārsniedz 200 grādus), ilgs cikla mūžs (1500-6000 cikli), zemas izmaksas, bet zems enerģijas blīvums (120-180Wh/kg), galvenokārt izmanto enerģijas uzglabāšanas sistēmās, elektriskajos autobusos un zemas klases elektriskajos transportlīdzekļos.

Trīskāršais litijs (LiNiₓCoᵧMn_zO₂): augsts enerģijas blīvums (200-300 Wh/kg), laba veiktspēja zemā-temperatūrā, taču vidēja drošība un augstas izmaksas. Tas ir sadalīts NCM523, NCM622 un NCM811 atbilstoši niķeļa saturam (jo lielāks niķeļa saturs, jo lielāks enerģijas blīvums), galvenokārt tiek izmantots augstas klases elektriskajos transportlīdzekļos un dronos.

Litija manganāts (LiMn₂O4): zemas izmaksas, laba augstas -temperatūras stabilitāte, bet zems enerģijas blīvums (100-150 Wh/kg) un īss cikla kalpošanas laiks (300–500 cikli), ko galvenokārt izmanto elektroinstrumentos un zema ātruma elektriskajos transportlīdzekļos.

3. Pēc formas: pielāgošanās dažādām aprīkojuma telpām

Cilindriskās baterijas: piemēram, 18650 (diametrs 18 mm, augstums 65 mm) un 21700 (diametrs 21 mm, augstums 70 mm), ar stabilu struktūru un augstu masveida ražošanas efektivitāti, ko galvenokārt izmanto klēpjdatoros un elektriskajos transportlīdzekļos (piemēram, Tesla agrīnajos modeļos tika izmantots 18650. gads, un vēlāk tika pārslēgts uz 21700).

Prizmatiskas baterijas: piemēram, mobilo tālruņu akumulatori (3–5 mm biezumā, 40–60 mm platumā) un elektrisko transportlīdzekļu jaudas akumulatori (10–20 mm biezumā, 100–200 mm platumā) ar augstu telpas izmantošanas līmeni un var tikt pielāgoti atbilstoši aprīkojuma izmēram, kas pašlaik ir elektrisko transportlīdzekļu galvenais veids.

Maciņu baterijas: iekapsulēti ar alumīnija-plastmasas kompozītmateriālu plēvi, tie var būt īpaši-plānas (0,5–2 mm biezumā) un elastīgi, galvenokārt tiek izmantoti plānos mobilajos tālruņos, valkājamās ierīcēs (piemēram, viedpulksteņos) un salokāmos mobilajos tālruņos.

4. Pēc elektrolīta stāvokļa: šķidrums pret polimēru

Litija jonu akumulatori (LIB): Izmantojot šķidros elektrolītus, ar augstu enerģijas blīvumu un zemām izmaksām, taču pastāv noplūdes risks. Vairums cilindrisko un prizmatisko cietā apvalka{1}}akumulatoru pieder šai kategorijai.

Litija polimēru baterijas (PLB): Izmantojot želeju vai cietus elektrolītus, bez noplūdes riska un var elastīgi deformēties. Lielākā daļa maisiņu bateriju pieder šai kategorijai, ko galvenokārt izmanto plaša patēriņa elektronikā.

5. Pēc pielietojuma: parastās baterijas salīdzinājumā ar barošanas baterijām

Parastās baterijas: izmanto plaša patēriņa elektronikā, piemēram, mobilajos tālruņos un klēpjdatoros, ar mazu ietilpību (1000mAh-10Ah) un zemu izlādes ātrumu (0,5-2C), kam nepieciešams augsts enerģijas blīvums.

Strāvas akumulatori: izmanto elektriskajos transportlīdzekļos un dronos ar lielu ietilpību (50Ah-500Ah) un augstu izlādes ātrumu (5-30C), kam ir jāiztur liela strāvas izlāde (piemēram, kad automašīna paātrina), kam nepieciešama lielāka drošība un cikla kalpošanas laiks.

IV. Litija bateriju galvenā terminoloģija: jēdzienu atšķiršana no ietilpības līdz SOC

Iegādājoties vai izmantojot litija baterijas, jūs bieži saskaraties ar tādiem terminiem kā "ietilpība", "C{0}}rate" un "SOC". Izpratne par šiem jēdzieniem var palīdzēt precīzi spriest par akumulatora veiktspēju un izvairīties no maldināšanas ar "nepatiesi atzīmētiem parametriem".

1. Jauda: cik daudz elektrības var uzglabāt akumulatorā?

Definīcija: elektrības daudzums, ko akumulators var atbrīvot noteiktos izlādes apstākļos, aprēķināts pēc formulas Q=I × t (I ir strāva, t ir laiks), ar vienībām Ah (ampērs-stunda) vai mAh (miliampērs{2}}stunda).

Vienkāršs skaidrojums: 1Ah nozīmē, ka akumulators var izlādēties ar 1A strāvu 1 stundu, un 1mAh nozīmē, ka tas var izlādēties ar 1mA strāvu 1 stundu. Piemēram, mobilā tālruņa akumulators ar 1900 mAh nozīmē, ka tas var izlādēties ar 190 mA strāvu 10 stundas.

Kopējie scenāriji: Mobilo telefonu akumulatori: 800-1900mAh; elektriskie velosipēdi: 10-20Ah; elektriskie transportlīdzekļi: 20-200Ah; enerģijas uzglabāšanas akumulatori: 100-1000Ah.

2. Uzlādes/izlādes ātrums (C-rate): cik ātri notiek uzlāde/izlāde?

Definīcija: uzlādes/izlādes strāva, kas izteikta kā akumulatora nominālās ietilpības reizinājums . 1C ir strāva "pilnīgai uzlādei/izlādei 1 stundā".

Aprēķinu metode: ja akumulatora ietilpība ir 1500 mAh, 1C=1500mA, 2C=3000mA (pilnībā izlādējies 0,5 stundās), 0,1C=150mA (pilnībā izlādējies 10 stundās).

Piezīmes: Jo augstāks ir izlādes ātrums, jo mazāka ir akumulatora faktiskā jauda (piemēram, kapacitāte pie 2C izlādes var būt tikai 80% no jaudas pie 1C izlādes), un jo nopietnāka ir siltuma veidošanās. Tāpēc jaudas akumulatoriem ir jābūt ar augstu -izlādes ātrumu (piemēram, elektriskajiem transportlīdzekļiem ir nepieciešams vairāk nekā 5 C).

3. Spriegums (OCV): akumulatoru "sprieguma platforma".

Nominālais spriegums: akumulatora nominālais spriegums. Parastās litija baterijas ir 3,2–3,7 V (litija kobalta oksīds: 3,7 V; litija dzelzs fosfāts: 3,2 V), kas ir svarīgs akumulatora darbības rādītājs.

Atvērtās ķēdes spriegums (OCV): Akumulatora spriegums, kad nav pievienota slodze, ko var izmantot, lai novērtētu akumulatora stāvokli (piemēram, pilnībā uzlādēta litija kobalta oksīda akumulatora OCV ir aptuveni 4,2 V un aptuveni 3,0 V, ja tam nav strāvas).

Sprieguma platforma: Stabils sprieguma diapazons akumulatora uzlādes un izlādes laikā (parasti 20%-80% no jaudas), kur spriegums mainās maz. Piemēram, litija kobalta oksīda akumulatoru sprieguma platforma ir 3,6–3,9 V, kas ir arī parastais iekārtas darba sprieguma diapazons.

4. Enerģija un jauda: cik ilgi to var izmantot? Cik daudz jaudas tas var izvadīt?

Enerģija: kopējā elektriskā enerģija, ko akumulators var uzkrāt, aprēķināta pēc formulas E=U×Q (U ir spriegums, Q ir jauda), izmantojot Wh (vats-stunda) vai kWh (kilovats-stunda, 1kWh=1 elektroenerģijas pakāpes) vienībās. Piemēram, mobilā tālruņa akumulatora jauda ar 1900 mAh un 3,7 V ir 3,7 V × 1,9 Ah=7.03Wh.

Jauda: enerģija, ko akumulators var izvadīt laika vienībā, kas aprēķināta pēc formulas P=U×I, ar vienībām W (vati). Jauda nosaka iekārtas "pārraušanas jaudu". Piemēram, elektriskajiem transportlīdzekļiem, paātrinot, ir nepieciešami lieljaudas-akumulatori, savukārt mobilajiem tālruņiem ir nepieciešami tikai zemas-jaudas akumulatori.

5. Cikla kalpošanas laiks: cik reizes akumulatoru var uzlādēt un izlādēt?

Definīcija: Viena akumulatora uzlāde un izlāde ir viens cikls. Ja jauda samazinās līdz 60–70% no sākotnējās jaudas, tas tiek uzskatīts par dzīves beigām.

Standarta pārbaude: IEC standarts nosaka, ka mobilo tālruņu litija akumulatoriem, kas izlādēti līdz 3,0 V 0,2 C temperatūrā un uzlādēti līdz 4,2 V 1 C temperatūrā, pēc 500 cikliem jābūt lielākai vai vienādai ar 60%; valsts standarts nosaka, ka jaudai pēc 300 cikliem jābūt lielākai vai vienādai ar 70%.

Lietošanas ieteikums: Izvairieties no dziļas uzlādes un izlādes (piemēram, neuzlādējiet līdz 100% vai neizlādējiet līdz 0% katru reizi), kas var pagarināt cikla kalpošanas laiku. Piemēram, ja mobilā tālruņa akumulatora jauda ir 20–80%, tā kalpošanas laiku var pagarināt līdz vairāk nekā 1000 cikliem.

6. Izlādes dziļums (DOD) un uzlādes stāvoklis (SOC): cik daudz jaudas ir palicis akumulatorā?

DOD: izlādētās jaudas procentuālā attiecība pret nominālo jaudu. Piemēram, ja izlādētā jauda ir 500 mAh un nominālā jauda ir 1000 mAh, DOD=50%. Jo dziļāks ir DOD, jo īsāks akumulatora darbības laiks.

SOC: atlikušās jaudas procentuālā attiecība pret nominālo jaudu . 0% nozīmē, ka nav strāvas, un 100% nozīmē pilnībā uzlādētu. BMS nosaka atlikušo akumulatora jaudu, izmantojot SOC, un mobilā tālruņa jaudas displejs tiek aprēķināts, pamatojoties uz SOC.

7. Izslēgšanas-spriegums: uzlādes/izlādes "sarkanā līnija"

Uzlādes pārtraukums{0}}Izslēgts spriegums: spriegums, pie kura akumulatoru vairs nevar uzlādēt. Litija kobalta oksīda akumulatoriem tas ir 4,2 V; litija dzelzs fosfāta akumulatoriem tas ir 3,65 V. Šī sprieguma pārsniegšana izraisīs akumulatora elementu bojājumus un termisku aizbēgšanu.

Izlādes pārtraukums{0}}Izslēgts spriegums: Spriegums, pie kura akumulatoru vairs nevar izlādēt. Litija kobalta oksīda akumulatoriem tas ir 3,0 V; litija dzelzs fosfāta akumulatoriem tas ir 2,5 V. Zem šī sprieguma tiks radīts neatgriezenisks anoda bojājums, un jaudu nevar atgūt.

8. Iekšējā pretestība: bateriju "neredzamais zudums".

Definīcija: Akumulatora iekšējā pretestība, kas kavē strāvas plūsmu, ar mΩ (miljomu) vienībām, kas sadalīta omu iekšējā pretestībā (ko izraisa materiāli un struktūra) un polarizācijas iekšējā pretestībā (ko izraisa elektroķīmiskas reakcijas).

Ietekme: Jo mazāka ir iekšējā pretestība, jo augstāka ir akumulatora uzlādes un izlādes efektivitāte un mazāka siltuma ražošana. Piemēram, strāvas akumulatoru iekšējā pretestība ir jākontrolē zem 50 mΩ, pretējā gadījumā lielas-strāvas izlādes laikā radīsies spēcīga karstuma rašanās.

V. Litija bateriju nosaukumu piešķiršanas noteikumi: modeļu izmēru izpratne

Litija bateriju nosaukumi dažādiem ražotājiem ir atšķirīgi, taču vispārīgie akumulatori atbilst IEC61960 standartam. Akumulatora veidu un izmēru var spriest pēc modeļa, lai izvairītos no nepareiza modeļa iegādes.

1. Cilindriskās baterijas: 3 burti + 5 cipari

Burtu nozīme: pirmais burts norāda anoda materiālu (I=iebūvēts-litija jonos, L=litija metāls); otrais burts norāda katoda materiālu (C=kobalts, N=niķelis, M=mangāns, V=vanādijs); trešais burts=R (cilindrisks).

Skaitļa nozīme: pirmie 2 cipari=diametrs (mm), pēdējie 3 cipari=augstums (mm).

Piemēri: ICR18650 - I (litija jonu anods), C (litija kobalta oksīda katods), R (cilindrisks), diametrs 18 mm, augstums 65 mm, visizplatītākais akumulators klēpjdatoriem un elektriskajiem transportlīdzekļiem; INR21700 - I (litija jonu anods), N (katods uz niķeļa- bāzes, trīskāršais litijs), R (cilindrisks), diametrs 21 mm, augstums 70 mm, ar par 50% lielāku jaudu nekā 18650, izmantots Tesla modelī 3.

2. Prizmatiskas baterijas: 3 burti + 6 cipari

Burtu nozīme: pirmie divi burti ir tādi paši kā cilindriskām baterijām, trešais burts=P (prizmatisks).

Skaitļa nozīme: pirmie 2 cipari=biezums (mm), vidējie 2 cipari=platums (mm), pēdējie 2 cipari=augstums (mm).

Piemēri: ICP053353 - I (litija jonu anods), C (litija kobalta oksīda katods), P (prizmatisks), 5 mm biezs, 33 mm plats, 53 mm augsts, tipisks mobilā tālruņa akumulators; IFP101520 - I (litija jonu anods), F (katods uz dzelzs- bāzes, litija dzelzs fosfāts), P (prizmatisks), 10 mm biezs, 15 mm platums, 20 mm augstums, izmanto viedajos pulksteņos.

VI. Viss litija bateriju ražošanas process: tiekšanās pēc izcilības katrā solī no materiāliem līdz šūnām

Litija akumulatoru ražošana ir sarežģīts un ļoti automatizēts process, kas ietver trīs galvenās saites: priekšpuses-, vidējās-un aizmugures-procesus. Katras saites precīzā vadība tieši ietekmē akumulatora veiktspēju un drošību, kas pazīstama kā "smalkas ķīmiskās rūpniecības un precīzas ražošanas kombinācija".

1. Priekš-Beigu process: elektrodu loksnes izgatavošana (baterijas ietilpības noteikšanas atslēga)

Vircas sajaukšana: Vakuuma maisītājā sajauciet katoda aktīvos materiālus (piem., LiCoO₂), vadošos līdzekļus (oglēju), saistvielas (PVDF) un šķīdinātājus (NMP), lai izveidotu viendabīgu suspensiju; tas pats attiecas uz anodu ar grafītu kā aktīvo materiālu, CMC/SBR kā saistvielu un ūdeni kā šķīdinātāju. Pamatprasība: vircai jābūt viendabīgai bez daļiņām, pretējā gadījumā tas radīs nevienmērīgu ietilpību.

Pārklājums: Vienmērīgi pārklājiet katoda/anoda suspensiju uz strāvas kolektora (alumīnija folija katodam, vara folija anodam), kontrolējot pārklājuma biezumu (±1 μm) un platību blīvumu (aktīvā materiāla svars uz laukuma vienību). Pamatprasība: pārklājumam jābūt viendabīgam, pretējā gadījumā tas izraisīs lokālu akumulatora uzsilšanu un jaudas samazināšanos.

Žāvēšana: Iztvaicē šķīdinātāju (NMP vai ūdeni) cepeškrāsnī, kontrolējot temperatūru 80-120 grādi. Vēja ātrumam un ātrumam jābūt precīzam, lai izvairītos no pārklājuma plaisāšanas un krokošanās.

Kalandrēšana: auksti-presējiet žāvētās elektrodu loksnes ar precīzu kalendāru, lai palielinātu pārklājuma blīvumu (samazinātu porainību), uzlabotu enerģijas blīvumu un nodrošinātu vienmērīgu biezumu (±0,5 μm).

Griešana: Gareniski sagrieziet platās elektrodu loksnes šaurās vajadzīgā platuma sloksnēs, izvairoties no atslāņošanās (burs radīs īssavienojumus).

Cilņu metināšana: Metināt metāla mēlītes (alumīnija cilpas katodam, niķeļa cilpas anodam) noteiktos pozīcijās uz elektrodu loksnēm kā strāvas noņemšanas punktus. Metināšanas kvalitātei ir jānodrošina auksti lodēšanas savienojumi vai viltus metināšana.

2. Vidējais-beigu process: elementu montāža (baterijas drošības noteikšanas atslēga)

Uztīšana/kraušana: Salieciet katodu, separatoru un anodu secībā "separator - anode - separator - katods" un satiniet tos cilindriskās/prizmatiskās šūnās, izmantojot uztīšanas iekārtu (uztīšanas veids), vai salieciet tos prizmatiskās šūnās ar sakraušanas iekārtu (salikts veids). Sakrautajam tipam ir augstāks telpas izmantošanas līmenis un zemāka iekšējā pretestība, bet zema efektivitāte; brūču tipam ir augsta efektivitāte un tas ir piemērots masveida ražošanai.

Apvalks/iekapsulēšana: metāla apvalkos (tērauda/alumīnija apvalkos) ievietojiet cilindriskas/prizmatiskas cietas{0}}čaulas; ielieciet maisiņu šūnas alumīnija -plastmasas kompozītmateriālu plēves apvalkos.

Cepšana: Ievietojiet iekapsulētās šūnas vakuuma krāsnī un cepiet 80-120 grādu temperatūrā 4-8 stundas, lai pilnībā noņemtu mitrumu no šūnām (mitruma saturs ir jākontrolē zem 50 ppm), pretējā gadījumā tas reaģēs ar elektrolītu, veidojot kaitīgas gāzes.

Elektrolītu iesmidzināšana: Ievadiet precīzi izmērītu elektrolīta daudzumu šūnās sausā telpā ar rasas punktu zem -40 grādiem. Elektrolītam pilnībā jāiefiltrē elektrodu loksnes un separatori. Iesmidzināšanas daudzuma kļūda jākontrolē ±0,1 g robežās, pretējā gadījumā tas ietekmēs akumulatora ietilpību.

Blīvējums: vakuuma siltums{0}}noblīvējiet maisiņu elementu elektrolīta iesmidzināšanas portu; noblīvējiet cieto-čaulas elementu elektrolīta iesmidzināšanas atveri ar tērauda lodītēm (cilindriskām) vai blīvējošām naglām (prizmatiskām) un nodrošiniet gaisa necaurlaidību ar lāzermetināšanu (gaisa noplūde izraisīs elektrolīta iztvaikošanu un jaudas pavājināšanos).

3. Atpakaļ-Pabeigt procesu: veidošana un testēšana (kvalificētu produktu pārbaude)

Veidošanās: Pirmo reizi uzlādējiet šūnas, lai uz anoda virsmas izveidotu stabilu Solid Electrolyte Interface (SEI) plēvi, kas ļauj litija joniem iziet cauri, bet bloķē elektronus, kas ir akumulatora cikla darbības un drošības atslēga. Uzlādes strāva ir maza (0,1-0,2C) un laiks ir ilgs (8-12 stundas).

Novecošana: Ļaujiet izveidotajām šūnām nostāvēties istabas temperatūrā vai augstā temperatūrā (45 grādi) 3-7 dienas, lai stabilizētu SEI plēvi, un izsijāt bojātās šūnas ar pārmērīgu pašizlādi (piemēram, šūnas ar sprieguma kritumu, kas pārsniedz 50 mV).

Jaudas klasifikācija: veiciet novecojušu elementu standarta uzlādes{0}}izlādes testus (uzlādējiet līdz augšējam spriegumam, izlādējiet līdz zemākajam spriegumam), izmēriet faktisko jaudu un pakāpi atbilstoši jaudai (piem., A pakāpe: 4950–5050 mAh, B pakāpe: 4850–4950 mAh), lai nodrošinātu nemainīgu vienas grupas elementu jaudu.

Šķirošana: Klasificējiet šūnas pēc tādiem parametriem kā jauda, ​​atvērtās ķēdes spriegums un iekšējā pretestība un novērsiet bojātos izstrādājumus (piemēram, šūnas ar pārmērīgu iekšējo pretestību un nepietiekamu jaudu).

Izskata un veiktspējas pārbaude: Pārbaudiet šūnu izskatu (nav skrāpējumu, noplūdes vai deformācijas), veiciet izolācijas pretestības, maiņstrāvas iekšējās pretestības un īssavienojuma testus, lai pārliecinātos, ka drošības rādītāji atbilst standartiem.

VII. Nozares tendences un uzņēmumu prakse: kur ir litija bateriju nākotne?

Strauji attīstoties jaunajai enerģētikas nozarei, litija akumulatoru tehnoloģija turpina gūt panākumus, un ir izveidojušies vairāki uzņēmumi, kas koncentrējas uz segmentētām jomām, veicinot litija bateriju paplašināšanu no "patērētāju elektronikas" jomas uz "rūpniecības un enerģētikas" jomām.

1. Tehnoloģiju tendences: no šķidruma līdz cietai, no lielas ietilpības līdz augstai drošībai

Cietvielu{0}}akumulatori: nomainiet šķidros elektrolītus un separatorus ar cietiem elektrolītiem, ievērojami uzlabojot drošību (nav noplūdes vai termiskas izplūdes riska), ar enerģijas blīvumu līdz 400-600 Wh/kg (divreiz vairāk nekā esošajiem litija akumulatoriem), kas var atbalstīt elektriskos transportlīdzekļus ar kreisēšanas diapazonu, kas pārsniedz 1000 km. Pašlaik masveida ražošanas stadijā ir nonākušas pus-puscietās baterijas (ar elektrolīta saturu 5%{10}}10%) (piem., NIO ET7 pus{11}}cietā akumulatora versija), un paredzams, ka visas -cietvielu baterijas tiks masveidā ražotas ap 2030. gadu.

Ātrās uzlādes tehnoloģija: Sasniedziet "80% uzlādi 10 minūtēs", izmantojot materiālu optimizāciju (piemēram, silīcija-anodus, ātrās-uzlādes elektrolītus) un konstrukcijas dizainu. Piemēram, S4 super-uzlādes akumulators, kas aprīkots ar Xpeng G9, var uzlādēt 400 km 10 minūtēs.

Izmaksu samazināšana: pateicoties liela mēroga-ražošanai (pasaules litija akumulatoru ražošanas jauda ir pārsniegusi 2TWh), materiālu jauninājumiem (piemēram, litija mangāna dzelzs fosfātu, kas aizstāj trīskāršo litiju) un procesa optimizācijas (piemēram, CTP/CTC tehnoloģija, moduļa komponentu samazināšana), akumulatora izmaksas ir samazinājušās no 5 CNY/Wh līdz 201,15 CNY/Wh 201,15 ir 20 CNY/Wh. paredzams, ka nākotnē tas samazināsies līdz 1 CNY/Wh.

2. Uzņēmuma prakse: Zhongchuang Feiyue - Koncentrēšanās uz divu-riteņu elektrisko transportlīdzekļu "akumulatoru maiņas revolūciju"

Divriteņu{0}}elektrisko transportlīdzekļu jomā litija akumulatoru lietojums tiek modernizēts no “lādēšanas” uz “akumulatoru nomaiņu”. Zhongchuang Feiyue (saistīts ar Zhongchuang New Energy Technology Group) ir šīs tendences reprezentatīvs uzņēmums. Tās pamatprakses ietver:

Uz scenāriju{0}} balstīti risinājumi: Nodrošiniet augstas -drošas un ilgas-darba litija baterijas tādiem gadījumiem kā koplietošanas elektriskie velosipēdi, tūlītēja piegāde (izņemšana līdzi ņemšanai, ātrā piegāde) un personīgajiem ceļojumiem. Piemēram, piegādes transportlīdzekļu akumulatora cikla ilgums ir vairāk nekā 2000 reižu, apmierinot ikdienas 100 km kreisēšanas diapazona pieprasījumu.

Inovatīvs akumulatoru nomaiņas modelis: Izvirziet koncepciju "akumulatoru nomaiņa, nevis uzlāde ir drošāka" un izvietojiet akumulatoru maiņas stacijas vairāk nekā 100 pilsētās visā valstī. Lietotāji var pabeigt akumulatoru nomaiņu tikai 30 sekundēs, atrisinot problēmas saistībā ar “lēnu uzlādi un uzlādes drošības apdraudējumiem” divriteņu transportlīdzekļos, kas apkalpo vairāk nekā 400 miljonus divriteņu -ceļojumu lietotāju.

Ražošanas jauda un globalizācija: Ar gada ražošanas jaudu virs 5GWh, produkti tiek eksportēti uz vairāk nekā 10 valstīm, pielāgojoties dažādu valstu sprieguma standartiem un klimatiskajiem apstākļiem (piemēram, augstas-temperatūras versijas akumulatori Dienvidaustrumāzijai, kas var stabili darboties 60 grādu vidē).

Secinājums: litija baterijas - Enerģētikas revolūcijas galvenais dzinējspēks

Litija akumulatori ir kļuvuši par enerģijas revolūcijas galveno dzinēju, sākot no mobilajiem tālruņiem un beidzot ar elektriskajiem transportlīdzekļiem, no enerģijas uzkrāšanas līdz zema{0}}augstuma ekonomijai. To tehnoloģiskā attīstība ir saistīta ne tikai ar iekārtu veiktspējas uzlabošanu, bet arī ar "divkāršā oglekļa" mērķa sasniegšanu un enerģijas struktūras pārveidošanu. Nākotnē līdz ar cietvielu-akumulatoru un ātrās uzlādes tehnoloģijas izrāvienu, kā arī nepārtrauktu izmaksu samazināšanos, litija akumulatoriem būs nozīme vairākās jomās (piemēram, aviācijā un dziļūdens-jūras izpētē), nodrošinot stabilu atbalstu cilvēku zaļās enerģijas nākotnei.

Parastajiem lietotājiem litija bateriju pamatprincipu un darbības parametru izpratne var palīdzēt akumulatorus izmantot zinātniskāk (piemēram, izvairīties no pārmērīgas uzlādes un pārmērīgas{0}}izlādes); Nozares praktiķiem tehnisko tendenču un scenāriju vajadzību izzināšana ir atslēga, lai atrastu iespējas litija akumulatoru "simts{1}}miljardu-līmenī". Neatkarīgi no tā, vai esat patērētājs vai praktizētājs, litija bateriju stāsts joprojām turpinās.