Anàlisi de perspectives de bateries de liti que substitueixen l'àcid de plom en el camp de les bateries d'automoció

Les bateries de plom-àcid són actualment la principal font d'alimentació de SLI en vehicles de motor, i també se'ls ha donat moltes altres aplicacions. Els avantatges de les bateries de liti com les bateries SLI en lloc de les bateries de plom-àcid radiquen principalment en la seva vida més llarga i la seva densitat d’energia més alta. Pel que fa a la seguretat, es tenen en compte les noves normatives europees sobre bateries sobre l’ús de materials restrictius als vehicles, així com les especificacions de cost, disseny i prova. També es té en compte el cicle de vida i el reciclatge de les dues bateries.

1. Substitució de la bateria

Amb el pas dels anys, els estàndards de fabricació i química de les bateries de plom-àcid s’han adaptat a les noves necessitats i desafiaments de potència relativament ràpidament, ajustant els additius i millorant els processos de fabricació existents, en lloc d’intentar redissenyar un sistema de bateries completament nou. Als anys seixanta, la vida útil d’una bateria SLI de plom-àcid era d’uns 3 anys i, el 2015, a mesura que augmenten els requisits d’alimentació i aplicació, la bateria pot durar fins a cinc anys o més.

Les bateries de plom-àcid han mantingut quota de mercat, principalment perquè poden assolir l’alt corrent necessari per a l’arrencada de fred ICE, la durabilitat del cicle a alta temperatura, la seguretat relativament alta i el cost relativament baix. Si teniu previst participar en aquest mercat, aquests són els reptes que ha d’afrontar qualsevol nova tecnologia de bateria. En els darrers anys, l’estabilitat de les bateries de liti en termes de química i fabricació s’ha millorat significativament, s’ha reduït contínuament el cost i s’ha millorat contínuament el rendiment. En un sentit més ampli, en comparació amb les bateries de plom-àcid, els principals avantatges actuals de les bateries SLI d’ió liti són la seva alta densitat d’energia i la seva llarga vida útil.

Les bateries SLI d’ió liti tenen un rendiment similar a les bateries SLI de plom-àcid existents i s’han introduït proves addicionals per avaluar l’estabilitat de les bateries SLI d’ió liti. Inclou mesures de seguretat estrictes, com ara protecció contra sobrecàrregues, proves de destrucció de tipus de punxada o punxada, descàrrega i càrrega contínua a baixa temperatura i avaluació de l’impacte de la deposició de liti.

2. Disseny de seguretat de la bateria de ions de liti

El principal repte en el desenvolupament de les bateries SLI d’ions de liti és la seguretat de la bateria en condicions d’abús o envelliment i si es produirà un desviament tèrmic. S’han realitzat moltes proves per prevenir aquesta situació, però no totes les situacions són previsibles. Com que l’accident va causar danys excessius a l’interior del vehicle, que poden provocar la crema de la bateria a causa d’incendis externs o interns, les precaucions preses asseguraran que la bateria danyada no causi encara més espurnes, reduint així la propagació del foc després de accident. A més, un factor únic de la bateria és el curtcircuit intern (ISC) que es pot produir a causa del seu envelliment. Algunes condicions habituals, com la formació de dendrites de liti, penetren al diafragma per provocar un curtcircuit, cosa que fa que el diafragma s’encongeixi a causa de la calor i provoqui un curtcircuit d’àrea gran. Un altre repte per a les proves de bateries estandarditzades és que l'estructura externa de les bateries de ions de liti pot ser cilíndrica, de bosses (paquet tou) o quadrada. Per tant, cada tipus de bateria requereix un procediment de prova mecànica diferent. Aquestes tècniques es poden utilitzar per orientar la comprensió de la correlació entre les proves de seguretat i les bateries SLI-ió de liti.

3. Disseny de la bateria SLI

En el disseny de les bateries SLI, hi ha una gran varietat de materials d’elèctrodes i combinacions de bateries per triar. No obstant això, quan el voltatge general de la bateria es limita a un 12V típic, és possible substituir la bateria de plom-àcid existent en aquest cas. Actualment, només unes poques bateries connectades en sèrie poden assolir el voltatge correcte de la bateria.

A més del requisit per obtenir una tensió de la bateria propera als 12V, cal tenir en compte altres factors, com ara la fàcil disponibilitat al mercat de consum. En comparació amb les bateries estàndard de plom-àcid, aquests materials poden convertir-se en bateries SLI competitives. Els materials de càtode de les bateries de ions de liti es poden dividir en tipus de capes, espinel i olivina. El material de l’ànode és principalment carboni. A més de considerar la compatibilitat dels materials de càtode i ànode per proporcionar la tensió i la potència de la bateria correctes, la primera de les bateries de ions de liti Els tres components importants són el seu electròlit. Per a la majoria de bateries comercials, s’utilitzen electròlits líquids orgànics juntament amb sals de liti solubles, que poden proporcionar la conductivitat d’ions de liti necessària. La sal més comuna que s’utilitza actualment és la LiPF6.

A BEV, la bateria SLI d’ions de liti de 12 V es pot utilitzar per mantenir el sistema electrònic de bord del vehicle&quan el vehicle no circula. L’ús de bateries SLI de plom-àcid en aquesta aplicació no és ideal perquè normalment està dissenyat per a alta potència i no és necessàriament adequat per als escenaris d’aplicació de descàrrega de corrent baix profund. En aquest sentit, les bateries SLI d’ions de liti només compensen les deficiències de les bateries SLI de plom-àcid.

4. Disseny de balanç de bateries i sistema de gestió de bateries (BMS)

A diferència de les bateries SLI de plom-àcid, el repte de la tecnologia de les bateries de ions de liti és que tenen una alta eficiència de recàrrega propera al 95% i han de funcionar estrictament dins de la finestra de tensió de la bateria. Quan les bateries de ions de liti es munten en sèrie i es carreguen, poden sortir fàcilment fora de la finestra de tensió de la bateria, el material actiu pot començar a experimentar canvis de fase irreversibles i l’electròlit pot començar a descompondre’s. Al seu torn, això augmenta la resistència interna de la bateria, augmentant així l’efecte de desequilibri de la bateria. Per tant, la gestió de les bateries i el control de les bateries individuals s’han convertit en pràctiques estàndard per als mòduls de ions de liti i, normalment, s’incorporen a la carcassa de la caixa de bateries. Hi ha un gran nombre de sistemes BMS al mercat, molts dels quals estan fets a mida per a productes químics específics de bateries de ions de liti. El mètode de càrrega més senzill i rendible és limitar la càrrega de la bateria de la sèrie. Un mètode millor és permetre la redistribució de l’energia entre les bateries un cop la bateria arriba al límit de voltatge superior, evitant que una sola bateria es sobrecarregui i causi problemes de seguretat.

5. El cost de la bateria

En comparació amb les tecnologies existents, un dels principals reptes de les bateries SLI d’ió liti és proporcionar als consumidors un preu competitiu. Els investigadors estan treballant dur per estudiar els problemes de la cadena de valor en la fabricació de bateries de ions de liti. Actualment, es considera que gairebé el 60% dels costos de la bateria es compon de materials inactius com ara col·lectors de corrent, separadors i carcasses de bateries. El cost addicional prové de la interfase d’electròlits sòlids (SEI). ) El temps i l'energia gastats en el procés de formació.

6. Polítiques i legislació

Els principals motors de la tecnologia solen anar acompanyats de certes polítiques nacionals i internacionals relacionades amb la seguretat i la salut, seguides de legislació. Aquests solen implicar l’ús de determinats productes químics o accessoris químics que es consideren perjudicials per als humans i el medi ambient. Especialment quan aquestes substàncies nocives s’utilitzen en vehicles, el seu concepte de disseny hauria de ser capaç d’aconseguir" reciclatge verd" és a dir, es poden desmuntar de manera que es puguin reutilitzar, reciclar o eliminar de manera segura diversos materials. sense provocar cap contaminació al medi ambient.

7. Normes i especificacions

Al llarg de les dècades, han anat sorgint especificacions i estàndards que s’han anat desenvolupant gradualment per adaptar-se al rendiment i a la seguretat de pràcticament totes les aplicacions de bateries, incloses les bateries SLI per a vehicles. D'altra banda, la legislació de certs països o regions pot fer referència a normes quan es tracta de certs requisits que solen tenir un impacte directe sobre la seguretat i la salut de la comunitat i el medi ambient. L'American Advanced Battery Alliance (USABC) ha compilat un manual de proves de bateries (Revisió 2) per al Departament d'Energia dels Estats Units (DoE).

8. Reciclatge de bateries

Actualment és una empresa amb certa força en el reciclatge de bateries de ions de liti.

L'anterior resumeix que algunes grans empreses participen activament en el procés establert de reciclatge a escala industrial de bateries de ions de liti. La capacitat de reciclatge de la nova indústria del reciclatge augmentarà almenys cinc vegades en els propers 7 a 10 anys.

9. Conclusions i perspectives

Aquest article resumeix alguns factors de la substitució de les bateries SLI plom-àcid per bateries SLI de ions de liti, que seran un procés gradual en els propers anys. Amb l’ús massiu de l’emmagatzematge de sistemes d’energia renovable, l’ús de bateries de plom-àcid continuarà creixent i el focus de les bateries SLI d’ions de liti s’utilitzarà en vehicles ICE de gamma mitjana-alta ubicats a Europa, alguns dels que es troben a Àsia i als Estats Units. Per a molts vehicles ICE petits i econòmics, es continuarà utilitzant la bateria SLI de plom-àcid, ja que el cost de substituir la bateria serà sempre el factor decisiu. A més, el mercat mundial de consum augmentarà l’ús de" economia circular" productes, que se centraran en la reducció de residus mediambientals alhora que augmenten el reciclatge de matèries primeres. Tot i que el reciclatge de les bateries de ions de liti encara està en fase inicial, la Xina, el Japó i altres països ja han dut a terme importants iniciatives. Els Estats Units, Austràlia i els països europeus han demostrat les noves funcions de reciclatge de materials en bateries de ions de liti. Aquests processos de reciclatge es duran a terme en els propers cinc o cinc anys. Perfecte en deu anys.