Prospekteringsanalys av litiumbatterier som ersätter blysyra inom bilbatterier

Blybatterier är för närvarande den viktigaste strömkällan för SLI i motorfordon, och de har också fått många andra applikationer. Fördelarna med litiumbatterier som SLI-batterier istället för blybatterier ligger främst i deras längre livslängd och högre energitäthet. När det gäller säkerhet beaktas de nya europeiska batteribestämmelserna om användning av restriktiva material i fordon samt kostnads-, konstruktions- och testspecifikationer. Man tar också hänsyn till livscykeln och återvinningen av de två batterierna.

1. Batteribyte

Under årens lopp har kemi- och tillverkningsstandarderna för blybatterier anpassats till nya effektbehov och utmaningar relativt snabbt genom att justera tillsatser och förbättra befintliga tillverkningsprocesser, snarare än att försöka omforma ett helt nytt batterisystem. På 1960-talet var livslängden för ett blysyra SLI-batteri cirka 3 år, och 2015, när effekt- och applikationskraven ökar, kan batteriet vara så länge som fem år eller mer.

Blybatterier har behållit marknadsandelarna, främst för att de kan möta den höga ström som krävs för kall ICE-start, högtemperaturcykelbeständighet, relativt hög säkerhet och relativt låg kostnad. Om du planerar att delta på denna marknad är det dessa utmaningar som all ny batteriteknik måste möta. Under de senaste åren har litiumbatteriernas stabilitet i fråga om kemi och tillverkning förbättrats avsevärt, kostnaden har kontinuerligt minskat och prestandan har kontinuerligt förbättrats. I vidare bemärkelse, jämfört med blybatterier, är de nuvarande huvudfördelarna med SLI-batterier med litiumjon deras höga energitäthet och långa livslängd.

SLI-batterier med litiumjon har liknande prestanda som befintliga SLI-batterier med blysyra, och ytterligare tester har införts för att utvärdera stabiliteten hos SLI-batterier med litiumjon. Inklusive strikta säkerhetsåtgärder, såsom överladdningsskydd, kross- eller punkteringstypdestruktionstester, kontinuerlig utsläpp och laddning vid låga temperaturer samt utvärdering av effekterna av litiumdeponering.

2. Säkerhetsdesign av litiumjonbatteri

Den största utmaningen i utvecklingen av SLI-batterier med litiumjon är hur säkert batteriet är under missbruks- eller åldrandeförhållanden och om termisk flykt kommer att ske. Många tester har utförts för att förhindra denna situation, men alla situationer är inte förutsägbara. Eftersom olyckan orsakade alltför stora skador på fordonets inre, vilket kan leda till att batteriet brinner på grund av yttre eller inre bränder, kommer de försiktighetsåtgärder som vidtagits att säkerställa att det skadade batteriet inte ytterligare orsakar gnistor, vilket minskar brandspridningen efter olyckan. Dessutom är en unik faktor för batteriet den interna kortslutningen (ISC) som kan uppstå på grund av dess åldrande. Vissa vanliga förhållanden, såsom bildandet av litiumdendriter, tränger in i membranet för att orsaka kortslutning, vilket gör att membranet krymper på grund av värme och orsakar en kortslutning med stort område. En annan utmaning för standardiserad batteritestning är att litiumjonbatteriernas yttre struktur kan vara cylindrisk, påse (mjuk förpackning) eller kvadratisk. Därför kräver varje batterityp ett annat mekaniskt testförfarande. Dessa tekniker kan användas för att vägleda förståelsen av sambandet mellan säkerhetstestning och SLI-batterier med litiumjon.

3. SLI batteridesign

Vid design av SLI-batterier finns det en mängd olika elektrodmaterial och batterikombinationer att välja mellan. Men när den totala batterispänningen är begränsad till en typisk 12V är det möjligt att byta ut det befintliga blybatteriet i detta fall. För närvarande kan endast ett fåtal batterier som är anslutna i serie nå rätt batterispänning.

Förutom kravet på att få en batterispänning nära 12V måste andra faktorer som enkel tillgänglighet på konsumentmarknaden beaktas. Jämfört med vanliga blybatterier kan dessa material göra kostnadseffektiva SLI-batterier. Katodmaterialen i litiumjonbatterier kan delas in i skiktade, spinel- och olivintyper. Anodmaterialet är huvudsakligen kol. Förutom att överväga kompatibiliteten hos katod- och anodmaterial för att ge rätt batterispänning och effektkapacitet, är den första av litiumjonbatterier De tre viktiga komponenterna dess elektrolyt. För de flesta kommersiella batterier används organiska flytande elektrolyter tillsammans med lösliga litiumsalter, vilket kan ge den litiumjonledningsförmåga som krävs. Det vanligaste saltet som för närvarande används är LiPF6.

I BEV kan 12 V litiumjon SLI-batteriet användas för att underhålla fordonets elektroniska system ombord när fordonet inte kör. Användningen av blysyra SLI-batterier i denna applikation är inte idealisk eftersom den vanligtvis är utformad för hög effekt och Det är inte nödvändigtvis lämpligt för applikationsscenarier med djup lågströmsurladdning. I detta avseende utgör litiumjon SLI-batterier bara bristerna i blysyra SLI-batterier.

4. Utformning av batteribalans och batterihanteringssystem (BMS)

Till skillnad från blysyra SLI-batterier är utmaningen för litiumjonbatteriteknik att de har en hög laddningseffektivitet nära 95% och måste fungera strikt inom batterispänningsfönstret. När litiumjonbatterier monteras i serie och laddas kan de enkelt driva utanför batterispänningsfönstret, det aktiva materialet kan börja uppleva oåterkalleliga fasförändringar och elektrolyten kan börja sönderdelas. Detta ökar i sin tur batteriets interna motstånd och ökar därmed batteriets obalanseffekt. Därför har batterihantering och övervakning av enskilda batteripaket blivit standardrutiner för litiumjonmoduler, och de är vanligtvis inbyggda i batteriboxhuset. Det finns ett stort antal BMS-system på marknaden, varav många är skräddarsydda för specifika litiumjonbatterikemikalier. Den enklaste och mest kostnadseffektiva laddningsmetoden är att begränsa laddningen av seriens batteripaket. En bättre metod är att tillåta omfördelning av energi mellan batterierna när batteriet når sin övre spänningsgräns, vilket förhindrar att ett enda batteri överladdas och orsakar säkerhetsproblem.

5. Kostnaden för batteriet

Jämfört med befintlig teknik är en av de största utmaningarna med SLI-batterier med litiumjon att ge konsumenterna ett konkurrenskraftigt pris. Forskare arbetar hårt för att studera värdekedjefrågorna vid tillverkning av litiumjonbatterier. För närvarande anses nästan 60% av batterikostnaderna bestå av inaktiva material som strömuppsamlare, separatorer och batterihöljen. Merkostnaden kommer från solid elektrolytinterfas (SEI). ) Den tid och energi som spenderas i bildandet.

6. Politik och lagstiftning

De främsta drivkrafterna bakom tekniken åtföljs vanligtvis av vissa nationella och internationella strategier som rör hälsa och säkerhet, följt av lagstiftning. Dessa innebär vanligtvis användning av vissa kemikalier eller kemiska tillbehör som anses skadliga för människor och miljö. Särskilt när dessa skadliga ämnen används i fordon bör deras designkoncept kunna uppnå "grön återvinning", det vill säga de kan demonteras så att olika material kan återanvändas, återvinnas eller säkert kasseras utan att orsaka någon förorening i miljön.

7. Standarder och specifikationer

Under årtiondena har specifikationer och standarder dykt upp och gradvis utvecklats för att anpassa sig till prestanda och säkerhet för nästan alla batteriapplikationer, inklusive SLI-batterier för fordon. Å andra sidan kan lagstiftningen i vissa länder eller regioner hänvisa till standarder när man hanterar vissa krav som vanligtvis har en direkt inverkan på samhällets och miljöns säkerhet och hälsa. United States Advanced Battery Alliance (USABC) har sammanställt en batteritesthandbok (Revision 2) för U.S. Department of Energy (DoE).

8. Batteriåtervinning

För närvarande ett företag med viss styrka i återvinning av litiumjonbatterier.

Ovanstående sammanfattar att vissa stora företag aktivt deltar i den etablerade återvinningsprocessen i industriell skala av litiumjonbatterier. Återvinningskapaciteten inom den framväxande återvinningsindustrin kommer att öka minst fem gånger under de kommande 7 till 10 åren.

9. Slutsatser och framtidsutsikter

Denna artikel sammanfattar några faktorer för att ersätta blysyra SLI-batterier med litiumjon SLI-batterier, vilket kommer att vara en gradvis process under de närmaste åren. Med den massiva användningen av lagring av förnybara energisystem kommer användningen av blybatterier att fortsätta att öka, och fokus för SLI-batterier med litiumjon kommer att användas i medelstora till avancerade ICE-fordon i Europa, varav några finns i Asien och Förenta staterna. För många små och billiga ICE-fordon kommer det blysyra sli-batteriet att fortsätta att användas, eftersom kostnaden för att byta ut batteriet alltid kommer att vara den avgörande faktorn. Dessutom kommer den globala konsumentmarknaden att öka användningen av produkter med "cirkulär ekonomi", som kommer att fokusera på att minska miljöavfallet och samtidigt öka återvinningen av råvaror. Även om återvinningen av litiumjonbatterier fortfarande är i sin linda har Kina, Japan och andra länder redan genomfört stora initiativ. Förenta staterna, Australien och europeiska länder har alla visat de nya funktionerna för återvinning av material i litiumjonbatterier. Dessa återvinningsprocesser kommer att äga rum under de kommande fem till fem åren. Perfekt om tio år.