Аналіз перспектив літієвих акумуляторів, що замінюють свинцево-кислотні в галузі автомобільних акумуляторів

Свинцево-кислотні акумулятори в даний час є основним джерелом живлення для SLI в автомобільних транспортних засобах, і їм також було надано багато інших застосувань. Переваги літієвих акумуляторів як SLI замість свинцево-кислотних акумуляторів полягають головним чином у їх тривалішому житті та більшій щільності енергії. З точки зору безпеки враховуються нові європейські правила щодо акумуляторів щодо використання обмежувальних матеріалів у транспортних засобах, а також вартість, конструкція та технічні умови. Також враховується життєвий цикл та утилізація двох батарей.

1. Заміна акумулятора

Протягом багатьох років хімічні та виробничі стандарти свинцево-кислотних акумуляторів були відносно швидко адаптовані до нових вимог до енергії та викликів шляхом регулювання добавок та вдосконалення існуючих виробничих процесів, замість того, щоб намагатись переробити абсолютно нову акумуляторну систему. У 1960-х років термін служби свинцево-кислотної SLI-батареї становив близько 3 років, а до 2015 року, із збільшенням вимог до енергії та застосування, батарея може прослужити до п’яти років і більше.

Свинцево-кислотні акумулятори зберегли частку ринку, головним чином тому, що вони можуть відповідати великому струму, необхідному для холодного запуску ДВЗ, довговічності циклу при високих температурах, відносно високій безпеці та відносно низькій вартості. Якщо ви плануєте брати участь на цьому ринку, то перед цими новими акумуляторними технологіями стикаються ці проблеми. В останні роки стабільність літієвих батарей з точки зору хімії та виробництва значно покращилась, вартість постійно знижувалась, а продуктивність постійно покращувалась. У більш широкому розумінні, порівняно зі свинцево-кислотними акумуляторами, основними перевагами літій-іонних SLI акумуляторів є їх висока щільність енергії та тривалий термін служби.

Літій-іонні батареї SLI мають схожі показники з існуючими свинцево-кислотними батареями SLI, і були введені додаткові тести для оцінки стабільності літій-іонних батарей SLI. Включаючи суворі заходи безпеки, такі як захист від перенапруги, випробування на руйнування або прокол, постійний низькотемпературний розряд і зарядку, а також оцінка впливу осадження літію

2. Конструкція безпеки літій-іонної батареї

Основна проблема у розробці літій-іонних батарей SLI полягає в тому, наскільки безпечна батарея в умовах зловживання або старіння, а також у тому, чи відбудеться тепловий викид. Для запобігання цій ситуації було проведено багато тестів, але не всі ситуації передбачувані. Оскільки аварія спричинила надмірну шкоду у салоні автомобіля, що може призвести до горіння акумулятора через зовнішні або внутрішні пожежі, вжиті запобіжні заходи гарантуватимуть, що пошкоджений акумулятор надалі не спричинятиме іскор, тим самим зменшуючи розповсюдження вогню після аварія. Крім того, унікальним фактором батареї є внутрішнє коротке замикання (ISC), яке може виникнути внаслідок її старіння. Деякі загальні умови, такі як утворення дендритів літію, проникають у діафрагму, викликаючи коротке замикання, що призводить до зменшення діафрагми внаслідок нагрівання та короткого замикання великої площі. Ще однією проблемою для стандартизованого тестування акумуляторів є те, що зовнішня структура літій-іонних батарей може бути циліндричною, мішечковою (м'яка упаковка) або квадратною. Тому кожен тип батареї вимагає різної процедури механічного випробування. Ці методи можна використовувати для керівництва розумінням взаємозв'язку між тестуванням на безпеку та літій-іонними батареями SLI.

3. Дизайн батареї SLI

У дизайні батарей SLI існує безліч електродних матеріалів та комбінацій батарей на вибір. Однак, коли загальна напруга акумулятора обмежена типовим 12 В, у цьому випадку можна замінити існуючу свинцево-кислотну батарею. В даний час лише кілька батарей, підключених послідовно, можуть досягти правильної напруги акумулятора.

На додаток до вимоги до отримання напруги акумулятора, близької до 12 В, слід враховувати й інші фактори, такі як легка доступність на споживчому ринку. Порівняно зі стандартними свинцево-кислотними акумуляторами, ці матеріали можуть зробити конкурентоспроможними SLI акумуляторами. Катодні матеріали літій-іонних батарей можна розділити на шаруваті, шпінельні та олівінові типи. Анодним матеріалом є переважно вуглець. На додаток до розгляду сумісності катодних та анодних матеріалів для забезпечення правильної напруги та потужності акумулятора, перша з літій-іонних батарей - три важливі компоненти - це їх електроліт. Для більшості комерційних акумуляторів використовуються органічні рідкі електроліти разом з розчинними солями літію, які можуть забезпечити необхідну провідність іонів літію. Найпоширенішою сіллю, що використовується зараз, є LiPF6.

У системі BEV літій-іонний SLI-акумулятор 12 В можна використовувати для підтримки бортової електронної системи автомобіля' коли транспортний засіб не їде. Використання свинцево-кислотних батарей SLI у цьому застосуванні не є ідеальним, оскільки воно, як правило, розроблене для великої потужності, і воно не обов'язково підходить для сценаріїв застосування глибокого розряду низького струму. У зв'язку з цим літій-іонні батареї SLI просто заповнюють недоліки свинцево-кислотних батарей SLI.

4. Проектування балансу акумулятора та системи управління батареєю (BMS)

На відміну від свинцево-кислотних батарей SLI, проблема технології літій-іонних акумуляторів полягає в тому, що вони мають високу ефективність підзарядки близько 95% і повинні працювати строго в межах вікна напруги акумулятора. Коли літій-іонні батареї збираються послідовно і заряджаються, вони можуть легко вийти за межі вікна напруги акумулятора, активний матеріал може почати зазнавати незворотних фазових змін, а електроліт може почати розкладатися. Це, в свою чергу, збільшує внутрішній опір акумулятора, тим самим посилюючи ефект розбалансування батареї. Тому управління батареєю та моніторинг окремих акумуляторних блоків стали стандартною практикою для літій-іонних модулів, і вони, як правило, вбудовані в корпус батарейного блоку. На ринку існує велика кількість систем BMS, багато з яких спеціально створені для конкретних хімічних речовин літій-іонних акумуляторів. Найпростіший та найвигідніший спосіб зарядки - це обмеження зарядки серійного акумулятора. Кращим методом є перерозподіл енергії між акумуляторами, як тільки батарея досягне верхньої межі напруги, запобігаючи перезарядці однієї батареї та створюючи проблеми з безпекою.

5. Вартість акумулятора

Порівняно з існуючими технологіями, однією з головних проблем літій-іонних батарей SLI є забезпечення споживачів конкурентоспроможною ціною. Дослідники наполегливо працюють над вивченням питань ланцюжка створення вартості при виробництві літій-іонних акумуляторів. В даний час майже 60% витрат на батареї вважається складеними з неактивних матеріалів, таких як струмоприймачі, сепаратори та кожухи акумуляторів. Додаткові витрати забезпечуються інтерфазою твердого електроліту (SEI). ) Час та енергія, витрачені на процес формування.

6. Політика та законодавство

Основними рушіями технологій, як правило, супроводжуються певні національні та міжнародні політики, пов'язані з охороною праці, з подальшим законодавством. Зазвичай вони передбачають використання певних хімічних речовин або хімічних аксесуарів, які вважаються шкідливими для людини та навколишнього середовища. Особливо, коли ці шкідливі речовини використовуються в транспортних засобах, їх конструктивна концепція повинна мати змогу досягти" зеленої переробки" ;, тобто їх можна розібрати, щоб різні матеріали могли бути використані повторно, перероблені або безпечно утилізовані без забруднення навколишнього середовища.

7.Стандарти та технічні характеристики

Протягом десятиліть з'явилися специфікації та стандарти, які поступово розроблялися з метою адаптації до продуктивності та безпеки майже всіх застосувань акумуляторів, включаючи батареї SLI для автомобілів. З іншого боку, законодавство певних країн чи регіонів може посилатися на стандарти при вирішенні певних вимог, які зазвичай мають безпосередній вплив на безпеку та здоров’я громади та навколишнього середовища. Американський альянс передових акумуляторів (USABC) склав керівництво з тестування акумуляторів (Редакція 2) для Міністерства енергетики США (DoE).

8. Утилізація акумулятора

В даний час компанія з певною міцністю переробляє літій-іонні акумулятори.

Вищезазначене підсумовує, що деякі великі компанії беруть активну участь у встановленому в промисловому масштабі процесі переробки літій-іонних акумуляторів. Потенціал утилізації переробної промисловості, що розвивається, збільшиться щонайменше в п’ять разів протягом наступних 7 - 10 років.

9. Висновки та перспективи

У цій статті узагальнено деякі фактори заміни свинцево-кислотних батарей SLI літій-іонними батареями SLI, що буде поступовим процесом у найближчі кілька років. Завдяки масовому використанню систем зберігання відновлюваних джерел енергії використання свинцево-кислотних акумуляторів буде продовжувати зростати, і основна увага літій-іонних батарей SLI буде використовуватися в транспортних засобах ICE середнього та високого класу, розташованих в Європі, які є в Азії та США. У багатьох невеликих та дешевих автомобілях ICE свинцево-кислотний SLI-акумулятор і надалі використовуватиметься, оскільки вирішальним фактором завжди буде вартість заміни акумулятора. Крім того, світовий споживчий ринок збільшить використання" циркулярної економіки" продукції, яка буде зосереджена на скороченні екологічних відходів при одночасному збільшенні переробки сировини. Хоча переробка літій-іонних акумуляторів все ще перебуває в зародковому стані, Китай, Японія та інші країни вже реалізували великі ініціативи. США, Австралія та європейські країни продемонстрували нові функції переробки матеріалів в літій-іонних акумуляторах. Ці процеси переробки відбуватимуться протягом найближчих п’яти-п’яти років. Ідеальний за десять років.