Analisi prospettica delle batterie al litio in sostituzione del piombo-acido nel campo delle batterie per autoveicoli

Le batterie al piombo sono attualmente la principale fonte di alimentazione per SLI nei veicoli a motore e hanno anche ricevuto molte altre applicazioni. I vantaggi delle batterie al litio come batterie SLI invece delle batterie al piombo risiedono principalmente nella loro maggiore durata e maggiore densità di energia. In termini di sicurezza, vengono prese in considerazione le nuove normative europee sulle batterie sull'uso di materiali restrittivi nei veicoli, nonché i costi, il design e le specifiche di test. Vengono presi in considerazione anche il ciclo di vita e il riciclaggio delle due batterie.

1. Sostituzione della batteria

Nel corso degli anni, la chimica e gli standard di produzione delle batterie al piombo-acido sono stati adattati ai nuovi requisiti e sfide di alimentazione in tempi relativamente brevi regolando gli additivi e migliorando i processi di produzione esistenti, piuttosto che provare a riprogettare un sistema di batterie completamente nuovo. Negli anni '60, la durata di una batteria SLI al piombo era di circa 3 anni e, entro il 2015, con l'aumento dei requisiti di alimentazione e applicazione, la batteria potrebbe durare fino a cinque anni o più.

Le batterie al piombo hanno mantenuto la quota di mercato, principalmente perché possono soddisfare l'elevata corrente richiesta per l'avvio dell'ICE a freddo, la durata del ciclo ad alta temperatura, la sicurezza relativamente elevata e il costo relativamente basso. Se hai intenzione di partecipare a questo mercato, queste sono le sfide che ogni nuova tecnologia delle batterie deve affrontare. Negli ultimi anni, la stabilità delle batterie al litio in termini di chimica e produzione è stata notevolmente migliorata, il costo è stato continuamente ridotto e le prestazioni sono state continuamente migliorate. In un senso più ampio, rispetto alle batterie al piombo, gli attuali principali vantaggi delle batterie SLI agli ioni di litio sono la loro elevata densità di energia e la lunga durata.

Le batterie SLI agli ioni di litio hanno prestazioni simili alle batterie SLI al piombo esistenti e sono stati introdotti ulteriori test per valutare la stabilità delle batterie SLI agli ioni di litio. Comprese rigorose misure di sicurezza, come protezione da sovraccarico, test di distruzione di tipo schiacciamento o perforazione, scarica e carica continue a bassa temperatura e valutazione dell'impatto del deposito di litio.

2. Progettazione di sicurezza della batteria agli ioni di litio

La sfida principale nello sviluppo delle batterie SLI agli ioni di litio è quanto sia sicura la batteria in condizioni di abuso o invecchiamento e se si verificherà una fuga termica. Sono stati condotti molti test per prevenire questa situazione, ma non tutte le situazioni sono prevedibili. Poiché l'incidente ha causato danni eccessivi all'interno del veicolo, che possono causare l'incendio della batteria a causa di incendi esterni o interni, le precauzioni adottate garantiranno che la batteria danneggiata non provochi ulteriori scintille, riducendo così la propagazione dell'incendio dopo l'incidente. incidente. Inoltre, un fattore unico della batteria è il cortocircuito interno (ISC) che può verificarsi a causa del suo invecchiamento. Alcune condizioni comuni, come la formazione di dendriti di litio, penetrano nel diaframma causando un cortocircuito, che provoca il restringimento del diaframma a causa del calore e provoca un cortocircuito di ampia area. Un'altra sfida per i test delle batterie standardizzati è che la struttura esterna delle batterie agli ioni di litio può essere cilindrica, tascabile (soft pack) o quadrata. Pertanto, ogni tipo di batteria richiede una procedura di prova meccanica diversa. Queste tecniche possono essere utilizzate per guidare la comprensione della correlazione tra i test di sicurezza e le batterie SLI agli ioni di litio.

3. Design della batteria SLI

Nella progettazione delle batterie SLI, è possibile scegliere tra una varietà di materiali per elettrodi e combinazioni di batterie. Tuttavia, quando la tensione complessiva della batteria è limitata a un tipico 12V, è possibile sostituire la batteria al piombo esistente in questo caso. Attualmente solo poche batterie collegate in serie possono raggiungere la corretta tensione di batteria.

Oltre all'esigenza di ottenere un voltaggio della batteria prossimo ai 12V, vanno considerati altri fattori come la facile reperibilità nel mercato consumer. Rispetto alle batterie piombo-acido standard, questi materiali possono produrre batterie SLI convenienti. I materiali catodici delle batterie agli ioni di litio possono essere suddivisi in tipi a strati, spinelli e olivina. Il materiale dell'anodo è principalmente carbonio. Oltre a considerare la compatibilità dei materiali del catodo e dell'anodo per fornire la corretta tensione e capacità di alimentazione della batteria, la prima delle batterie agli ioni di litio I tre componenti importanti sono il suo elettrolita. Per la maggior parte delle batterie commerciali, vengono utilizzati elettroliti liquidi organici insieme a sali di litio solubili, che possono fornire la conduttività agli ioni di litio richiesta. Il sale più comune attualmente utilizzato è il LiPF6.

In BEV, la batteria SLI agli ioni di litio da 12 V può essere utilizzata per mantenere il sistema elettronico di bordo del veicolo's quando il veicolo non è in movimento. L'uso di batterie SLI al piombo in questa applicazione non è l'ideale perché di solito è progettato per alta potenza e non è necessariamente adatto per scenari applicativi di scarica profonda a bassa corrente. A questo proposito, le batterie SLI agli ioni di litio compensano le carenze delle batterie SLI al piombo.

4. Progettazione del bilanciamento della batteria e del sistema di gestione della batteria (BMS)

A differenza delle batterie SLI al piombo, la sfida per la tecnologia delle batterie agli ioni di litio è che hanno un'elevata efficienza di ricarica vicina al 95% e devono funzionare rigorosamente all'interno della finestra di tensione della batteria. Quando le batterie agli ioni di litio vengono assemblate in serie e caricate, possono facilmente spostarsi al di fuori della finestra di tensione della batteria, il materiale attivo può iniziare a subire cambiamenti di fase irreversibili e l'elettrolita può iniziare a decomporsi. Ciò a sua volta aumenta la resistenza interna della batteria, aumentando così l'effetto di squilibrio della batteria. Pertanto, la gestione della batteria e il monitoraggio dei singoli pacchi batteria sono diventate pratiche standard per i moduli agli ioni di litio e di solito sono integrati nell'alloggiamento della scatola della batteria. Sul mercato è presente un gran numero di sistemi BMS, molti dei quali sono realizzati su misura per specifici prodotti chimici per batterie agli ioni di litio. Il metodo di ricarica più semplice ed economico consiste nel limitare la ricarica del pacco batteria di serie. Un metodo migliore consiste nel consentire la ridistribuzione dell'energia tra le batterie una volta che la batteria raggiunge il limite di tensione superiore, evitando che una singola batteria si sovraccarichi e causi problemi di sicurezza.

5. Il costo della batteria

Rispetto alle tecnologie esistenti, una delle principali sfide delle batterie SLI agli ioni di litio è quella di fornire ai consumatori un prezzo competitivo. I ricercatori stanno lavorando duramente per studiare i problemi della catena del valore nella produzione di batterie agli ioni di litio. Attualmente, quasi il 60% dei costi delle batterie è considerato composto da materiali inattivi come collettori di corrente, separatori e involucri delle batterie. Il costo aggiuntivo deriva dall'interfase dell'elettrolita solido (SEI). ) Il tempo e le energie spese nel processo di formazione.

6. Politiche e legislazione

I principali driver della tecnologia sono solitamente accompagnati da alcune politiche nazionali e internazionali relative alla salute e alla sicurezza, seguite dalla legislazione. Questi di solito comportano l'uso di determinati prodotti chimici o accessori chimici che sono considerati dannosi per l'uomo e l'ambiente. Soprattutto quando queste sostanze nocive vengono utilizzate nei veicoli, il loro concetto di design dovrebbe essere in grado di raggiungere"riciclaggio verde", ovvero possono essere Smontabili in modo che vari materiali possano essere riutilizzati, riciclati o smaltiti in sicurezza senza causare alcun inquinamento all'ambiente.

7. Standard e specifiche

Nel corso dei decenni, sono emerse e gradualmente sviluppate specifiche e standard per adattarsi alle prestazioni e alla sicurezza di quasi tutte le applicazioni di batterie, comprese le batterie SLI per veicoli. D'altra parte, la legislazione di alcuni paesi o regioni può fare riferimento a standard quando si tratta di determinati requisiti che di solito hanno un impatto diretto sulla sicurezza e sulla salute della comunità e dell'ambiente. La United States Advanced Battery Alliance (USABC) ha compilato un manuale di test della batteria (Revisione 2) per il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DoE).

8. Riciclo delle batterie Battery

Attualmente un'azienda con una certa forza nel riciclaggio delle batterie agli ioni di litio.

Quanto sopra riassume che alcune grandi aziende stanno partecipando attivamente al processo di riciclaggio su scala industriale delle batterie agli ioni di litio. La capacità di riciclaggio dell'industria emergente del riciclaggio aumenterà di almeno cinque volte nei prossimi 7-10 anni.

9. Conclusioni e prospettive

Questo articolo riassume alcuni fattori per sostituire le batterie SLI al piombo acido con batterie SLI agli ioni di litio, che sarà un processo graduale nei prossimi anni. Con l'uso massiccio dell'immagazzinamento del sistema di energia rinnovabile, l'uso di batterie al piombo continuerà a crescere e il focus delle batterie SLI agli ioni di litio sarà utilizzato nei veicoli ICE di fascia medio-alta situati in Europa, alcuni dei che sono in Asia e negli Stati Uniti. Per molti veicoli ICE piccoli ed economici, la batteria SLI al piombo continuerà ad essere utilizzata, perché il costo della sostituzione della batteria sarà sempre il fattore decisivo. Inoltre, il mercato globale dei consumatori aumenterà l'uso di"economia circolare" prodotti, che si concentreranno sulla riduzione dei rifiuti ambientali aumentando il riciclaggio delle materie prime. Sebbene il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio sia ancora agli inizi, Cina, Giappone e altri paesi hanno già avviato importanti iniziative. Gli Stati Uniti, l'Australia e i paesi europei hanno tutti dimostrato le nuove funzioni del riciclaggio dei materiali nelle batterie agli ioni di litio. Questi processi di riciclaggio avranno luogo nei prossimi cinque o cinque anni. Perfetto in dieci anni.