Kilátás elemzése Lítium akkumulátorok helyett ólom-sav területén Autóipari akkumulátorok

Az ólomsavas akkumulátorok jelenleg a gépjárművek SLI fő energiaforrásai, és számos más alkalmazást is kaptak. A lítium akkumulátorok előnyei ólomsavas akkumulátorok helyett elsősorban hosszabb élettartamukban és nagyobb energiasűrűségükben rejlenek. A biztonság szempontjából figyelembe veszik a korlátozó anyagok járművekben való használatára vonatkozó új európai akkumulátorszabályokat, valamint a költségeket, a tervezési és vizsgálati előírásokat. A két elem életciklusát és újrahasznosítását is figyelembe veszik.

1. Akkumulátor csere

Az évek során az ólomsavas akkumulátorok kémiai és gyártási szabványait viszonylag gyorsan adaptálták az új energiakövetelményekhez és kihívásokhoz az adalékanyagok beállításával és a meglévő gyártási folyamatok javításával, ahelyett, hogy egy teljesen új akkumulátorrendszert próbáltak volna újratervezni. Az 1960-as években az ólomsavas SLI akkumulátor élettartama körülbelül 3 év volt, és 2015-re, ahogy az energia- és alkalmazási követelmények növekednek, az akkumulátor akár öt évig vagy tovább is tarthat.

Az ólomsavas akkumulátorok megőrizték piaci részesedésük, főként azért, mert képesek kielégíteni a hideg ICE indításhoz szükséges nagy áramot, a magas hőmérsékletű ciklus tartósságát, a viszonylag magas biztonságot és a viszonylag alacsony költségeket. Ha azt tervezi, hogy részt vesz ezen a piacon, akkor ezek a kihívások, hogy minden új akkumulátor technológia szembe kell néznie. Az elmúlt években a lítium akkumulátorok stabilitása a kémia és a gyártás szempontjából jelentősen javult, a költségek folyamatosan csökkentek, és a teljesítmény folyamatosan javult. Tágabb értelemben az ólomsavas akkumulátorokhoz képest a lítium-ion SLI akkumulátorok jelenlegi fő előnyei a nagy energiasűrűség és a hosszú élettartam.

A lítium-ion SLI akkumulátorok teljesítménye hasonló a meglévő ólomsavas SLI akkumulátorokhoz, és további vizsgálatokat vezettek be a lítium-ion SLI akkumulátorok stabilitásának értékelésére. Beleértve a szigorú biztonsági intézkedéseket, mint például a túltöltés elleni védelmet, a zúzás vagy szúrás típusú megsemmisítési vizsgálatokat, a folyamatos alacsony hőmérsékletű kisülést és töltést, valamint a lítium lerakódás hatásának értékelését.

2. Lítium-ion akkumulátor biztonsági kialakítása

A lítium-ion SLI akkumulátorok fejlesztésének fő kihívása az, hogy mennyire biztonságos az akkumulátor visszaélés vagy öregedés esetén, és hogy hőelfolyás következik-e be. Sok tesztet végeztek, hogy megakadályozzák ezt a helyzetet, de nem minden helyzet kiszámítható. Mivel a baleset túlzott károkat okozott a jármű belsejében, ami az akkumulátor külső vagy belső tüzek miatt égését okozhatja, a megtett óvintézkedések biztosítják, hogy a sérült akkumulátor ne okozzon további szikrákat, ezáltal csökkentve a tűz terjedését a baleset után. Ezenkívül az akkumulátor egyedülálló tényezője a belső rövidzárlat (ISC), amely az öregedés miatt fordulhat elő. Néhány gyakori körülmény, mint például a lítium-dendritek kialakulása, behatolnak a rekeszizomba, hogy rövidzárlatot okozzanak, ami a membránt a hő miatt zsugorítja és nagy területű rövidzárlatot okoz. Egy másik kihívás a szabványosított akkumulátor vizsgálat, hogy a külső szerkezete lítium-ion akkumulátorok lehet hengeres, tasak (puha csomag) vagy négyzet. Ezért minden akkumulátortípus más mechanikai vizsgálati eljárást igényel. Ezek a technikák a biztonsági vizsgálatok és a lítium-ion SLI akkumulátorok közötti összefüggés megértéséhez használhatók.

3. SLI akkumulátor kialakítás

Az SLI akkumulátorok tervezése elektróda anyagok és akkumulátor kombinációk közül választhat. Ha azonban a teljes akkumulátorfeszültség egy tipikus 12V-ra korlátozódik, ebben az esetben lehetőség van a meglévő ólomsavas akkumulátor cseréjére. Jelenleg csak néhány sorozatban csatlakoztatott akkumulátor képes elérni a megfelelő akkumulátorfeszültséget.

Amellett, hogy 12V-os akkumulátorfeszültséget kell elérni, más tényezőket is figyelembe kell venni, mint például a fogyasztói piacon való könnyű elérhetőség. A hagyományos ólomsavas akkumulátorokhoz képest ezek az anyagok költség-versenyképes SLI akkumulátorokat hozhatnak. A lítium-ion akkumulátorok katódanyagai réteges, spinel és olivine típusúak lehetnek. Az anód anyaga elsősorban szén. Amellett, hogy figyelembe vesszük a katód és az anód anyagok kompatibilitását a megfelelő akkumulátorfeszültség és teljesítmény biztosítása érdekében, a lítium-ion akkumulátorok közül az első A három fontos összetevő az elektrolit. A legtöbb kereskedelmi elemnél szerves folyékony elektrolitokat használnak oldható lítiumsókkal együtt, amelyek biztosítják a szükséges lítium-ion vezetőképességet. A jelenleg használt leggyakoribb só a LiPF6.

A BEV-ben a 12 V-os lítium-ion SLI akkumulátor használható a jármű fedélzeti elektronikus rendszerének karbantartására, amikor a jármű nem vezet. Az ólomsavas SLI akkumulátorok használata ebben az alkalmazásban nem ideális, mert általában nagy teljesítményre tervezték, és a Nagyon alacsony áramkisülés alkalmazási forgatókönyveihez nem feltétlenül alkalmas. Ebben a tekintetben a lítium-ion SLI akkumulátorok csak pótolják az ólomsavas SLI akkumulátorok hiányosságait.

4. Akkumulátormérleg és akkumulátorkezelő rendszer (BMS) tervezése

Az ólomsavas SLI akkumulátorokkal ellentétben a lítium-ion akkumulátor technológia kihívása az, hogy magas, közel 95% -os feltöltési hatékonysággal rendelkeznek, és szigorúan az akkumulátor feszültségablakán belül kell működniük. Amikor a lítium-ion akkumulátorokat sorozatban szerelik össze és feltöltik, könnyen elsodródhatnak az akkumulátor feszültségablakán kívül, az aktív anyag visszafordíthatatlan fázisváltozásokat tapasztalhat, és az elektrolit elkezdhet lebomlani. Ez viszont növeli az akkumulátor belső ellenállását, ezáltal növelve az akkumulátor kiegyensúlyozatlan hatását. Ezért az akkumulátorok kezelése és az egyes akkumulátorok ellenőrzése a lítium-ion modulok bevett gyakorlatává vált, és általában az akkumulátordoboz házába vannak beépítve. Számos BMS rendszer van a piacon, amelyek közül sok speciális lítium-ion akkumulátor vegyszerekre van szabva. A legegyszerűbb és legköltséghatékonyabbá tenni a töltési módot a sorozat akkumulátorának töltésének korlátozása. Egy jobb módszer az, hogy lehetővé teszi az energia újraelosztását az akkumulátorok között, amint az akkumulátor eléri a felső feszültséghatárt, megakadályozva egyetlen akkumulátor túltöltését és biztonsági problémákat okozva.

5. Az akkumulátor költsége

A meglévő technológiákhoz képest a lítium-ion SLI akkumulátorok egyik fő kihívása, hogy versenyképes árat biztosítsanak a fogyasztóknak. A kutatók keményen dolgoznak, hogy tanulmányozzák az értéklánc kérdéseit a lítium-ion akkumulátorok gyártásában. Jelenleg az akkumulátorköltségek közel 60%-át inaktív anyagokból, például áramszedőkből, szeparátorokból és akkumulátorházakból állónak tekintik. A többletköltség a szilárd elektrolit-interfázisból (SEI) származik. ) A formálási folyamatban töltött idő és energia.

6. Politikák és jogszabályok

A technológia fő mozgatórugóját általában az egészségvédelemre és biztonságra vonatkozó bizonyos nemzeti és nemzetközi politikák kísérik, amelyeket jogszabályok követnek. Ezek általában bizonyos vegyi anyagok vagy vegyi kiegészítők használatát foglalják magukban, amelyek károsnak tekinthetők az emberre és a környezetre. Különösen akkor, ha ezeket a káros anyagokat járművekben használják, tervezési koncepciójuknak képesnek kell lennie a "zöld újrahasznosítás" elérésére, azaz szétszerelhető, hogy a különböző anyagok újra felhasználhatók, újrahasznosíthatók vagy biztonságosan ártalmatlaníthatók anélkül, hogy szennyezést okoznának a környezetben.

7. Szabványok és előírások

Az évtizedek során specifikációk és szabványok alakultak ki és fokozatosan alakultak ki, hogy alkalmazkodjanak szinte minden akkumulátor alkalmazás teljesítményéhez és biztonságához, beleértve a járművek SLI akkumulátorait is. Másrészről bizonyos országok vagy régiók jogszabályai szabványokra hivatkozhatnak bizonyos követelmények kezelésekor, amelyek általában közvetlen hatással vannak a közösség és a környezet biztonságára és egészségére. Az Egyesült Államok Advanced Battery Alliance (USABC) összeállított egy akkumulátor vizsgálati kézikönyv (Revision 2) az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma (DoE).

8. Akkumulátor újrahasznosítás

Jelenleg egy olyan vállalat, amely bizonyos szilárdsággal rendelkezik a lítium-ion akkumulátorok újrahasznosításában.

A fentiek összefoglalják, hogy egyes nagyvállalatok aktívan részt vesznek a lítium-ion akkumulátorok ipari méretű újrahasznosítási folyamatában. A feltörekvő újrahasznosító ipar újrafeldolgozási kapacitása a következő 7-10 évben legalább ötszörösére nő.

9. Következtetések és kilátások

Ez a cikk összefoglalja az ólomsavas SLI akkumulátorok lítium-ion SLI akkumulátorokkal való helyettesítésének néhány tényezőjét, amely a következő néhány évben fokozatos folyamat lesz. A megújulóenergia-rendszer tárolásának tömeges használatával az ólomsavas akkumulátorok használata tovább fog növekedni, és a lítium-ion SLI akkumulátorok fókuszát az Európában található közép- és felsőkategóriás ICE járművekben fogják használni, amelyek közül néhány Ázsiában és az Egyesült Államokban található. Sok kis és olcsó ICE jármű esetében az ólomsavas SLI akkumulátort továbbra is használják, mert az akkumulátor cseréjének költsége mindig döntő tényező lesz. Ezenkívül a globális fogyasztói piac növelni fogja a "körforgásos gazdaság" termékeinek használatát, amelyek a környezeti hulladék csökkentésére összpontosítanak, miközben növelik a nyersanyagok újrahasznosítását. Bár a lítium-ion akkumulátorok újrahasznosítása még gyerekcipőben jár, Kína, Japán és más országok már jelentős kezdeményezéseket hajtottak végre. Az Egyesült Államok, Ausztrália és az európai országok mind bemutatták a lítium-ion akkumulátorokban lévő anyagok újrahasznosításának új funkcióit. Ezek az újrafeldolgozási folyamatok a következő öt-öt évben zajlanak majd. Tökéletes tíz év alatt.