Pliihappe asendamise liitiumpatareide väljavaadete analüüs mootorsõidukite patareide valdkonnas

Pliiakud on praegu mootorsõidukite SLI peamine jõuallikas ja neile on antud ka palju muid rakendusi. Liitiumpatareide kui pliiakude asemel SLI-patareide eelised seisnevad peamiselt nende pikemas elueas ja suuremas energiatiheduses. Ohutuse seisukohast võetakse arvesse uusi Euroopa patareide eeskirju piiravate materjalide kasutamise kohta sõidukites ning nende kulusid, disaini ja katsetamise spetsifikatsioone. Samuti võetakse arvesse kahe patarei olelusringi ja ringlussevõttu.

1. Aku vahetamine

Aastate jooksul on pliiakude keemiat ja tootmisstandardeid kohandatud uute energiatarbimisnõuete ja väljakutsetega suhteliselt kiiresti, kohandades lisaaineid ja parandades olemasolevaid tootmisprotsesse, selle asemel et proovida kujundada täiesti uut akusüsteemi. Kuuekümnendatel oli pliiakuga SLI aku kasutusiga umbes 3 aastat ning 2015. aastaks võib energiatarve ja rakendusnõuete suurenemisega aku vastu pidada kuni viis aastat või kauem.

Pliiakud on säilitanud turuosa peamiselt seetõttu, et need suudavad täita ICE külma käivitamise jaoks vajalikku suurt voolutugevust, kõrge temperatuuriga tsükli vastupidavust, suhteliselt suurt ohutust ja suhteliselt madalaid kulusid. Kui kavatsete sellel turul osaleda, on need väljakutsed, millega iga uus akutehnoloogia peab silmitsi seisma. Viimastel aastatel on liitiumpatareide stabiilsus keemia ja tootmise osas oluliselt paranenud, kulusid on pidevalt vähendatud ja jõudlust on pidevalt parandatud. Laiemas mõttes, võrreldes pliiakudega, on liitium-ioon-SLI-akude praegused peamised eelised nende suur energiatihedus ja pikk eluiga.

Liitium-ioon-SLI-akudel on olemasolevate pliihappeliste SLI-patareidega sarnane jõudlus ja liitiumioon-SLI-akude stabiilsuse hindamiseks on kasutusele võetud täiendavad testid. Sealhulgas ranged ohutusmeetmed, nagu ülelaadimise kaitse, purustamis- või torkimistüüpi hävitamiskatsed, pidev madalatemperatuuriline tühjendamine ja laadimine ning liitium sadestumise mõju hindamine.

2. Liitiumioonaku patareide ohutus

Liitiumioon-SLI-akude väljatöötamise peamine väljakutse on see, kui ohutu on aku kuritarvitamise või vananemise tingimustes ning kas toimub termiline põgenemine. Selle olukorra vältimiseks on läbi viidud palju katseid, kuid mitte kõiki olukordi ei saa ette ennustada. Kuna õnnetus põhjustas sõiduki siseruumide ülemäärast kahjustamist, mis võib aku põleda väliste või sisemiste tulekahjude tõttu, tagatakse rakendatavate ettevaatusabinõudega, et kahjustatud aku ei tekitaks veelgi sädemeid, vähendades seeläbi tule levikut pärast õnnetus. Lisaks on aku ainulaadne tegur sisemine lühis (ISC), mis võib ilmneda selle vananemise tõttu. Mõned levinud tingimused, näiteks liitiumdendriitide moodustumine, tungivad membraani sisse, tekitades lühise, mis põhjustab diafragma kuumuse tõttu kokkutõmbumist ja põhjustab suure ala lühise. Standardsete patareide testimise teine ​​väljakutse on see, et liitiumioonakude väline struktuur võib olla silindriline, kott (pehme pakk) või kandiline. Seetõttu nõuab iga akutüüp erinevat mehaanilist testimisprotseduuri. Neid tehnikaid saab kasutada ohutustestide ja liitium-ioon-SLI patareide vahelise seose mõistmiseks.

3. SLI aku disain

SLI patareide kujunduses on valida mitmesuguste elektroodimaterjalide ja patareide kombinatsioonide vahel. Kui aku üldine pinge piirdub tüüpilise 12 V-ga, on sel juhul võimalik olemasolevat pliiakut asendada. Praegu suudavad õige akupinge saavutada vaid vähesed järjestikku ühendatud patareid.

Lisaks 12V lähedase aku pinge saamiseks tuleb arvestada ka muude teguritega, nagu näiteks lihtne kättesaadavus tarbijaturul. Võrreldes tavaliste pliiakudega võivad need materjalid teha kulukonkurentsivõimelisi SLI-patareisid. Liitiumioonakude katoodimaterjale saab jagada kihilisteks, spinell- ja oliviinitüüpideks. Anoodmaterjal on peamiselt süsinik. Lisaks katoodi ja anoodimaterjalide ühilduvuse kaalumisele, et tagada aku õige pinge ja võimsus, on esimene liitiumioonakudest kolm olulist komponenti: selle elektrolüüt. Enamike kaubanduslike patareide jaoks kasutatakse orgaanilisi vedelaid elektrolüüte koos lahustuvate liitiumsooladega, mis võivad tagada vajaliku liitiumioonide juhtivuse. Praegu on kõige tavalisem sool LiPF6.

BEV-režiimis saab 12 V liitiumioon-SLI akut kasutada sõiduki rongisisese elektroonilise süsteemi hooldamiseks, kui sõiduk ei sõida. Plii-happega SLI-patareide kasutamine selles rakenduses ei ole ideaalne, kuna see on tavaliselt mõeldud suure võimsusega ja see ei pruugi tingimata sobida sügava nõrkvoolu tühjenemise stsenaariumide jaoks. Sellega seoses kompenseerivad liitium-ioon-SLI-patareid lihtsalt pliihappeliste SLI-patareide puudujääke.

4. Aku tasakaalu ja akuhaldussüsteemi (BMS) kujundus

Erinevalt pliihappelistest SLI-akudest on liitiumioonakude tehnoloogia väljakutseks see, et neil on kõrge laadimistõhusus, mis on peaaegu 95% ja mis peavad töötama rangelt aku pinge aknas. Kui liitiumioonakuid monteeritakse järjestikku ja laetakse, võivad need hõlpsasti triivida väljapoole aku pinge akent, aktiivsel materjalil võivad hakata toimuma pöördumatud faasimuutused ja elektrolüüt võib hakata lagunema. See omakorda suurendab aku sisetakistust, suurendades seeläbi aku tasakaalustamatust. Seetõttu on akude haldamine ja üksikute akude jälgimine muutunud liitiumioonmoodulite tavapraktikaks ning need on tavaliselt sisse ehitatud akukarbi korpusesse. Turul on suur hulk BMS-süsteeme, millest paljud on spetsiaalselt valmistatud konkreetsete liitiumioonakude kemikaalide jaoks. Lihtsaim ja kulutõhusam laadimisviis on seeria aku laadimise piiramine. Parem meetod on lubada energia ümberjaotamist patareide vahel, kui aku saavutab ülemise pinge piiri, vältides ühe aku ülelaadimist ja põhjustades ohutusprobleeme.

5. Aku maksumus

Võrreldes olemasoleva tehnoloogiaga on liitium-ioon-SLI-akude üks peamisi väljakutseid pakkuda tarbijatele konkurentsivõimelist hinda. Teadlased töötavad palju, et uurida liitiumioonakude tootmise väärtusahela probleeme. Praegu peetakse peaaegu 60% aku kuludest mitteaktiivsetest materjalidest, nagu voolukollektorid, eraldajad ja patareide korpused. Lisakulu tuleb tahke elektrolüüdi interfaasist (SEI). ) Moodustumisprotsessis kulutatud aeg ja energia.

6. Poliitikad ja õigusaktid

Tehnoloogia peamisteks tõukejõududeks on tavaliselt teatud riiklik ja rahvusvaheline tervise ja ohutusega seotud poliitika, millele järgnevad õigusaktid. Need hõlmavad tavaliselt teatud kemikaalide või keemiliste tarvikute kasutamist, mida peetakse kahjulikuks inimestele ja keskkonnale. Eriti kui neid kahjulikke aineid kasutatakse sõidukites, peaks nende konstruktsiooniga saama saavutada &; rohelise ringlussevõtu &, see tähendab, et neid saab lahti võtta, et erinevaid materjale saaks uuesti kasutada, ringlusse võtta või ohutult kõrvaldada keskkonda saastamata.

7. Standardid ja spetsifikatsioonid

Aastakümnete jooksul on välja töötatud spetsifikatsioonid ja standardid, mis on järk-järgult arenenud, et kohaneda peaaegu kõigi akude, sealhulgas sõidukite SLI-akude, jõudluse ja ohutusega. Teiselt poolt võivad teatud riikide või piirkondade õigusaktid viidata standarditele, kui käsitletakse teatavaid nõudeid, millel on tavaliselt otsene mõju kogukonna ohutusele ja tervisele ning keskkonnale. Ameerika Ühendriikide Advanced Battery Alliance (USABC) koostas USA energeetikaministeeriumi (DoE) jaoks akude testimise käsiraamatu (2. redaktsioon).

8. Aku ringlussevõtt

Praegu on liitiumioonakude ümbertöötlemisel teatud tugevusega ettevõte.

Eeltoodu teeb kokkuvõtte sellest, et mõned suured ettevõtted osalevad aktiivselt väljakujunenud liitiumioonakude tööstusliku ringlussevõtu protsessis. Tekkiva taaskasutustööstuse ringlussevõtu võimsus suureneb järgmise 7–10 aasta jooksul vähemalt viis korda.

9. Järeldused ja väljavaated

See artikkel võtab kokku mõned pliiakudega SLI-patareide asendamise liitium-ioon-SLI-patareidega tegurid, mis lähiaastatel on järk-järguline protsess. Taastuvenergia süsteemide laiaulatusliku kasutamise korral kasvab pliiakude kasutamine veelgi ning liitiumioonioon-SLI-akude fookus on kasutusel Euroopas asuvatel keskmise ja kõrgema taseme ICE-sõidukitel. mis asuvad Aasias ja Ameerika Ühendriikides. Paljude väikeste ja odavate ICE-sõidukite jaoks kasutatakse jätkuvalt pliiakuga SLI-akut, sest alati on määravaks aku vahetamise maksumus. Lisaks suurendab globaalne tarbijaturg &, ringmajanduse &, tooted, mis keskenduvad keskkonna raiskamise vähendamisele, suurendades samal ajal toormaterjalide ringlussevõttu. Kuigi liitiumioonakude ringlussevõtt on alles lapsekingades, on Hiina, Jaapan ja teised riigid juba teinud suuri algatusi. USA, Austraalia ja Euroopa riigid on kõik demonstreerinud liitium-ioonakude materjalide ringlussevõtu uusi funktsioone. Need ringlussevõtu protsessid toimuvad järgmise viie kuni viie aasta jooksul. Täiuslik kümne aasta pärast.