Lyijyhapon korvaavien litiumparistojen tulevaisuuden analyysi autojen akkujen alalla

Lyijyakut ovat tällä hetkellä moottoriajoneuvojen SLI: n tärkein virtalähde, ja niille on myös annettu monia muita sovelluksia. Litiumparistojen edut SLI-paristoina lyijyakkujen sijasta ovat pääasiassa niiden pidempi käyttöikä ja suurempi energiatiheys. Turvallisuuden kannalta otetaan huomioon uudet eurooppalaiset akkumääräykset rajoittavien materiaalien käytöstä ajoneuvoissa sekä kustannukset, suunnittelu ja testauseritelmät. Myös kahden pariston elinkaari ja kierrätys otetaan huomioon.

1. Paristojen vaihto

Vuosien mittaan lyijyakkujen kemia ja valmistusstandardit on mukautettu uusiin tehovaatimuksiin ja haasteisiin suhteellisen nopeasti säätämällä lisäaineita ja parantamalla nykyisiä valmistusprosesseja sen sijaan, että yritettäisiin suunnitella täysin uutta akkujärjestelmää. 1960-luvulla lyijyhappo-SLI-akun käyttöikä oli noin 3 vuotta, ja vuoteen 2015 mennessä virran ja sovellustarpeen kasvaessa akku voi kestää jopa viisi vuotta tai enemmän.

Lyijyakut ovat säilyttäneet markkinaosuutensa lähinnä siksi, että ne pystyvät täyttämään kylmän ICE-käynnistyksen edellyttämän korkean virran, korkean lämpötilan jakson kestävyyden, suhteellisen korkean turvallisuuden ja suhteellisen alhaiset kustannukset. Jos aiot osallistua näille markkinoille, uuden akkuteknologian on kohdattava nämä haasteet. Viime vuosina litiumparistojen vakaus kemian ja valmistuksen suhteen on parantunut merkittävästi, kustannuksia on alennettu jatkuvasti ja suorituskykyä on jatkuvasti parannettu. Laajemmassa mielessä lyijyakkuihin verrattuna litiumioniakkujen nykyiset tärkeimmät edut ovat niiden korkea energiatiheys ja pitkä käyttöikä.

Litium-ioni-SLI-paristoilla on samanlainen suorituskyky kuin nykyisillä lyijyhappo-SLI-akuilla, ja lisäkokeita on otettu käyttöön litium-ioni-SLI-paristojen vakauden arvioimiseksi. Sisältävät tiukat turvatoimenpiteet, kuten ylikuormitussuoja, murskaus- tai puhkaisutyyppiset tuhotestit, jatkuva alhaisen lämpötilan purkaus ja lataus sekä litiumkerrostuman vaikutusten arviointi.

2. Litiumioniakun turvallisuussuunnittelu

Suurin haaste litium-ioni-SLI-akkujen kehittämisessä on se, kuinka turvallinen akku on väärinkäytöksissä tai ikääntymisolosuhteissa ja onko terminen pakeneminen. Tämän tilanteen estämiseksi on tehty monia testejä, mutta kaikkia tilanteita ei voida ennustaa. Koska onnettomuus aiheutti liikaa vaurioita ajoneuvon sisätiloissa, mikä saattaa aiheuttaa akun palamisen ulkoisten tai sisäisten tulipalojen takia, toteutetuilla varotoimilla varmistetaan, että vahingoittunut akku ei aiheuta kipinöitä, mikä vähentää tulen leviämistä moottorin jälkeen. onnettomuus. Lisäksi akun ainutlaatuinen tekijä on sisäinen oikosulku (ISC), joka voi ilmetä sen ikääntymisen vuoksi. Jotkut yleiset olosuhteet, kuten litiumdendriittien muodostuminen, tunkeutuvat kalvoon aiheuttaen oikosulun, joka saa kalvon kutistumaan lämmön vaikutuksesta ja aiheuttamaan suuren alueen oikosulun. Toinen haaste standardoiduille akkutesteille on, että litiumioniakkujen ulkoinen rakenne voi olla sylinterimäinen, pussi (pehmeä pakkaus) tai neliö. Siksi kukin akkutyyppi vaatii erilaisen mekaanisen testimenettelyn. Näitä tekniikoita voidaan käyttää ymmärtämään turvatestauksen ja litium-ioni-SLI-paristojen välistä korrelaatiota.

3. SLI-paristosuunnittelu

SLI-paristojen suunnittelussa on valittavissa erilaisia ​​elektrodimateriaaleja ja paristoyhdistelmiä. Kuitenkin, kun akun kokonaisjännite on rajoitettu tyypilliseen 12 V: iin, on mahdollista korvata olemassa oleva lyijyakku tässä tapauksessa. Tällä hetkellä vain muutama sarjaan kytketty paristo voi saavuttaa oikean akkujännitteen.

Vaatimuksen mukaan lähellä 12 V: n akun jännite on otettava huomioon myös muut tekijät, kuten helppo saatavuus kuluttajamarkkinoilla. Normaaleihin lyijyakkuihin verrattuna nämä materiaalit voivat tehdä kustannuskilpailukykyisiä SLI-paristoja. Litiumioniakkujen katodimateriaalit voidaan jakaa kerrostettuihin, spinelli- ja oliviinityyppeihin. Anodimateriaali on pääasiassa hiiltä. Katodi- ja anodimateriaalien yhteensopivuuden lisäksi oikean akun jännitteen ja tehon saamiseksi ensimmäinen litium-ioniakkuista on kolme tärkeää komponenttia: sen elektrolyytti. Useimmissa kaupallisissa paristoissa käytetään orgaanisia nestemäisiä elektrolyyttejä yhdessä liukoisten litiumsuolojen kanssa, mikä voi tuottaa vaaditun litiumionijohtavuuden. Yleisin tällä hetkellä käytetty suola on LiPF6.

BEV: ssä 12 V: n litiumioni-SLI-akkua voidaan käyttää ajoneuvon' elektronisen järjestelmän ylläpitoon, kun ajoneuvo ei aja. Lyijyhappo-SLI-akkujen käyttö tässä sovelluksessa ei ole ihanteellista, koska se on yleensä suunniteltu suuritehoiselle teholle, eikä se välttämättä sovi syväpurkauksen syväpurkaukselle. Tältä osin litium-ioni-SLI-akut vain korvaavat lyijyhappo-SLI-paristojen puutteet.

4. Akun tasapainon ja paristonhallintajärjestelmän (BMS) suunnittelu

Toisin kuin lyijyhappo-SLI-akut, litium-ioniakkuteknologian haasteena on, että niiden latausteho on korkea, lähes 95%, ja niiden on toimittava tiukasti akun jänniteikkunassa. Kun litiumioniakut kootaan sarjaan ja ladataan, ne voivat helposti ajautua akun jänniteikkunan ulkopuolelle, aktiivinen materiaali voi alkaa kokea peruuttamattomia vaihemuutoksia ja elektrolyytti voi alkaa hajota. Tämä puolestaan ​​lisää akun sisäistä vastusta ja lisää siten akun epätasapainovaikutusta. Siksi akkujen hallinnasta ja yksittäisten akkujen valvonnasta on tullut litium-ionimoduulien vakiokäytäntöjä, ja ne on yleensä rakennettu akkukotelon koteloon. Markkinoilla on suuri määrä BMS-järjestelmiä, joista monet on räätälöity tiettyjä litiumioniakkujen kemikaaleja varten. Yksinkertaisin ja kustannustehokkain lataustapa on rajoittaa sarjan akun lataamista. Parempi menetelmä on sallia energian jakaminen paristojen välillä, kun akku saavuttaa yläjänniterajansa, mikä estää yhden akun latautumisen ja aiheuttaa turvallisuusongelmia.

5. Akun hinta

Litium-ioni-SLI-paristojen yksi suurimmista haasteista on tarjota nykyisille tekniikoille kilpailukykyinen hinta. Tutkijat työskentelevät ahkerasti tutkiakseen arvoketjuongelmia litiumioniakkujen valmistuksessa. Tällä hetkellä melkein 60% akkukustannuksista katsotaan muodostuvan passiivisista materiaaleista, kuten virtakerääjistä, erottimista ja paristokoteloista. Lisäkustannukset syntyvät kiinteän elektrolyytin välivaiheesta (SEI). ) Muodostumisprosessissa käytetty aika ja energia.

6. Politiikat ja lainsäädäntö

Tärkeimpiin tekniikan vetureihin liittyy yleensä tiettyjä terveyttä ja turvallisuutta koskevia kansallisia ja kansainvälisiä politiikkoja, joita seuraa lainsäädäntö. Näihin liittyy yleensä tiettyjen kemikaalien tai kemiallisten lisävarusteiden käyttö, joiden katsotaan olevan haitallisia ihmisille ja ympäristölle. Varsinkin kun näitä haitallisia aineita käytetään ajoneuvoissa, niiden suunnittelukonseptin pitäisi pystyä saavuttamaan &, vihreä kierrätys &, eli ne voidaan purkaa, jotta erilaisia ​​materiaaleja voidaan käyttää uudelleen, kierrättää tai hävittää turvallisesti saastuttamatta ympäristöä.

7. standardit ja eritelmät

Vuosikymmenien aikana on tullut esiin spesifikaatioita ja standardeja, joita on vähitellen kehitetty sopeutumaan melkein kaikkien akkusovellusten, myös ajoneuvojen SLI-akkujen, suorituskykyyn ja turvallisuuteen. Toisaalta tiettyjen maiden tai alueiden lainsäädännössä voidaan viitata standardeihin käsiteltäessä tiettyjä vaatimuksia, joilla on yleensä suora vaikutus yhteisön turvallisuuteen ja terveyteen sekä ympäristöön. Yhdysvaltain Advanced Battery Alliance (USABC) on laatinut Yhdysvaltain energiaministeriölle (DoE) akkujen testausoppaan (versio 2).

8. Paristojen kierrätys

Tällä hetkellä yritys, jolla on tietty vahvuus litiumioniakkujen kierrätyksessä.

Edellä on yhteenveto siitä, että jotkut suuret yritykset osallistuvat aktiivisesti vakiintuneeseen teollisuusmittaiseen litiumioniakkujen kierrätysprosessiin. Kehittyvän kierrätysteollisuuden kierrätyskapasiteetti kasvaa vähintään viisi kertaa seuraavien 7–10 vuoden aikana.

9. Päätelmät ja näkymät

Tässä artikkelissa esitetään yhteenveto lyijyhappo-SLI-paristojen korvaamisesta litium-ioni-SLI-paristoilla, mikä on asteittainen prosessi lähivuosina. Uusiutuvien energialähteiden varastoinnin valtavan käytön myötä lyijyakkujen käyttö kasvaa edelleen, ja litium-ioni-SLI-akkujen painopistettä käytetään Euroopassa sijaitsevissa keskitason ja huippuluokan ICE-ajoneuvoissa. jotka ovat Aasiassa ja Yhdysvalloissa. Monille pienille ja halvoille ICE-ajoneuvoille lyijyhappo-SLI-akkua käytetään edelleen, koska akun vaihtokustannukset ovat aina ratkaisevia tekijöitä. Lisäksi maailmanlaajuiset kuluttajamarkkinat lisäävät [kiertotalous], kiertotalous &, tuotteita, joissa keskitytään ympäristöjätteen vähentämiseen samalla kun lisätään raaka-aineiden kierrätystä. Vaikka litiumioniakkujen kierrätys on vasta lapsenkengissään, Kiina, Japani ja muut maat ovat jo toteuttaneet merkittäviä aloitteita. Yhdysvallat, Australia ja Euroopan maat ovat kaikki osoittaneet materiaalien kierrätyksen uudet toiminnot litiumioniakkuissa. Nämä kierrätysprosessit tapahtuvat seuraavien viiden tai viiden vuoden aikana. Täydellinen kymmenessä vuodessa.