Ponieważ świat coraz bardziej koncentruje się na rozwiązaniach w zakresie magazynowania energii, zrozumienie podstawowej technologii stojącej za tymi systemami - baterii - ma kluczowe znaczenie. W RICHYE opracowaliśmy szczegółowy i łatwy w użyciu przewodnik, który pomoże ci zrozumieć podstawy baterii i ich zastosowań. Pod koniec tego zasobu będziesz miał solidne podstawy w technologii akumulatorów i będziesz na dobrej drodze do zdobycia wiedzy na temat tej ważnej branży. Zapraszamy do nauki!

1. Krajobraz baterii

Rodzaje akumulatorów i ich cechy

Baterie podstawowe (jednorazowe)

• Baterie cynkowo-węglowe: Te podstawowe baterie są powszechnie spotykane w przedmiotach codziennego użytku, takich jak piloty i zegary ścienne. Choć są przystępne cenowo, mają krótką żywotność i niższą gęstość energii.

Baterie dodatkowe (wielokrotnego ładowania)

• Akumulatory kwasowo-ołowiowe: Powszechnie stosowane w samochodach i małych pojazdach elektrycznych, akumulatory kwasowo-ołowiowe są opłacalne i niezawodne. Są one jednak stosunkowo ciężkie i oferują niższą gęstość energii w porównaniu z nowszymi technologiami.
• Akumulatory niklowo-kadmowe (NiCd): Baterie niklowo-kadmowe, niegdyś popularne we wczesnych telefonach komórkowych, są obecnie w dużej mierze przestarzałe ze względu na ich wpływ na środowisko i efekt pamięci, który z czasem zmniejsza ich wydajność.
• Akumulatory niklowo-wodorkowe (NiMH): Akumulatory te są stosowane w aplikacjach wymagających wysokich prądów rozładowania, takich jak sprzęt medyczny i pojazdy hybrydowe. Są bardziej przyjazne dla środowiska i oferują lepszą gęstość energii niż akumulatory NiCd.
• Baterie litowo-jonowe: Powszechnie stosowane w nowoczesnej elektronice, w tym smartfonach i laptopach, a także pojazdach elektrycznych, akumulatory litowo-jonowe zapewniają wysoką gęstość energii i długą żywotność bez efektu pamięci obserwowanego w akumulatorach NiCd.

Nowe technologie

• Baterie przepływowe: Idealne do magazynowania energii na dużą skalę ze względu na ich skalowalny charakter, baterie przepływowe wykorzystują ciekłe elektrolity oddzielone membraną. Wciąż trwają prace nad ich zastosowaniem w aplikacjach mobilnych.

Każdy typ akumulatora ma określone mocne i słabe strony, dzięki czemu nadaje się do różnych zastosowań w różnych branżach. Wraz z postępem technologicznym oczekuje się, że nowsze typy baterii, takie jak baterie półprzewodnikowe i zaawansowane baterie litowe, jeszcze bardziej poprawią wydajność i bezpieczeństwo.

Uwaga: Termin "bateria litowa" początkowo odnosiło się do pierwotnych baterii litowo-metalowych, które są obecnie przestarzałe ze względu na kwestie bezpieczeństwa. Obecnie "baterie litowe" zazwyczaj odnoszą się do baterii litowo-jonowych. Przykłady obejmują suche ogniwa AA i AAA używane codziennie, wczesne telefony komórkowe z bateriami NiMH oraz baterie litowo-jonowe dominujące w nowoczesnych smartfonach, laptopach i pojazdach elektrycznych.

2. Kluczowa terminologia dotycząca akumulatorów

SOX: Stan X

• H (Zdrowie): Wskazuje ogólny stan akumulatora.
• C (pojemność): Odnosi się do całkowitej zdolności akumulatora do magazynowania energii.
• P (Power): Oznacza zdolność akumulatora do szybkiego dostarczania energii.
• E (Energia): Reprezentuje zawartość energii w akumulatorze.

SOC (stan naładowania): Termin ten opisuje poziom naładowania akumulatora w danym momencie, od 0 (całkowicie rozładowany) do 1 (w pełni naładowany), podobnie jak pomiar poziomu wody w wiadrze.

DOD (głębokość rozładowania): Wskazuje, jaka część pojemności akumulatora została wykorzystana. W pełni naładowana bateria ma DOD równe 0, podczas gdy całkowicie rozładowana bateria ma DOD równe 1. Zależność między DOD i SOC jest wyrażona jako: DOD + SOC = 1.

3. Akumulator litowo-jonowy Klasyfikacje

Według wydajności:

• Typ zasilania: Zaprojektowany z myślą o wysokiej mocy wyjściowej przez krótki czas.
• Rodzaj energii: Zoptymalizowany pod kątem długoterminowego magazynowania energii.

Według formy fizycznej:

• Cylindryczny: Standardowy kształt cylindryczny.
• Pryzmatyczny (obudowa stal/aluminium): Prostokątny lub kwadratowy kształt z metalowymi obudowami.
• Etui (aluminiowa folia z tworzywa sztucznego): Elastyczna, lekka obudowa z folii.

Według materiału elektrolitu:

• Płynny akumulator litowo-jonowy (LIB): Wykorzystuje ciekłe elektrolity do zastosowań energetycznych.
• Polimerowy akumulator litowo-jonowy (PLB): Wykorzystuje stałe lub żelowe elektrolity polimerowe.

Według materiału katody:

• Fosforan litowo-żelazowy (LFP): Znany z bezpieczeństwa i trwałości.
• Tlenek litowo-kobaltowy (LCO): Oferuje wysoką gęstość energii, ale krótszą żywotność.
• Tlenek litowo-manganowy (LMO): Równoważy moc i pojemność.
• Baterie binarne i trójskładnikowe: Obejmuje odmiany takie jak LiNiMnO2, LiNiCoO2, NCM i NCA.

Według materiału anody:

• Tytanian litu (LTO): Wyróżnia się szybkim ładowaniem i wysoką stabilnością cyklu.
• Baterie grafenowe i z włókien nanowęglowych: Wykorzystanie zaawansowanych materiałów w celu poprawy przewodności i pojemności.

18650 Bateria: 18650 to standardowy model akumulatora litowo-jonowego, przy czym "18" oznacza średnicę 18 mm, a "65" długość 65 mm. Zazwyczaj występuje w wariantach litowo-jonowych i litowo-żelazowo-fosforanowych (LiFePO4), o różnych pojemnościach i napięciach. Jego standaryzacja zapewnia niezawodność i bezpieczeństwo, a wprowadzane z czasem ulepszenia zapobiegają potencjalnym zagrożeniom.

4. Akumulator litowo-jonowy Napięcie i pojemność

Napięcie akumulatora litowo-jonowego zmienia się w zależności od prądu rozładowania, temperatury i materiałów elektrod. Napięcie zmienia się podczas ładowania i rozładowywania, ale powszechnie stosowane jest średnie napięcie 3,7 V. Postęp w dziedzinie materiałów doprowadził do zmian w nominalnym napięciu i pojemności, optymalizując wydajność dla różnych zastosowań.

5. Dlaczego warto wybrać baterie litowo-jonowe?

Lekka waga: Akumulatory litowo-jonowe mają wyższą gęstość energii (200-260 Wh/kg) w porównaniu do akumulatorów kwasowo-ołowiowych i NiMH, dzięki czemu są znacznie lżejsze przy tej samej pojemności.

Szybkie ładowanie: Akumulatory litowo-jonowe można w pełni naładować w około 3 godziny, znacznie szybciej niż akumulatory NiMH.

Brak efektu pamięci: W przeciwieństwie do akumulatorów NiMH, akumulatory litowo-jonowe nie cierpią na efekt pamięci, utrzymując swoją pojemność bez konieczności wykonywania długich cykli ładowania-rozładowania.

Przyjazny dla środowiska: W porównaniu do akumulatorów kwasowo-ołowiowych, akumulatory litowe są mniej zanieczyszczające i mają lepsze możliwości recyklingu.

6. Względy bezpieczeństwa dla Baterie litowe

Pomimo swoich zalet, baterie litowe stanowią zagrożenie dla bezpieczeństwa ze względu na wysoce reaktywny charakter litu. Problemy takie jak niekontrolowany rozruch termiczny - spowodowany przeładowaniem, przegrzaniem lub uszkodzeniem fizycznym - mogą prowadzić do niebezpiecznych reakcji. Ulepszone projekty i protokoły bezpieczeństwa mają kluczowe znaczenie dla ograniczenia tego ryzyka.

Ucieczka termiczna: Może być wyzwalany przez mechaniczne, elektryczne lub termiczne nadużycia, prowadząc do nadmiernego ciepła i potencjalnego zagrożenia bezpieczeństwa.

7. Zastosowania i perspektywy na przyszłość

Zastosowania:

• Pojazdy elektryczne (EV): Akumulatory litowo-jonowe mają kluczowe znaczenie dla zasilania samochodów elektrycznych, oferując wysoką gęstość energii i długowieczność.
• Magazynowanie energii odnawialnej: Służy do magazynowania energii z nieciągłych źródeł, takich jak energia słoneczna i wiatrowa.
• Elektronika użytkowa: Niezbędny dla urządzeń takich jak smartfony, laptopy i tablety.
• Przemysł lotniczy i obronny: Zapewniają energię dla satelitów, statków kosmicznych i sprzętu wojskowego.
• Urządzenia medyczne: Zasilanie krytycznych urządzeń, takich jak rozruszniki serca i przenośne narzędzia diagnostyczne.

Postępy:

• Baterie półprzewodnikowe: Większe bezpieczeństwo i gęstość energii dzięki elektrolitom stałym.
• Baterie litowo-siarkowe: Dążenie do większej gęstości energii, z trwającymi badaniami nad obecnymi ograniczeniami.
• Technologie recyklingu: Poprawa wydajności odzyskiwania cennych materiałów ze zużytych baterii.

Przyszłe kierunki:

• Magazynowanie na skalę użytkową: Rosnące wykorzystanie w magazynowaniu sieciowym wraz ze spadkiem kosztów.
• Ulepszone funkcje bezpieczeństwa: Ciągłe innowacje mające na celu zmniejszenie ryzyka związanego z bateriami litowymi.
• Ulepszenia globalnego łańcucha dostaw: Wysiłki mające na celu zapewnienie stabilnych i zrównoważonych dostaw kluczowych materiałów.

Niniejszy przewodnik ma na celu zapewnienie dogłębnego zrozumienia technologii akumulatorów i ich zmieniającego się krajobrazu. W RICHYE jesteśmy zaangażowani w pomoc w nawigacji i wykorzystywaniu postępów w technologii akumulatorów dla bardziej zrównoważonej przyszłości.