Liitiumpatareide põhjalik analüüs: alustest kuni tootmise, struktuuri, protsesside, rakenduste ja tööstuse suundumusteni

Liitiumpatareid on pikka aega olnud "energia tuumaks" sellistes sektorites nagu olmeelektroonika, uued energiasõidukid, energiasalvestussüsteemid ja isegi madala{0}}kõrguse majandus. Alates väikestest seadmetest, nagu mobiiltelefonid ja sülearvutid, kuni suurte-seadmeteni, nagu elektrisõidukid ja energiasalvestavad elektrijaamad, määrab nende jõudlus otseselt seadmete vastupidavuse, ohutustaseme ja kasutusea. See artikkel võtab selle kriitilise energiakomponendi põhjalikult lahti, käsitledes selle põhikoostist, eeliste ja puuduste võrdlust, klassifitseerimissüsteemi, professionaalset terminoloogiat, nimetamisreegleid, aga ka kogu tootmisprotsessi ja tööstusharu, paljastades teile liitiumakude tehnilised saladused.

I. Liitiumpatareide põhikoostis: "südame" ja "aju" vaheline sünergia

Liitiumaku stabiilne töö tugineb kahe peamise süsteemi sünergiale: "energiavarustus" ja "ohutuskontroll". Täpsemalt võib selle jagada kaheks osaks: akuelement ja kaitseplaat (ehk BMS), millest igaühel on asendamatu funktsioon.

1. Akuelement: liitiumakude "energia süda".

Akuelement on elektrienergia salvestamise ja vabastamise tuum, mis on samaväärne liitiumaku "südamega". Selle jõudlus määrab otseselt aku energiatiheduse, tsükli eluea ja ohutuse. Akuelement koosneb peamiselt viiest põhikomponendist:

Katoodi materjal: väljundenergia "allikas", mis vabastab tühjenemise ajal liitiumioonid. Levinud materjalide hulka kuuluvad liitiumkoobaltoksiid (LiCoO₂, kasutatav olmeelektroonikas, nagu mobiiltelefonid ja sülearvutid, kõrgepingeplatvormiga, kuid nõrga turvalisusega), liitiumraudfosfaat (LiFePO₄, kasutatav energiasalvestites ja elektrisõidukites, kõrge ohutuse ja pika tööeaga), kolmekomponentne liitium (kasutatakse kõrgetasemelise LiNi{n_CozႧ⧲{n_2}O elektrisõidukid, millel on suur energiatihedus) ja liitiummanganaat (LiMn₂O₄, mida kasutatakse elektrilistes tööriistades, madala hinnaga, kuid halva kõrge temperatuuri stabiilsusega).

Anoodi materjal: energia salvestamise "ladu", mis adsorbeerib laadimise ajal liitiumioonid ja saadab need tühjenemise ajal tagasi katoodile. Praegu on grafiit põhivool (madala hinnaga ja hea stabiilsusega, moodustades üle 90% anoodmaterjalide turust). Uue põlvkonna räni-põhised anoodid (mille teoreetiline võimsus on üle 10 korra suurem kui grafiidil) hakatakse järk-järgult turustama, samas kui liitiummetalli anoodid on dendriidiprobleemide tõttu endiselt uurimis- ja arendustegevuse etapis.

Elektrolüüt: liitiumioonide migratsioonikanal, mis koosneb tavaliselt liitiumisoolast (nt LiPF₆, mis varustab liitiumioone), orgaanilistest lahustitest (nt karbonaadid, lahustavad liitiumisoolad) ja lisanditest (parandab tsükli eluiga ja ohutust). Selle puhtus ja stabiilsus mõjutavad otseselt aku jõudlust kõrgel ja madalal{5}}temperatuuril ning ohutustaset. Näiteks liigne niiskus reageerib liitiumisooladega, tekitades kahjulikke gaase, põhjustades potentsiaalseid ohutusriske.

Eraldaja: "Ohutusbarjäär" katoodi ja anoodi vahel, poorne polümeerkile (enamasti polüetüleen PE ja polüpropüleen PP). See mitte ainult ei takista otsest kontakti ja lühist katoodi ja anoodi vahel, vaid võimaldab ka liitiumioonide läbimist. Kvaliteetse-separaatoritel peab olema ühtlane pooride suurus, piisav mehaaniline tugevus ja keemiline stabiilsus. Kõrgetel temperatuuridel võivad nad ka ioonide ülekande blokeerida "seiskamisefekti" kaudu, et vältida termilist põgenemist.

Kest: akuelemendi kaitsekate, mis on vastavalt kujule jagatud alumiiniumkestaks (prismaatilised akud, nt mobiiltelefonide akud), teraskestaks (silindrilised akud, nt 18650) ja alumiiniumist -plastkomposiitkileks (kotikestakud, nt õhukesed mobiiltelefonid ja kantavad seadmed). Aku energiatiheduse parandamiseks peavad kestal olema plahvatus--kindlad, kõrge-temperatuuri- ja korrosioonikindlad-omadused, samas kui see peab olema võimalikult kerge.

2. Kaitseamet: liitiumpatareide "turvaaju".

Kui akuelement on "energia süda", on kaitseplaat "turvaaju", mis vastutab aku laadimise ja tühjenemise oleku jälgimise eest, et vältida selliseid riske nagu ülelaadimine, üle{0}}tühjenemine ja lühis. Toiteakude kaitseplaati nimetatakse tavaliselt keerukama ülesehitusega akuhaldussüsteemiks (BMS, Battery Management System), tarbijaakude (näiteks mobiiltelefonide akude) kaitseplaat on aga suhteliselt lihtsustatud. Põhikomponendid hõlmavad järgmist:

Kaitsekiip/juhtimiskiip: tuumjuhtseade, mis{0}}reaalajas jälgib aku pinget, voolu ja temperatuuri. Kui tuvastatakse kõrvalekaldeid (nt ülelaadimine pingega üle 4,2 V, ülelaadimine pingega alla 3,0 V), käivitab see kaitsemehhanismi.

MOSFET: Voolu "lüliti", mis katkestab või juhib laadimis- ja tühjendusahelat kiibi juhiste järgi. Näiteks ülelaadimise ajal ühendab MOSFET laadimistee lahti, et vältida akuelementide kahjustamist.

Takistid ja kondensaatorid: abikomponendid, mida kasutatakse voolu proovivõtuks ja pinge filtreerimiseks, et tagada tuvastamisandmete täpsus.

PCB plaat: komponentide "kandja", integreerides kiibid, MOSFET-id ja muud osad stabiilse vooluahela süsteemi moodustamiseks.

PTC/NTC: Temperatuurikaitse komponendid. PTC-l (positiivse temperatuurikoefitsiendi termistor) on kõrgetel temperatuuridel voolu piiramiseks takistuse järsk tõus; NTC (negatiivse temperatuuri koefitsiendi termistor) tunneb temperatuuri reaalajas ja edastab kiibi temperatuuriandmeid.

II. Liitiumpatareide eelised ja puudused: miks võivad need saada peamiseks energiaallikaks?

Liitiumakud võivad asendada plii-happe-, nikkel-kaadmium- ja nikkel-metallhüdriidpatareisid, saades olmeelektroonikas ja uutes energiavaldkondades esimeseks valikuks tänu nende silmapaistvatele jõudluseelistele, kuid neil on ka vaieldamatuid puudusi. Saame intuitiivsemalt mõista liitiumakude paigutust nelja peamise akutüübi horisontaalse võrdluse kaudu:

1. Peamised eelised: miks on liitiumakud asendamatud?

Kõrge energiatihedus: gravimeetriline energiatihedus on 4-8 korda suurem pliiakude omast ja mahuline energiatihedus on 4-5 korda pliiakude omast. See tähendab, et liitiumakud suudavad sama kaalu/mahu all salvestada rohkem elektrienergiat. Näiteks mobiiltelefoni liitiumaku mahuga 1900mAh kaalub vaid ca 20g, samas mahutavusega pliiaku üle 1kg, mis on kaasaskantavatele seadmetele täiesti sobimatu.

Pikk tsükli eluiga: Kvaliteetsed-liitiumakud suudavad saavutada rohkem kui 1500 tsüklit ja liitiumraudfosfaatakud võivad isegi ületada 6000 tsüklit, samas kui plii-happeakudel on ainult 200-300 tsüklit. Võttes näiteks elektrisõidukid, on liitiumakudega varustatud mudelite aku kasutusiga 5-8 aastat, mis ületab tunduvalt pliiakude 1-2 aastat.

Keskkonnasõbralik ja saastevaba-: Ei sisalda mürgiseid raskmetalle, nagu plii, elavhõbe ja kaadmium, ning on keskkonnasõbralik kogu tootmise, kasutamise ja lammutamise elutsükli vältel, kooskõlas ülemaailmse "kahekordse süsiniku" trendiga. Seevastu plii-happeakudest ja nikkel-kaadmiumakudest kaadmiumisaaste on paljudes riikides piiratud.

Madal isetühjenemise määr-: Kuu isetühjenemise määr on ainult 2%-9%, palju madalam kui 20%-30% nikkel-metallhüdriidakudel. Täielikult laetud mobiiltelefoni liitiumaku võib pärast ühekuulist jõudeolekut säilitada rohkem kui 80% võimsusest, samal ajal kui nikkel-metallhüdriidaku võib olla alles vaid 50%.

Kõrgepinge platvorm: Ühe elemendi nimipinge on 3,2-3,7 V, mis vastab 3 nikkel-kaadmium/nikkel-metallhüdriidaku jadapingele. See suudab vastata seadmenõuetele ilma mitme seeriaühenduseta, lihtsustades aku konstruktsiooni.

2. Peamised puudused: millised probleemid vajavad veel lahendamist?

Kõrge hind: aku hind on umbes 2,0-3,5 CNY/Wh, mis on 2-5 korda suurem kui pliiakudel. Kuigi see suurtootmisega järk-järgult väheneb, on see endiselt uute energiasõidukite ja energiasalvestussüsteemide peamine kuluartikkel.

Kehv temperatuuri kohanemisvõime: Optimaalne töötemperatuur on 0-45 kraadi. Kui temperatuur on alla 0 kraadi, väheneb võimsus oluliselt (nt -20 kraadi juures võib võimsust alles jääda vaid 50%); kui temperatuur on üle 60 kraadi, on oht turvalisusele. Täiendavad kütte-/jahutussüsteemid tuleb konfigureerida, mis suurendab kulusid ja keerukust.

Ohutusohud: Vedelad elektrolüüdid on tuleohtlikud. Kui kaitsesüsteem ebaõnnestub (nt ülelaadimine, läbitorkamine, väljapressimine), võib see põhjustada termilist põgenemist, mis võib põhjustada tulekahju ja plahvatuse. Seetõttu peavad liitiumakud olema varustatud BMS-i või kaitseplaatidega ning neid ei tohi kasutada "paljalt" nagu plii-happeakusid.

Kõrged nõuded laadijatele: Stabiilse laadimisprotsessi tagamiseks ja ülelaadimise vältimiseks on vaja püsivoolu ja püsipingega laadijaid, samas kui plii-happeakud vajavad vaid lihtsat pingeregulaatorit ja laadija hind on madalam.

III. Liitiumpatareide klassifikatsioonisüsteem: kuidas valida erinevate stsenaariumide jaoks?

Liitiumakusid on mitut tüüpi, mida saab erinevate mõõtmete järgi jagada mitmesse kategooriasse. Erinevate kategooriate akudel on märkimisväärsed jõudluse erinevused ja need sobivad erinevate stsenaariumide jaoks. Klassifitseerimisloogika valdamine aitab teil paremini mõista, "miks kasutatakse mobiiltelefonides koobalt-liitiumakusid ja elektrisõidukites liitiumraudfosfaat/kolmkomponentseid liitiumakusid".

1. Laadimis- ja tühjenemisomaduste järgi: esmased akud vs sekundaarakud

Peamised (mitte{0}}laetavad) akud: tuntud ka kui liitiumprimaarpatareid, nagu liitiummangaandioksiidpatareid (CR2032 nupupatareid, kasutatakse kaugjuhtimispultides ja kellades) ja liitium-tionüülkloriidpatareid (kasutatakse asjade Interneti seadmetes ja meditsiinilistes siirdatavates instrumentides). Neid iseloomustab suur mahutavus ja pikk säilivusaeg (kuni 10 aastat), kuid neid ei saa laadida ja need visatakse pärast kasutamist ära.

Teisesed (taaslaetavad) akud: Tuntud ka kui akupatareid, on need igapäevaelus kõige sagedamini kasutatavad tüübid, näiteks mobiiltelefonide akud ja elektrisõidukite akud. Neid saab korduvalt laadida ja tühjendada 500-1500 korda. Tuum on pöörduv reaktsioon "liitiumioonide migratsioonist katoodi ja anoodi vahel", mis on ka käesoleva artikli keskmes.

2. Katoodmaterjali järgi: akude põhitalitluse määramine

See on kõige põhilisem klassifitseerimismeetod ja katoodmaterjal määrab otseselt aku energiatiheduse, ohutuse ja maksumuse:

Liitiumkoobaltoksiid (LiCoO₂): Kõrge energiatihedus (200-250Wh/kg), kõrgepingeplatvorm (3,7V), kuid halb ohutus ja lühike eluiga (500-800 tsüklit), kasutatakse peamiselt olmeelektroonikas, nagu mobiiltelefonid ja sülearvutid.

Liitiumraudfosfaat (LiFePO₄): Äärmiselt kõrge ohutus (soojustemperatuur ületab 200 kraadi), pikk kasutusiga (1500{3}}6000 tsüklit), madal hind, kuid madal energiatihedus (120–180 Wh/kg), kasutatakse peamiselt energiasalvestussüsteemides, elektribussides ja madala hinnaga elektrisõidukites.

Kolmekomponentne liitium (LiNiₓCoᵧMn_zO₂): kõrge energiatihedus (200-300 Wh/kg), hea jõudlus madalal-temperatuuril, kuid keskmine ohutus ja kõrge hind. See jaguneb niklisisalduse järgi (mida suurem niklisisaldus, seda suurem on energiatihedus) NCM523-ks, NCM622-ks ja NCM811-ks, mida kasutatakse peamiselt tippklassi elektrisõidukites ja droonides.

Liitiummanganaat (LiMn₂O4): madal hind, hea kõrge -temperatuuri stabiilsus, kuid madal energiatihedus (100-150 Wh/kg) ja lühike tööiga (300–500 tsüklit), kasutatakse peamiselt elektritööriistades ja aeglastes elektrisõidukites.

3. Kuju järgi: kohanemine erinevate seadmete ruumidega

Silindrilised akud: näiteks 18650 (läbimõõt 18 mm, kõrgus 65 mm) ja 21700 (läbimõõt 21 mm, kõrgus 70 mm), stabiilse struktuuri ja suure masstootmise efektiivsusega, mida kasutatakse peamiselt sülearvutites ja elektrisõidukites (nt Tesla varased mudelid kasutasid 18650 ja hiljem vahetati 21700 mudelile).

Prismaatilised akud: näiteks mobiiltelefonide akud (paksus 3–5 mm, laius 40–60 mm) ja elektrisõidukite akud (paksus 10–20 mm, laius 100–200 mm), millel on kõrge ruumikasutusaste ja mida saab kohandada vastavalt seadme suurusele, mis on praegu elektrisõidukite peamine vorm.

Kott Patareid: Alumiinium{0}}plastkomposiitkilega kapseldatud neid saab valmistada üliõhukeste (0,5–2 mm paksusega) ja painduvatena. Neid kasutatakse peamiselt õhukestes mobiiltelefonides, kantavates seadmetes (nt nutikellades) ja kokkupandavates mobiiltelefonides.

4. Elektrolüüdi oleku järgi: vedelik vs polümeer

Liitiumioonakud (LIB): Kasutatakse vedelaid elektrolüüte, millel on kõrge energiatihedus ja madal hind, kuid esineb lekkeoht. Sellesse kategooriasse kuuluvad enamik silindrilisi ja prismakujulisi{1}}kõva kestaga akusid.

Polümeerliitiumpatareid (PLB): Kasutatakse geeli või tahkeid elektrolüüte, ilma lekkeohuta ja paindlikult deformeeruda. Enamik kottipatareisid kuulub sellesse kategooriasse, mida kasutatakse peamiselt olmeelektroonikas.

5. Kasutamise järgi: tavalised patareid vs toiteakud

Tavalised akud: Kasutatakse olmeelektroonikas, nagu mobiiltelefonid ja sülearvutid, väikese mahuga (1000mAh-10Ah) ja väikese tühjenemiskiirusega (0,5-2C), mis nõuavad suurt energiatihedust.

Toiteallikad: Kasutatakse elektrisõidukites ja droonides, suure võimsusega (50Ah-500Ah) ja suure tühjenemiskiirusega (5-30C), mis peavad vastu pidama suurele voolulahendusele (nt kui auto kiirendab), mis nõuab suuremat ohutust ja tsükli eluiga.

IV. Liitiumpatareide oluline terminoloogia: mõistete eristamine mahutavusest SOC-ni

Liitiumakusid ostes või kasutades kohtate sageli selliseid termineid nagu "mahutavus", "C{0}}määr" ja "SOC". Nende mõistete mõistmine aitab teil täpselt hinnata aku jõudlust ja vältida "valesti märgitud parameetrite" tõttu eksitamist.

1. Maht: kui palju elektrit suudab aku säilitada?

Definitsioon: elektrienergia hulk, mida aku võib teatud tühjenemistingimustel vabastada, arvutatakse valemiga Q=I × t (I on vool, t on aeg), ühikutes Ah (amper-tund) või mAh (milliamper-tund).

Lihtne seletus: 1Ah tähendab, et aku saab tühjeneda 1A vooluga 1 tund ja 1mAh tähendab, et see võib tühjeneda 1 mA vooluga 1 tund. Näiteks mobiiltelefoni aku 1900 mAh tähendab, et see võib tühjeneda 190 mA vooluga 10 tundi.

Levinud stsenaariumid: Mobiiltelefoni akud: 800-1900mAh; elektrijalgrattad: 10-20Ah; elektrisõidukid: 20-200Ah; energiasalvestusakud: 100-1000Ah.

2. Laadimis-/tühjenemiskiirus (C-): kui kiire on laadimine/tühjenemine?

Definitsioon: laadimis-/tühjenemisvool, mis on väljendatud aku nimimahtuvuse kordsena . 1C on vool "täielikuks laadimiseks/tühjenemiseks 1 tunniga".

Arvutusmeetod: kui aku maht on 1500 mAh, 1C=1500mA, 2C=3000mA (täielikult tühjeneb 0,5 tunniga), 0,1C=150mA (täielikult tühjeneb 10 tunniga).

Märkmed: Mida suurem on tühjenemise määr, seda väiksem on aku tegelik võimsus (nt 2C tühjenemise korral võib võimsus olla vaid 80% 1C tühjenemise korral) ja seda tõsisem on soojuse teke. Seetõttu peavad toiteakud olema suure-laadimisvõimega (nt elektrisõidukid vajavad üle 5C).

3. Pinge (OCV): patareide pingeplatvorm

Nimipinge: aku nimipinge. Tavalised liitiumakud on 3,2–3,7 V (liitiumkoobaltoksiid: 3,7 V; liitiumraudfosfaat: 3,2 V), mis on aku jõudluse oluline näitaja.

avatud vooluahela pinge (OCV): aku pinge, kui koormus pole ühendatud, mille põhjal saab hinnata aku olekut (nt täislaetud liitiumkoobaltoksiidi aku OCV on umbes 4,2 V ja umbes 3,0 V, kui aku on tühjaks saanud).

Pingeplatvorm: Pinge stabiilne vahemik aku laadimise ja tühjenemise ajal (tavaliselt 20%-80% mahust), kus pinge muutub vähe. Näiteks liitiumkoobaltoksiidpatareide pingeplatvorm on 3,6-3,9V, mis on ühtlasi ka seadmete tavaline tööpinge vahemik.

4. Energia ja võimsus: kui kaua saab seda kasutada? Kui palju võimsust see välja võib anda?

Energia: kogu elektrienergia, mida aku suudab salvestada, arvutatuna valemiga E=U×Q (U on pinge, Q on võimsus), ühikutes Wh (vatt-tund) või kWh (kilovatt-tund, 1kWh=1 elektrienergia aste). Näiteks 1900 mAh ja 3,7 V mobiiltelefoni aku energia on 3,7 V × 1,9 Ah=7.03Wh.

Võimsus: energia, mida aku suudab ajaühikus väljastada, arvutatuna valemiga P=U×I, ühikutes W (vatt). Võimsus määrab seadmete "purskevõimsuse". Näiteks elektrisõidukid vajavad kiirendamisel suure-võimsusega akusid, samas kui mobiiltelefonid vajavad vaid vähese võimsusega-akusid.

5. Tsükli kasutusiga: mitu korda saab akut laadida ja tühjendada?

Definitsioon: Üks aku laadimine ja tühjendamine on üks tsükkel. Kui võimsus väheneb 60–70% esialgsest võimsusest, loetakse seda eluea lõpuks.

Standardne test: IEC standard näeb ette, et mobiiltelefonide liitiumpatareide, mis on tühjendatud kuni 3,0 V 0,2 C juures ja laetud kuni 4,2 V 1 C juures, maht peaks pärast 500 tsüklit olema 60% või suurem; riiklik standard näeb ette, et võimsus peaks olema 70% või suurem pärast 300 tsüklit.

Kasutussoovitus: vältige sügavlaadimist ja tühjenemist (nt ärge laadige iga kord 100% -ni ega tühjendage 0% -ni), mis võib pikendada tsükli eluiga. Näiteks mobiiltelefoni aku 20%-80% võimsusel hoidmine võib pikendada eluiga rohkem kui 1000 tsüklini.

6. Tühjenemise sügavus (DOD) ja laadimisseisund (SOC): kui palju võimsust on akul alles?

DOD: tühjendusvõimsuse protsent nimivõimsusest. Näiteks kui tühjendusmaht on 500 mAh ja nimimaht on 1000 mAh, siis DOD=50%. Mida sügavam DOD, seda lühem on aku kasutusiga.

SOC: järelejäänud võimsuse protsent nimivõimsusest . 0% tähendab voolu puudumist ja 100% tähendab, et see on täielikult laetud. BMS hindab aku järelejäänud võimsust SOC-i kaudu ja mobiiltelefoni võimsusnäidik arvutatakse SOC-i alusel.

7. Väljalülitus-pinge: laadimise/tühjenemise "punane joon"

Laadimise katkestamise{0}}pinge: pinge, mille juures akut ei saa enam laadida. Liitiumkoobaltoksiidpatareide puhul on see 4,2 V; liitiumraudfosfaatpatareide puhul on see 3,65 V. Selle pinge ületamine põhjustab akuelemendi kahjustusi ja termilist väljavoolu.

Tühjenemise{0}}väljalülituspinge: pinge, mille juures akut ei saa enam tühjendada. Liitiumkoobaltoksiidpatareide puhul on see 3,0 V; liitiumraudfosfaatpatareide puhul on see 2,5 V. Selle pinge allapoole jääv pinge põhjustab anoodile pöördumatuid kahjustusi ja võimsust ei saa taastada.

8. Sisetakistus: patareide "nähtamatu kadu".

Definitsioon: Aku sees olev takistus, mis takistab voolu liikumist, mΩ (millioomi) ühikutes, mis on jagatud oomiliseks sisetakistuseks (põhjustatud materjalidest ja struktuurist) ja polarisatsiooni sisetakistuseks (põhjustatud elektrokeemilistest reaktsioonidest).

Mõju: Mida väiksem on sisetakistus, seda suurem on aku laadimise ja tühjenemise efektiivsus ning seda vähem tekib soojust. Näiteks toiteakude sisetakistust tuleb reguleerida alla 50 mΩ, vastasel juhul tekib tugeva -voolu tühjenemise ajal tugev kuumenemine.

V. Liitiumpatareide nimetamise reeglid: mudelite mõõtmete mõistmine

Liitiumakude nimetused on erinevatel tootjatel erinevad, kuid üldised akud järgivad IEC61960 standardit. Aku tüüpi ja suurust saab hinnata mudeli järgi, et vältida vale mudeli ostmist.

1. Silindrilised patareid: 3 tähte + 5 numbrit

Tähe tähendus: esimene täht tähistab anoodi materjali (I=ehitatud-liitiumiooni, L=liitiummetalli); teine ​​täht tähistab katoodi materjali (C=koobalt, N=nikkel, M=mangaan, V=vanaadium); kolmas täht=R (silindriline).

Numbri tähendus: esimesed 2 numbrit=läbimõõt (mm), viimased 3 numbrit=kõrgus (mm).

Näited: ICR18650 - I (liitiumioonanood), C (liitiumkoobaltoksiidkatood), R (silindriline), läbimõõt 18 mm, kõrgus 65 mm, kõige levinum sülearvutite ja elektrisõidukite aku; INR21700 - I (liitiumioonanood), N (nikli-põhine katood, kolmekomponentne liitium), R (silindriline), läbimõõt 21 mm, kõrgus 70 mm, võimsus 50% suurem kui 18650, kasutatakse Tesla mudelis 3.

2. Prismapatareid: 3 tähte + 6 numbrit

Tähe tähendus: kaks esimest tähte on samad, mis silindrilistel patareidel, kolmas täht=P (prismaatiline).

Numbri tähendus: 2 esimest numbrit=paksus (mm), keskmised 2 numbrit=laius (mm), viimased 2 numbrit=kõrgus (mm).

Näited: ICP053353 - I (liitiumioonanood), C (liitiumkoobaltoksiidkatood), P (prismaatiline), paksus 5 mm, laius 33 mm, kõrgus 53 mm, tüüpiline mobiiltelefoni aku; IFP101520 - I (liitiumioonanood), F (raud-põhine katood, liitiumraudfosfaat), P (prismaatiline), paksus 10 mm, laius 15 mm, kõrgus 20 mm, kasutatakse nutikellades.

VI. Kogu liitiumakude tootmisprotsess: püüdleme tipptaseme poole igal sammul materjalidest elementideni

Liitiumaku tootmine on keeruline ja väga automatiseeritud protsess, mis hõlmab kolme peamist seost: esi{0}}otsa, kesk-otsa ja taga{2}}protsess. Iga lüli täppisjuhtimine mõjutab otseselt aku jõudlust ja ohutust, mida nimetatakse "peenkeemiatööstuse ja täppistööstuse kombinatsiooniks".

1. Esiosa-Lõppprotsess: elektroodide lehtede valmistamine (aku mahtuvuse määramise võti)

Läga segamine: Segage katoodaktiivsed materjalid (nt LiCoO₂), juhtivad ained (tahm), sideained (PVDF) ja lahustid (NMP) vaakumakseris, et moodustada ühtlane suspensioon; sama kehtib ka anoodi kohta, mille aktiivseks materjaliks on grafiit, sideaineks CMC/SBR ja lahustiks vesi. Põhinõue: läga peaks olema ühtlane, ilma osakesteta, vastasel juhul põhjustab see ebaühtlase mahutavuse.

Katmine: Katke katoodi/anoodi suspensioon ühtlaselt voolukollektorile (katoodi jaoks alumiiniumfoolium, anoodi jaoks vaskfoolium), kontrollides katte paksust (±1 μm) ja pindalatihedust (aktiivse materjali kaal pinnaühiku kohta). Põhinõue: Kattekiht peab olema ühtlane, vastasel juhul põhjustab see aku lokaalset kuumenemist ja võimsuse nõrgenemist.

Kuivatamine: Aurustage lahusti (NMP või vesi) ahjus, mille temperatuur on 80–120 kraadi. Tuule kiirus ja kiirus peavad olema täpsed, et vältida katte lõhenemist ja kõverdumist.

Kalenderdamine: Külm-pressige kuivatatud elektroodilehti täppiskalandriga, et suurendada katte tihedust (vähendada poorsust), parandada energiatihedust ja tagada ühtlane paksus (±0,5 μm).

Lõikamine: Lõigake laiad elektroodide lehed pikisuunas kitsasteks vajaliku laiusega ribadeks, vältides jäsemete tekkimist (murrud põhjustavad lühiseid).

Sakkide keevitamine: Keevitada metallist sakid (alumiiniumlipikud katoodi jaoks, nikkellipikud anoodi jaoks) elektroodilehtedel voolu eemaldamise punktidena kindlaksmääratud kohtades. Keevituskvaliteet peab tagama, et ei tekiks külmjoodeteid ega valekeevitust.

2. Keskmine-Lõppprotsess: elemendi kokkupanek (aku ohutuse määramise võti)

Kerimine/virnastamine: virna katood, separaator ja anood järjestuses "separator - anood - separator - katood" ja kerige need kerimismasinaga silindrilisteks/prismalisteks rakkudeks (keeramise tüüp) või virnastage need virnastava masinaga prismarakkudesse (virnastatud tüüp). Virnastatud tüübil on kõrgem ruumikasutus ja väiksem sisetakistus, kuid madal efektiivsus; haavatüüp on kõrge efektiivsusega ja sobib masstootmiseks.

Korpus/kapseldamine: asetage silindrilised/prismaatilised kõvad{0}}kestaelemendid metallkestadesse (teras-/alumiiniumkestad); asetage kottelemendid alumiinium{1}}plastkomposiitkile kestadesse.

Küpsetamine: Pange kapseldatud rakud vaakumahju ja küpsetage 80-120 kraadi juures 4-8 tundi, et niiskus täielikult rakkudest eemaldada (niiskusesisaldust tuleks reguleerida alla 50ppm), vastasel juhul reageerib see elektrolüüdiga, tekitades kahjulikke gaase.

Elektrolüüdi süstimine: Süstige rakkudesse täpselt mõõdetud kogus elektrolüüti kuivas ruumis , mille kastepunkt on alla -40 kraadi . Elektrolüüt peab täielikult imbuma elektroodilehtedesse ja separaatoritesse. Süstimiskoguse viga tuleks kontrollida ±0,1 g piires, vastasel juhul mõjutab see aku mahtuvust.

Tihendamine: vaakumkuumutus-tihendage kotielementide elektrolüüdi sissepritseport; tihendage kõvade -kestaelementide elektrolüüdi sissepritseavad teraskuulikeste (silindriliste) või tihendusnaeltega (prismakujuliste) ja tagage õhutihedus laserkeevitusega (õhuleke põhjustab elektrolüüdi lendumist ja võimsuse nõrgenemist).

3. Tagasi-Protsess: moodustamine ja testimine (kvalifitseeritud toodete sõelumine)

Moodustumine: Laadige elemente esimest korda, et moodustada anoodi pinnale stabiilne tahke elektrolüüdi liidese (SEI) kile, mis laseb liitiumioonidel läbida, kuid blokeerib elektronid, mis on aku tööea ja ohutuse võti. Laadimisvool on väike (0,1-0,2C) ja aeg pikk (8-12 tundi).

Vananemine: Laske moodustunud rakkudel seista toatemperatuuril või kõrgel temperatuuril (45 kraadi) 3-7 päeva, et stabiliseerida SEI-kile, ja sõeluda välja defektsed rakud koos liigse isetühjenemisega (nt elemendid, mille pingelangus ületab 50 mV).

Võimsuse klassifitseerimine: Tehke vanade elementide standardsed laadimis-tühjenemistestid (laadige ülemise piiri pingeni, tühjendage alumisse piiripingeni), mõõtke tegelikku võimsust ja määrake vastavalt võimsusele (nt aste A: 4950–5050 mAh, aste B: 4850–4950 mAh), et tagada sama rühma elementide ühtlane võimsus.

Sorteerimine: klassifitseerige elemendid selliste parameetrite järgi nagu võimsus, avatud vooluahela pinge ja sisetakistus ning kõrvaldage defektsed tooted (nt liigse sisetakistusega ja ebapiisava võimsusega elemendid).

Välimuse ja jõudluse testimine: Kontrollige elementide välimust (kriimustusi, lekkeid ega deformatsioone pole), viige läbi isolatsioonitakistuse, vahelduvvoolu sisetakistuse ja lühise testid, et tagada ohutusnäitajate vastavus standarditele.

VII. Tööstuse suundumused ja ettevõtlustavad: kus on liitiumpatareide tulevik?

Uue energiatööstuse kiire arenguga jätkab liitiumpatareide tehnoloogia läbimurret ning on tekkinud mitmeid segmenteeritud valdkondadele keskenduvaid ettevõtteid, mis edendavad liitiumakude laiendamist "olmeelektroonika" valdkonnast "tööstus- ja energeetika" valdkondadesse.

1. Tehnoloogiasuunad: vedelast tahkeks, suure võimsusega kuni kõrge ohutuseni

Tahkis{0}}akud: Asendage vedelad elektrolüüdid ja separaatorid tahkete elektrolüütidega, mis parandab oluliselt ohutust (ilma lekke- või termilise äravoolu riskita), energiatihedusega kuni 400-600 Wh/kg (kaks korda suurem olemasolevatest liitiumakudest), mis suudab toetada elektrisõidukeid, mille sõiduulatus on üle 1000 km. Praegu on pooltahked akud (elektrolüüdisisaldusega 5%-10%) jõudnud masstootmise faasi (nt NIO ET7 pool{11}}tahkepatarei versioon) ja kõik-tahkepatareid hakatakse masstootma 2030. aasta paiku.

Kiire laadimise tehnoloogia: saavutage "80% laadimine 10 minutiga" materjalide optimeerimise (nt räni-anoodid, kiirlaadimiselektrolüüdid{3}) ja konstruktsiooni disaini abil. Näiteks Xpeng G9-ga varustatud S4 super{6}}laadimisaku suudab laadida 400 km 10 minutiga.

Kulude vähendamine: tänu laiaulatuslikule-tootmisele (ülemaailmne liitiumaku tootmisvõimsus on ületanud 2 TWh), materjaliuuenduste (nt liitiummangaan-raudfosfaat, mis asendab kolmekomponentset liitiumit) ja protsesside optimeerimise (nt CTP/CTC-tehnoloogia, moodulikomponentide vähendamine) tõttu on aku hind langenud 5 CNY/Wh-lt alla 21,15 CNY/Wh 21,15 CNY/Wh-le. peaks tulevikus veelgi langema 1 CNY/Wh-ni.

2. Ettevõtluspraktika: Zhongchuang Feiyue - Keskendumine kahe-ratastega elektrisõiduki "akude vahetamise revolutsioonile"

Kaherattaliste{0}}elektrisõidukite valdkonnas on liitiumakude kasutust üle minemas laadimiselt aku vahetamisele. Zhongchuang Feiyue (seotud ettevõttega Zhongchuang New Energy Technology Group) on selle suundumuse esindusettevõte. Selle põhitegevused hõlmavad järgmist:

Stsenaariumi{0}}põhised lahendused: pakkuge kõrge -turvalisuse ja pika tööeaga-liitiumakusid selliste stsenaariumide jaoks nagu jagatud elektrijalgrattad, kohene kohaletoimetamine (kaasastoomine, kiirsaadetis) ja isiklikud reisid. Näiteks tarneautode aku tsükli kestus on üle 2000 korra, mis vastab igapäevasele 100 km pikkusele sõiduulatuse vajadusele.

Uuenduslik aku vahetamise mudel: Esitage kontseptsioon "aku vahetamine laadimise asemel on ohutum" ja juurutage akuvahetusjaamad enam kui 100 linnas üle kogu riigi. Kasutajad saavad aku vahetamise lõpule viia vaid 30 sekundiga, lahendades kahe-rattaliste sõidukite "aeglase laadimise ja laadimise ohutusriskide" probleemid, teenindades enam kui 400 miljonit kaherattalistel reisijate{5}}kasutajat.

Tootmisvõimsus ja globaliseerumine: Aastase tootmisvõimsusega üle 5 GWh eksporditakse tooteid enam kui 10 riiki, kohandudes erinevate riikide pingestandardite ja kliimatingimustega (nt Kagu-Aasia kõrge{4}temperatuuri versiooniga akud, mis võivad töötada stabiilselt 60 kraadises keskkonnas).

Järeldus: liitiumakud - energiarevolutsiooni põhimootor

Liitiumakudest on saanud energiarevolutsiooni põhimootor, alates mobiiltelefonidest kuni elektrisõidukiteni, energia salvestamisest kuni madala{0}}kõrguse ökonoomseni. Nende tehnoloogiline areng ei ole seotud ainult seadmete jõudluse parandamisega, vaid ka "kahekordse süsiniku" eesmärgi saavutamise ja energiastruktuuri ümberkujundamisega. Tulevikus, tänu tahkis-akude ja kiirlaadimistehnoloogia läbimurdele ning pidevale kulude vähendamisele, hakkavad liitiumakud mängima rolli rohkemates valdkondades (nagu lennundus ja süvamere -uuringud), pakkudes tugevat tuge inimeste rohelise energia tulevikule.

Tavakasutajate jaoks võib liitiumakude põhiprintsiipide ja jõudlusparameetrite mõistmine aidata meil kasutada akusid teaduslikumalt (nt vältida ülelaadimist ja üle{0}}tühjenemist); Tööstuse praktikute jaoks on tehniliste suundumuste ja stsenaariumivajaduste mõistmine võti liitiumakude "saja{1}}miljardi{2}taseme rajal" võimaluste leidmiseks. Olenemata sellest, kas olete tarbija või praktik, liitiumakude lugu jätkub.