Komplexná analýza lítiových batérií: od základov po výrobu, štruktúru, procesy, aplikácie a trendy v odvetví

Lítiové batérie sú už dlho „energetickým jadrom“ v odvetviach, ako je spotrebná elektronika, nové energetické vozidlá, systémy skladovania energie a dokonca aj hospodárstvo v-nízkej nadmorskej výške. Od malých zariadení, ako sú mobilné telefóny a notebooky, až po veľké-zariadenia, ako sú elektrické vozidlá a elektrárne na skladovanie energie, ich výkon priamo určuje odolnosť, úroveň bezpečnosti a životnosť zariadenia. Tento článok komplexne rozoberá túto kritickú energetickú zložku, pokrýva jej základné zloženie, porovnanie výhod a nevýhod, klasifikačný systém, odbornú terminológiu, pravidlá pomenovania, ako aj celý výrobný proces a priemyselné praktiky a odhaľuje pre vás technické tajomstvá lítiových batérií.

I. Zloženie jadra lítiových batérií: Synergia medzi „srdcom“ a „mozgom“

Stabilná prevádzka lítiovej batérie závisí od synergie dvoch hlavných systémov: „dodávky energie“ a „kontroly bezpečnosti“. Konkrétne sa dá rozdeliť na dve časti: batériový článok a ochrannú dosku (alebo BMS), z ktorých každá má nezastupiteľnú funkciu.

1. Batériový článok: „Energetické srdce“ lítiových batérií

Batériový článok je jadrom na ukladanie a uvoľňovanie elektrickej energie, ekvivalentné „srdcu“ lítiovej batérie. Jeho výkon priamo určuje hustotu energie, životnosť cyklu a bezpečnosť batérie. Akumulátorový článok pozostáva hlavne z 5 kľúčových komponentov:

Materiál katódy: „Zdroj“ výdaja energie, ktorý pri vybíjaní uvoľňuje ióny lítia. Medzi bežné materiály patrí oxid lítno-kobaltnatý (LiCoO₂, používaný v spotrebnej elektronike, ako sú mobilné telefóny a notebooky, s vysokonapäťovou platformou, ale slabou bezpečnosťou), fosforečnan lítno-železitý (LiFePO₄, používaný v skladovaní energie a elektrických vozidlách s vysokou bezpečnosťou a dlhou životnosťou), ternárne lítium (LiNiₓCoᵧMn_zO₂), vozidlá s vysokou hustotou lítium, s vysokou{{{{n}energetickou energiou) (LiMn₂O₄, používaný v elektrickom náradí, s nízkou cenou, ale slabou stabilitou pri vysokých-teplotách).

Materiál anódy: „Sklad“ na skladovanie energie, ktorý počas nabíjania adsorbuje ióny lítia a počas vybíjania ich posiela späť ku katóde. V súčasnosti je hlavným prúdom grafit (s nízkymi nákladmi a dobrou stabilitou, ktorý predstavuje viac ako 90 % trhu s anódovými materiálmi). Nová generácia anód na báze kremíka- (s teoretickou kapacitou viac ako 10-krát vyššou ako grafitová) sa postupne komercializuje, zatiaľ čo lítiové kovové anódy sú stále vo fáze výskumu a vývoja kvôli problémom s dendritom.

Elektrolyt: „Kanál“ pre migráciu lítiových iónov, zvyčajne zložený z lítiovej soli (napr. LiPF₆, poskytujúca lítiové ióny), organických rozpúšťadiel (napr. uhličitany, rozpúšťajúce lítiové soli) a aditív (zlepšenie životnosti cyklu a bezpečnosti). Jej čistota a stabilita priamo ovplyvňuje výkon batérie pri vysokých a nízkych{5}}teplotách a úroveň bezpečnosti. Napríklad nadmerná vlhkosť bude reagovať so soľami lítia za vzniku škodlivých plynov, čo spôsobí potenciálne bezpečnostné riziká.

Oddeľovač: "Bezpečnostná bariéra" medzi katódou a anódou, porézna polymérová fólia (väčšinou polyetylén PE a polypropylén PP). Môže nielen zabrániť priamemu kontaktu a skratu medzi katódou a anódou, ale tiež umožniť prechod lítiových iónov. Separátory vysokej{2}}kvality musia mať jednotnú veľkosť pórov, dostatočnú mechanickú pevnosť a chemickú stabilitu. Pri vysokých teplotách môžu tiež blokovať prenos iónov prostredníctvom „efektu vypnutia“, aby sa zabránilo tepelnému úniku.

Shell: „Ochranný kryt“ článku batérie, rozdelený podľa tvaru na hliníkové puzdro (prizmatické batérie, ako sú batérie mobilných telefónov), oceľové puzdro (valcové batérie, napríklad 18650) a hliníkovú-plastovú kompozitnú fóliu (batérie vrecúška, napríklad tenké mobilné telefóny a nositeľné zariadenia). Plášť musí mať vlastnosti odolné voči výbuchu, -vysokým{4}}teplotám a korózii-, pričom musí byť čo najľahší, aby sa zlepšila energetická hustota batérie.

2. Ochranná doska: „Bezpečnostný mozog“ lítiových batérií

Ak je článok batérie „energetickým srdcom“, ochranná doska je „bezpečnostným mozgom“, ktorý je zodpovedný za monitorovanie stavu nabíjania a vybíjania batérie, aby sa predišlo rizikám, ako je prebitie, nadmerné{0}}vybitie a skrat. Ochranná doska napájacích batérií sa zvyčajne nazýva Battery Management System (BMS) so zložitejšou štruktúrou, zatiaľ čo ochranná doska spotrebných batérií (ako sú batérie mobilných telefónov) je relatívne zjednodušená. Medzi základné komponenty patria:

Ochranný čip/riadiaci čip: Hlavná riadiaca jednotka, ktorá-v reálnom čase monitoruje napätie, prúd a teplotu batérie. Keď sa zistia abnormality (napr. prebitie s napätím presahujúcim 4,2 V, nadmerné vybitie s napätím pod 3,0 V), spustí sa ochranný mechanizmus.

MOSFET: "Vypínač" prúdu, ktorý preruší alebo vedie obvod nabíjania a vybíjania podľa pokynov čipu. Napríklad pri prebíjaní MOSFET odpojí nabíjaciu dráhu, aby nedošlo k poškodeniu článku batérie.

Rezistory a kondenzátory: Pomocné komponenty, používané na odber vzoriek prúdu a filtrovanie napätia na zabezpečenie presnosti detekčných údajov.

PCB doska: "Nosič" komponentov, integrujúcich čipov, MOSFETov a iných častí, ktoré tvoria stabilný obvodový systém.

PTC/NTC: Komponenty ochrany proti teplote. PTC (Positive Temperature Coefficient termistor) má prudký nárast odporu pri vysokých teplotách na obmedzenie prúdu; NTC (Negative Temperature Coefficient termistor) sníma teplotu v reálnom čase a poskytuje údaje o teplote pre čip.

II. Výhody a nevýhody lítiových batérií: Prečo sa môžu stať hlavným zdrojom energie?

Lítiové batérie môžu nahradiť olovené-kyselinové, nikel{1}}kadmiové a nikel-metalhydridové batérie a stanú sa prvou voľbou v spotrebnej elektronike a nových energetických poliach vďaka svojim vynikajúcim výkonnostným výhodám, no majú aj nepopierateľné nedostatky. Umiestnenie lítiových batérií môžeme intuitívnejšie pochopiť prostredníctvom horizontálneho porovnania štyroch bežných typov batérií:

1. Hlavné výhody: Prečo sú lítiové batérie nenahraditeľné?

Vysoká hustota energie: Gravimetrická hustota energie je 4-8-krát väčšia ako hustota olovených-batérií a objemová hustota energie je 4-5-krát väčšia ako hustota olovených batérií. To znamená, že lítiové batérie dokážu uložiť viac elektrickej energie pri rovnakej hmotnosti/objeme. Napríklad lítiová batéria mobilného telefónu s kapacitou 1900mAh váži len okolo 20g, olovená batéria s rovnakou kapacitou váži viac ako 1kg, čo je pre prenosné zariadenia úplne nevhodné.

Dlhá životnosť cyklu: Vysoko-kvalitné lítiové batérie dokážu dosiahnuť viac ako 1 500 cyklov a lítium-železofosfátové batérie môžu dokonca prekročiť 6 000 cyklov, zatiaľ čo olovené-batérie majú iba 200-300 cyklov. Ak si vezmeme ako príklad elektrické vozidlá, modely vybavené lítiovými batériami majú životnosť batérie 5-8 rokov, čo ďaleko presahuje 1-2 roky olovených batérií.

Šetrné k životnému prostrediu a znečistenie-Zadarmo: Bez toxických ťažkých kovov, ako je olovo, ortuť a kadmium, je šetrný k životnému prostrediu počas celého životného cyklu výroby, používania a zošrotovania, v súlade s celosvetovým trendom „dual uhlíka“. Naproti tomu znečistenie olovom z olovených-kyselinových batérií a kadmiové znečistenie z niklových-kadmiových batérií je v mnohých krajinách obmedzené.

Nízka rýchlosť samovybíjania-: Mesačné-miera samovybíjania je iba 2 %{5}}9 %, čo je oveľa menej ako pri 20 %-30 % nikel-metalhydridových batérií. Plne nabitá lítiová batéria mobilného telefónu si aj po mesiaci nečinnosti dokáže udržať viac ako 80 % svojej energie, zatiaľ čo nikel-metal hydridovej batérii môže zostať len 50 %.

Vysokonapäťová platforma: Menovité napätie jedného článku je 3,2-3,7V, čo zodpovedá sériovému napätiu 3 nikel-kadmium/nikel-metal hydridových batérií. Môže spĺňať požiadavky na vybavenie bez viacerých sériových pripojení, čo zjednodušuje dizajn batérie.

2. Hlavné nedostatky: Aké problémy je ešte potrebné vyriešiť?

Vysoké náklady: Cena batérie je približne 2,0-3,5 CNY za Wh, čo je 2-5-krát viac ako v prípade olovených batérií. Aj keď pri veľkovýrobe postupne klesá, stále je hlavnou nákladovou položkou nových energetických vozidiel a systémov skladovania energie.

Slabá teplotná adaptabilita: Optimálna prevádzková teplota je 0-45 stupňov. Keď je teplota nižšia ako 0 stupňov, kapacita výrazne klesá (napr. pri -20 stupňoch môže zostať kapacita len 50%); keď je teplota vyššia ako 60 stupňov, existujú bezpečnostné riziká. Je potrebné nakonfigurovať ďalšie vykurovacie/chladiace systémy, čím sa zvyšujú náklady a zložitosť.

Bezpečnostné riziká: Kvapalné elektrolyty sú horľavé. Ak ochranný systém zlyhá (napríklad prebitie, prepichnutie, vytlačenie), môže dôjsť k úniku tepla, čo vedie k požiaru a výbuchu. Lítiové batérie preto musia byť vybavené BMS alebo ochrannými doskami a nemožno ich používať „nahé“ ako olovené-kyselinové batérie.

Vysoké požiadavky na nabíjačky: Na zabezpečenie stabilného procesu nabíjania a zabránenie prebíjaniu sú potrebné nabíjačky s konštantným prúdom a konštantným napätím, zatiaľ čo olovené-batérie potrebujú iba jednoduchý regulátor napätia a cena nabíjačky je nižšia.

III. Klasifikačný systém lítiových batérií: Ako si vybrať pre rôzne scenáre?

Existuje mnoho typov lítiových batérií, ktoré možno rozdeliť do viacerých kategórií podľa rôznych rozmerov. Batérie rôznych kategórií majú výrazné rozdiely vo výkone a sú vhodné pre rôzne scenáre. Zvládnutie klasifikačnej logiky vám môže pomôcť lepšie pochopiť, „prečo sa kobaltové lítiové batérie používajú v mobilných telefónoch a lítium-železnaté fosfátové/ternárne lítiové batérie sa používajú v elektrických vozidlách“.

1. Charakteristiky nabíjania a vybíjania: Primárne batérie verzus sekundárne batérie

Primárne (ne-nabíjateľné) batérie: Tiež známe ako lítiové primárne batérie, ako sú lítium-oxid manganičité batérie (CR2032 gombíkové batérie, používané v diaľkových ovládačoch a hodinkách) a lítium-tionylchloridové batérie (používané v zariadeniach internetu vecí a lekárskych implantovateľných nástrojoch). Vyznačujú sa vysokou kapacitou a dlhou skladovateľnosťou (až 10 rokov), nedajú sa však dobíjať a po použití sa vyhodia.

Sekundárne (nabíjateľné) batérie: Tiež známe ako akumulátorové batérie, sú najbežnejšie používaným typom v každodennom živote, ako sú batérie mobilných telefónov a batérie elektrických vozidiel. Môžu sa opakovane nabíjať a vybíjať 500-1500 krát. Jadrom je reverzibilná reakcia „migrácie lítiových iónov medzi katódou a anódou“, na ktorú sa zameriava aj tento článok.

2. Podľa materiálu katódy: Stanovenie výkonu jadra batérií

Toto je najzákladnejšia metóda klasifikácie a katódový materiál priamo určuje hustotu energie, bezpečnosť a cenu batérie:

Oxid lítno-kobaltnatý (LiCoO₂): Vysoká hustota energie (200-250Wh/kg), vysokonapäťová platforma (3,7V), ale nízka bezpečnosť a krátka životnosť cyklu (500-800 cyklov), používaná hlavne v spotrebnej elektronike, ako sú mobilné telefóny a notebooky.

lítium-železofosfát (LiFePO₄): Extrémne vysoká bezpečnosť (tepelná úniková teplota presahuje 200 stupňov), dlhá životnosť cyklu (1500-6000 cyklov), nízka cena, ale nízka energetická hustota (120-180Wh/kg), používa sa hlavne v systémoch skladovania energie, elektrických autobusoch a elektrických vozidlách nižšej kategórie.

Ternárne lítium (LiNiₓCoᵧMn_zO₂): Vysoká hustota energie (200-300Wh/kg), dobrý výkon pri nízkych-teplotách, ale stredná bezpečnosť a vysoké náklady. Delí sa na NCM523, NCM622 a NCM811 podľa obsahu niklu (čím vyšší obsah niklu, tým vyššia hustota energie), používa sa najmä v špičkových elektrických vozidlách a dronoch.

Manganistan lítny (LiMn₂O₄): Nízka cena, dobrá stabilita pri vysokých{0}}teplotách, ale nízka hustota energie (100-150 Wh/kg) a krátka životnosť (300 – 500 cyklov), používa sa najmä v elektrickom náradí a nízkorýchlostných elektrických vozidlách.

3. Podľa tvaru: Prispôsobenie sa rôznym priestorom vybavenia

Cylindrické batérie: Ako napríklad 18650 (priemer 18 mm, výška 65 mm) a 21700 (priemer 21 mm, výška 70 mm), so stabilnou štruktúrou a vysokou efektivitou hromadnej výroby, používané hlavne v notebookoch a elektrických vozidlách (napr. prvé modely Tesly používali 18650 a neskôr prešli na 21700).

Prizmatické batérie: Napríklad batérie pre mobilné telefóny (hrúbka 3 – 5 mm, šírka 40 – 60 mm) a batérie elektrických vozidiel (hrúbka 10 – 20 mm, šírka 100 – 200 mm), s vysokou mierou využitia priestoru a možno ich prispôsobiť podľa veľkosti zariadenia, čo je v súčasnosti hlavná forma elektrických vozidiel.

Vreckové batérie: Zapuzdrené hliníkovou-plastovou kompozitnou fóliou môžu byť ultratenké (0,5 – 2 mm) a flexibilné. Používajú sa hlavne v tenkých mobilných telefónoch, nositeľných zariadeniach (ako sú inteligentné hodinky) a skladacích mobilných telefónoch.

4. Podľa stavu elektrolytu: kvapalina vs polymér

Lítium-iónové batérie (LIB): Použitie tekutých elektrolytov s vysokou hustotou energie a nízkymi nákladmi, ale existuje riziko úniku. Väčšina cylindrických a hranolových batérií s tvrdým-plášťom patrí do tejto kategórie.

Lítiové polymérové ​​batérie (PLB): Použitie gélu alebo pevných elektrolytov bez rizika úniku a môže sa flexibilne deformovať. Do tejto kategórie patrí väčšina vreckových batérií, ktoré sa používajú najmä v spotrebnej elektronike.

5. Podľa aplikácie: Bežné batérie verzus napájacie batérie

Bežné batérie: Používa sa v spotrebnej elektronike, ako sú mobilné telefóny a notebooky, s malou kapacitou (1 000 mAh – 10 Ah) a nízkou rýchlosťou vybíjania (0,5 – 2 C), ktoré vyžadujú vysokú hustotu energie.

Napájacie batérie: Používa sa v elektrických vozidlách a dronoch, s veľkou kapacitou (50Ah-500Ah) a vysokou rýchlosťou vybíjania (5-30C), ktoré potrebujú vydržať veľké prúdové výboje (napr. pri zrýchlení auta), vyžadujúce vyššiu bezpečnosť a životnosť cyklu.

IV. Základná terminológia lítiových batérií: Rozlišovanie pojmov od kapacity po SOC

Pri nákupe alebo používaní lítiových batérií sa často stretnete s výrazmi ako „kapacita“, „C-sadzba“ a „SOC“. Pochopenie týchto pojmov vám môže pomôcť presne posúdiť výkon batérie a vyhnúť sa zavádzaniu „falošne označenými parametrami“.

1. Kapacita: Koľko elektriny dokáže batéria uskladniť?

Definícia: Množstvo elektriny, ktoré môže batéria uvoľniť za určitých podmienok vybitia, vypočítané podľa vzorca Q=I×t (I je prúd, t je čas) s jednotkami Ah (ampér-hodina) alebo mAh (miliampér-hodina).

Jednoduché vysvetlenie: 1Ah znamená, že sa batéria môže vybíjať prúdom 1A počas 1 hodiny a 1mAh znamená, že sa môže vybíjať prúdom 1mA počas 1 hodiny. Napríklad batéria mobilného telefónu s 1900 mAh znamená, že sa môže vybíjať prúdom 190 mA po dobu 10 hodín.

Bežné scenáre: Batérie mobilného telefónu: 800-1900mAh; elektrické bicykle: 10-20Ah; elektrické vozidlá: 20-200Ah; akumulátory energie: 100-1000Ah.

2. Rýchlosť nabíjania/vybíjania (C-rate): Ako rýchlo sa nabíja/vybíja?

Definícia: Nabíjací/vybíjací prúd vyjadrený ako násobok nominálnej kapacity batérie. 1C je prúd pre „úplné nabitie/vybitie za 1 hodinu“.

Metóda výpočtu: Ak je kapacita batérie 1500 mAh, 1C=1500mA, 2C=3000mA (úplné vybitie za 0,5 hodiny), 0,1C=150mA (úplné vybitie za 10 hodín).

Poznámky: Čím vyššia je rýchlosť vybíjania, tým nižšia je skutočná kapacita batérie (napr. kapacita pri 2C vybití môže byť len 80 % kapacity pri 1C vybití) a tým vážnejší je vznik tepla. Preto musia mať napájacie batérie-schopnosť vybíjania vysokou rýchlosťou (napr. elektrické vozidlá vyžadujú viac ako 5 °C).

3. Napätie (OCV): "Platforma napätia" batérií

Menovité napätie: Menovité napätie batérie. Bežné lítiové batérie majú 3,2 – 3,7 V (oxid lítny kobaltnatý: 3,7 V; fosforečnan lítno-železitý: 3,2 V), čo je dôležitý ukazovateľ výkonu batérie.

Napätie otvoreného okruhu (OCV): Napätie batérie, keď nie je pripojená žiadna záťaž, ktoré možno použiť na posúdenie stavu batérie (napr. OCV plne nabitej lítium-kobaltoxidovej batérie je približne 4,2 V a približne 3,0 V, keď je vybitá).

Platforma napätia: Stabilný rozsah napätia počas nabíjania a vybíjania batérie (zvyčajne 20%-80% kapacity), kde sa napätie mení len málo. Napríklad napäťová platforma lítium-kobaltových batérií je 3,6-3,9 V, čo je tiež normálny rozsah pracovného napätia zariadenia.

4. Energia a sila: Ako dlho sa dá používať? Aký veľký výkon môže vydávať?

Energia: Celková elektrická energia, ktorú dokáže batéria uložiť, vypočítaná podľa vzorca E=U×Q (U je napätie, Q je kapacita) v jednotkách Wh (watt-hodina) alebo kWh (kilowatt-hodina, 1kWh=1 stupeň elektriny). Napríklad batéria mobilného telefónu s 1900 mAh a 3,7 V má energiu 3,7 V × 1,9 Ah=7.03Wh.

Sila: Energia, ktorú môže batéria vydať za jednotku času, vypočítaná podľa vzorca P=U×I s jednotkami W (watt). Výkon určuje „výbojový výkon“ zariadenia. Napríklad elektrické vozidlá potrebujú pri zrýchľovaní-vysoko výkonné batérie, zatiaľ čo mobilné telefóny potrebujú iba nízke-batérie.

5. Životnosť cyklu: Koľkokrát je možné batériu nabiť a vybiť?

Definícia: Jedno nabitie a vybitie batérie je jeden cyklus. Keď kapacita klesne na 60% -70% pôvodnej kapacity, považuje sa to za koniec životnosti.

Štandardný test: Norma IEC stanovuje, že lítiové batérie mobilných telefónov vybité na 3,0 V pri 0,2 °C a nabité na 4,2 V pri 1 °C by mali mať kapacitu väčšiu alebo rovnú 60 % po 500 cykloch; národná norma stanovuje, že kapacita by mala byť väčšia alebo rovná 70 % po 300 cykloch.

Návrh na použitie: Vyhnite sa hlbokému nabíjaniu a vybíjaniu (napr. nenabíjajte na 100 % alebo nevybíjajte na 0 % zakaždým), ktoré môže predĺžiť životnosť cyklu. Napríklad udržiavanie batérie mobilného telefónu na 20%-80% energie môže predĺžiť životnosť na viac ako 1000 cyklov.

6. Hĺbka vybitia (DOD) a stav nabitia (SOC): Koľko energie zostáva v batérii?

DOD: Percento vybitej kapacity k menovitej kapacite. Ak je napríklad vybitá kapacita 500 mAh a menovitá kapacita 1 000 mAh, DOD =50 %. Čím hlbšie je DOD, tým kratšia je výdrž batérie.

SOC: Percento zostávajúcej kapacity k menovitej kapacite. 0 % znamená žiadnu energiu a 100 % znamená úplné nabitie. BMS posudzuje zostávajúcu energiu batérie prostredníctvom SOC a zobrazenie výkonu mobilného telefónu sa vypočítava na základe SOC.

7. Prerušte-napätie: „Červená čiara“ nabíjania/vybíjania

Charge Cut{0}}Vypnuté napätie: Napätie, pri ktorom nie je možné batériu ďalej nabíjať. Pre lítium-kobaltové batérie je to 4,2 V; pre lítium-železofosfátové batérie je to 3,65 V. Prekročenie tohto napätia spôsobí poškodenie článku batérie a tepelný únik.

Výbojové prerušovacie-napätie: Napätie, pri ktorom už nie je možné batériu vybiť. Pre lítium-kobaltové batérie je to 3,0 V; pre lítium-železofosfátové batérie je to 2,5 V. Pod týmto napätím dôjde k nezvratnému poškodeniu anódy a kapacita sa nedá obnoviť.

8. Vnútorný odpor: „Neviditeľná strata“ batérií

Definícia: Odpor vo vnútri batérie, ktorý bráni toku prúdu, s jednotkami mΩ (miliohmy), rozdelený na ohmický vnútorný odpor (spôsobený materiálmi a štruktúrou) a polarizačný vnútorný odpor (spôsobený elektrochemickými reakciami).

Vplyv: Čím menší je vnútorný odpor, tým vyššia je účinnosť nabíjania a vybíjania batérie a tým menej tepla. Napríklad vnútorný odpor napájacích batérií musí byť kontrolovaný pod 50 mΩ, inak počas vybíjania vysokým-prúdom dôjde k silnému vývinu tepla.

V. Pravidlá pomenovania lítiových batérií: Pochopenie rozmerov z modelov

Názvy lítiových batérií sa medzi rôznymi výrobcami líšia, ale všeobecné batérie sa riadia štandardom IEC61960. Typ a veľkosť batérie je možné posúdiť podľa modelu, aby ste sa vyhli kúpe nesprávneho modelu.

1. Cylindrické batérie: 3 písmená + 5 čísla

Význam písmena: Prvé písmeno označuje materiál anódy (= zabudovaný-lítium-ión, L=lítium kov); druhé písmeno označuje materiál katódy (C=kobalt, N=nikel, M=mangán, V=vanád); tretie písmeno=R (cylindrické).

Význam čísla: Prvé 2 čísla=priemer (mm), posledné 3 čísla=výška (mm).

Príklady: ICR18650 - I (lítium-iónová anóda), C (lítium-kobaltoxidová katóda), R (valcová), priemer 18 mm, výška 65 mm, najbežnejšia batéria pre notebooky a elektrické vozidlá; INR21700 - I (lítium-iónová anóda), N (niklová -katóda, ternárne lítium), R (valcová), priemer 21 mm, výška 70 mm, s kapacitou o 50 % vyššou ako 18650, používané v modeli Tesla 3.

2. Prizmatické batérie: 3 písmená + 6 čísla

Význam písmena: Prvé dve písmená sú rovnaké ako pri cylindrických batériách, tretie písmeno=P (prizmatické).

Význam čísla: Prvé 2 čísla=hrúbka (mm), stredné 2 čísla=šírka (mm), posledné 2 čísla=výška (mm).

Príklady: ICP053353 - I (lítium-iónová anóda), C (lítium-kobaltoxidová katóda), P (prizmatická), hrúbka 5 mm, šírka 33 mm, výška 53 mm, typická batéria mobilného telefónu; IFP101520 - I (lítium-iónová anóda), F (katóda na báze železa{5}}, fosforečnan lítno-železitý), P (prizmatická), hrúbka 10 mm, šírka 15 mm, výška 20 mm, používané v inteligentných hodinkách.

VI. Celý výrobný proces lítiových batérií: Snaha o dokonalosť v každom kroku od materiálov po články

Výroba lítiových batérií je zložitý a vysoko automatizovaný proces, ktorý zahŕňa tri hlavné prepojenia: front-proces, stredný-proces a backend-procesy. Presné ovládanie každého článku priamo ovplyvňuje výkon a bezpečnosť batérie, známe ako „kombinácia jemného chemického priemyslu a presnej výroby“.

1. Predný-koncový proces: Výroba plechu elektródy (kľúč na určenie kapacity batérie)

Miešanie kalov: Zmiešajte aktívne materiály katódy (napr. LiCoO₂), vodivé činidlá (sadze), spojivá (PVDF) a rozpúšťadlá (NMP) vo vákuovom mixéri, aby sa vytvorila homogénna kaša; to isté platí pre anódu s grafitom ako aktívnym materiálom, CMC/SBR ako spojivom a vodou ako rozpúšťadlom. Základná požiadavka: Kaša by mala byť jednotná bez častíc, inak to povedie k nerovnomernej kapacite.

Náter: Rovnomerne potiahnite suspenziu katódy/anódy na zberač prúdu (hliníková fólia pre katódu, medená fólia pre anódu), pričom sa kontroluje hrúbka povlaku (±1 μm) a plošná hustota (hmotnosť aktívneho materiálu na jednotku plochy). Základná požiadavka: Povlak by mal byť rovnomerný, inak spôsobí lokálne zahrievanie a útlm kapacity batérie.

Sušenie: Odparte rozpúšťadlo (NMP alebo vodu) v sušiarni s teplotou regulovanou na 80-120 stupňov. Rýchlosť a rýchlosť vetra musia byť presné, aby sa zabránilo praskaniu a zvlneniu povlaku.

Kalandrovanie: Za studena-sušené elektródové listy stlačte presným kalandrom, aby ste zvýšili hustotu povlaku (znížili pórovitosť), zlepšili hustotu energie a zabezpečili jednotnú hrúbku (±0,5 μm).

Rezanie: Pozdĺžne narežte široké pláty elektród na úzke pásiky požadovanej šírky, aby ste sa vyhli otrepom (otrepy spôsobia skrat).

Tab Welding: Navarte kovové plôšky (hliníkové plôšky pre katódu, niklové plôšky pre anódu) na určených miestach na elektródových listoch ako body odberu prúdu. Kvalita zvárania nesmie zaručiť žiadne spájkovanie za studena alebo falošné zváranie.

2. Stredný-záver procesu: zostavenie článku (kľúč na určenie bezpečnosti batérie)

Navíjanie/stohovanie: Poskladajte katódu, separátor a anódu v poradí „separátor - anóda - separátor - katóda“ a naviňte ich do valcových/prizmatických článkov pomocou navíjacieho stroja (typ s vinutím) alebo ich poskladajte do prizmatických buniek pomocou stohovacieho stroja (skladaný typ). Skladaný typ má vyššiu mieru využitia priestoru a nižší vnútorný odpor, ale nízku účinnosť; ranový typ má vysokú účinnosť a je vhodný pre hromadnú výrobu.

Puzdro/zapuzdrenie: Vložte valcové/prizmatické tvrdé-bunky plášťa do kovových plášťov (oceľových/hliníkových plášťov); vložte vrecúška do hliníkových-plastových kompozitných fólií.

Pečenie: Vložte zapuzdrené články do vákuovej pece a pečte pri teplote 80 – 120 stupňov po dobu 4 – 8 hodín, aby sa z článkov úplne odstránila vlhkosť (obsah vlhkosti by sa mal kontrolovať pod 50 ppm), inak budú reagovať s elektrolytom a vytvárať škodlivé plyny.

Vstrekovanie elektrolytu: Presne odmerané množstvo elektrolytu vstreknite do článkov v suchej miestnosti s rosným bodom pod -40 stupňov. Elektrolyt musí úplne infiltrovať elektródové listy a separátory. Chyba vstrekovaného množstva by sa mala kontrolovať v rozmedzí ±0,1 g, inak to ovplyvní kapacitu batérie.

Utesnenie: Vákuové teplo-utesnite vstrekovací port elektrolytu v článkoch vrecka; utesnite vstrekovací otvor elektrolytu v článkoch s tvrdým-škrupinovým plášťom pomocou oceľových guľôčok (valcových) alebo tesniacich klincov (prizmatické) a zaistite vzduchotesnosť laserovým zváraním (únik vzduchu spôsobí vyparovanie elektrolytu a útlm kapacity).

3. Späť-Ukončenie procesu: Vytváranie a testovanie (preverenie kvalifikovaných produktov)

Formácia: Prvýkrát nabite články, aby sa na povrchu anódy vytvoril stabilný film rozhrania Solid Electrolyte Interface (SEI), ktorý umožňuje lítiovým iónom prechádzať, ale blokuje elektróny, čo je kľúčom k životnosti batérie a bezpečnosti. Nabíjací prúd je malý (0,1-0,2C) a čas je dlhý (8-12 hodín).

Starnutie: Vytvorené články nechajte 3-7 dní stáť pri izbovej teplote alebo vysokej teplote (45 stupňov), aby sa stabilizoval film SEI, a odstráňte chybné články s nadmerným samovybíjaním (napr. články s poklesom napätia presahujúcim 50 mV).

Triedenie kapacity: Vykonajte štandardné testy nabitia-vybitých článkov (nabitie na hornú hranicu napätia, vybitie na spodnú hranicu napätia), zmerajte skutočnú kapacitu a triedte podľa kapacity (napr. Stupeň A: 4950-5050mAh, Stupeň B: ​​4850-4950mAh), aby ste zabezpečili konzistentnú kapacitu článkov v rovnakej skupine.

Triedenie: Klasifikujte články podľa parametrov ako kapacita, napätie naprázdno a vnútorný odpor a odstráňte chybné produkty (napr. články s nadmerným vnútorným odporom a nedostatočnou kapacitou).

Testovanie vzhľadu a výkonu: Skontrolujte vzhľad článkov (žiadne škrabance, netesnosti alebo deformácie), vykonajte testy izolačného odporu, vnútorného odporu striedavého prúdu a skratu, aby ste sa uistili, že bezpečnostný výkon spĺňa normy.

VII. Priemyselné trendy a podnikové postupy: Kde je budúcnosť lítiových batérií?

S rýchlym rozvojom nového energetického priemyslu technológia lítiových batérií naďalej preniká a objavilo sa množstvo podnikov zameraných na segmentované oblasti, ktoré podporujú rozšírenie lítiových batérií z oblasti „spotrebnej elektroniky“ do oblastí „priemysel a energetika“.

1. Technologické trendy: Od tekutého k pevnému, od vysokej kapacity k vysokej bezpečnosti

Pevné-batérie: Nahraďte tekuté elektrolyty a separátory tuhými elektrolytmi, čím sa výrazne zlepší bezpečnosť (žiadne riziko úniku alebo tepelného úniku) s hustotou energie až 400-600 Wh/kg (dvojnásobok oproti existujúcim lítiovým batériám), ktoré môžu podporovať elektrické vozidlá s dojazdom viac ako 1 000 km. V súčasnosti vstúpili do fázy sériovej výroby polo-tuhé batérie (s obsahom elektrolytu 5 %-10 %) (napr. verzia polotuhých batérií NIO ET7) a očakáva sa, že všetky-tuhé batérie budú sériovo vyrábané okolo roku 2030.

Technológia rýchleho nabíjania: Dosiahnite „80 % nabitie za 10 minút“ prostredníctvom optimalizácie materiálu (ako sú anódy na -kremíku, rýchlo{3}}nabíjacie elektrolyty) a konštrukčného návrhu. Napríklad super{6}}nabíjacia batéria S4 vybavená na Xpeng G9 dokáže nabiť 400 km za 10 minút.

Zníženie nákladov: Vďaka rozsiahlej-výrobe (celková kapacita výroby lítiových batérií prekročila 2 TWh), inováciám materiálov (napríklad fosforečnan lítium-mangán-železnatý nahrádzajúci ternárne lítium) a optimalizácii procesov (napríklad technológia CTP/CTC, redukcia komponentov modulov) klesli náklady na batérie z 5 CNY/Wh v roku 2015 na menej ako 1,5 CNY/Wh v roku 2015 a očakáva sa ďalší pokles na 20 5 CNY.

2. Podniková prax: Zhongchuang Feiyue - Zameranie sa na „revolúciu vo výmene batérií“ dvoch-elektrických vozidiel s kolesami

V oblasti dvoj{0}}kolesových elektrických vozidiel sa používanie lítiových batérií mení z „nabíjania“ na „výmenu batérií“. Zhongchuang Feiyue (pridružený k Zhongchuang New Energy Technology Group) je reprezentatívnym podnikom tohto trendu. Medzi jeho základné postupy patria:

Riešenia{0}}založené na scenári: Poskytnite lítiové batérie s vysokou{0}}bezpečnosťou a dlhou{1}}životnosťou pre scenáre, ako sú zdieľané elektrické bicykle, okamžité doručenie (so sebou, expresné doručenie) a osobné cestovanie. Napríklad batéria dodávkových vozidiel má životnosť viac ako 2 000-krát, čím spĺňa dennú požiadavku na dojazd 100 km.

Inovatívny model výmeny batérií: Predložte koncept „výmena batérie namiesto nabíjania je bezpečnejšia“ a rozmiestnite stanice na výmenu batérií vo viac ako 100 mestách po celej krajine. Používatelia môžu dokončiť výmenu batérie len za 30 sekúnd, čím vyriešia problémy s „pomalým nabíjaním a bezpečnostnými rizikami nabíjania“ dvojkolesových vozidiel, ktoré obsluhujú viac ako 400 miliónov používateľov dvojkolesových vozidiel-.

Výrobná kapacita a globalizácia: S ročnou výrobnou kapacitou viac ako 5 GWh sa produkty vyvážajú do viac ako 10 krajín, pričom sa prispôsobujú napäťovým štandardom a klimatickým podmienkam rôznych krajín (napr. vysokoteplotné verzie batérií pre juhovýchodnú Áziu, ktoré môžu stabilne fungovať v 60 stupňovom prostredí).

Záver: Lítiové batérie - Hlavný motor energetickej revolúcie

Lítiové batérie sa stali hlavným motorom energetickej revolúcie, od mobilných telefónov po elektrické vozidlá, od skladovania energie po hospodárstvo v nízkych{0}}nadmorských výškach. Ich technologický vývoj nesúvisí len so zlepšením výkonu zariadení, ale aj s realizáciou cieľa „dvojakého uhlíka“ a transformáciou energetickej štruktúry. V budúcnosti, s prelomom-polovodičových batérií a technológie rýchleho nabíjania, ako aj s neustálym znižovaním nákladov, budú lítiové batérie zohrávať úlohu vo viacerých oblastiach (ako je letecký a kozmický-prieskum) a budú poskytovať solídnu podporu pre budúcnosť ľudskej zelenej energie.

Bežným používateľom môže pochopenie základných princípov a výkonových parametrov lítiových batérií pomôcť pri používaní batérií vedeckejšie (napríklad vyhýbať sa nadmernému nabíjaniu a nadmernému{0}}vybíjaniu); pre odborníkov v tomto odvetví je pochopenie technických trendov a potrieb scenárov kľúčom k nájdeniu príležitostí na „stovke{1}}miliardovej-úrovni lítiových batérií. Či už ste spotrebiteľ alebo praktik, príbeh lítiových batérií stále pokračuje.