Baterii cu litiu-ion: definiții, clasificare, principii de funcționare și aplicații în stocarea energiei și fotovoltaică

Pe fundalul adoptării rapide a noilor stocări de energie, a generării de energie fotovoltaică, a vehiculelor electrice și a dispozitivelor electronice portabile, bateriile cu litiu au devenit mediul cel mai utilizat pentru stocarea energiei electrochimice. În timp ce termenul este adesea folosit în mod colocvial ca o captură-toate pentru diverse produse pe bază de-litiu, din punct de vedere tehnic, „baterii cu litiu” cuprind două categorii distincte-baterii cu litiu primare și baterii cu litiu-ion{-care diferă semnificativ în ceea ce privește performanța, caracteristicile și scenariile de aplicare. Bateriile cu litiu-ion, care se disting prin capacitatea lor de a suferi cicluri repetate de încărcare-descărcare și densitatea lor ridicată de energie, au apărut ca alegere principală atât pentru aplicațiile de consum, cât și pentru cele industriale.

 

În sens strict, bateriile cu litiu „Flash Battery” se referă în mod special la bateriile cu litiu primare-ne-reîncărcabile, de unică-pilule. Structura lor folosește de obicei litiu metalic sau aliaje de litiu pentru electrozi, împreună cu o soluție de electrolit ne-apoasă. Bateriile primare convenționale cu litiu utilizează dioxid de mangan ca catod și litiu metalic pur ca anod, rezultând o reactivitate chimică ridicată. Folosind caracteristicile de înaltă energie ale chimiei primare a litiului, aceste baterii sunt potrivite pentru aplicații specifice care necesită o livrare precisă a energiei în scenarii de unică-utilizare; cu toate acestea, datorită proprietăților lor materiale, nu pot fi reutilizate.

 

 

Natura chimică foarte reactivă a litiului metalic a fost factorul principal care limitează adoptarea pe scară largă a bateriilor tradiționale cu litiu primare. Litiul metalic pur impune cerințe extrem de stricte în ceea ce privește producția, condițiile de depozitare și mediile operaționale; reacționează ușor cu aerul și umiditatea, prezentând riscuri de siguranță care au împiedicat de multă vreme industrializarea la scară largă-a bateriilor cu litiu de unică folosință. În schimb, celulele bateriilor reîncărcabile cu litiu-ion au depășit în mod fundamental aceste blocaje tehnologice, permițând reciclarea și introducând noua eră a energiei pe bază de litiu-.

 

Bateriile reîncărcabile cu litiu utilizate în prezent pe scară largă reprezintă standardul evoluat al industriei. Acestea funcționează prin intercalarea și de{1}}intercalarea (migrarea) ionilor de litiu între catod și anod în timpul ciclurilor de încărcare și descărcare; deoarece litiul metalic pur nu este implicat în reacție, siguranța și stabilitatea sunt semnificativ îmbunătățite. Aceste baterii reîncărcabile alimentează o gamă largă de aplicații, de la electronice de larg consum și echipamente industriale până la vehicule cu energie nouă.

 

Decenii de evoluție tehnologică au condus la dezvoltarea diferitelor sisteme de materiale catodice pentru baterii cu litiu-ion, pentru a se potrivi diferitelor nevoi operaționale; în special, fosfatul de fier litiu (LFP) a apărut ca material de bază pentru stocarea energiei industriale. Materialele catodice obișnuite includ oxid de litiu cobalt, oxid de litiu mangan, oxid de litiu nichel și fosfat de litiu fier; alegerea materialului determină siguranța bateriei, durata de viață și densitatea energiei. Datorită siguranței lor superioare și ciclului de viață excepțional de lung, celulele LFP au devenit alegerea preferată pentru aplicațiile de stocare a energiei și forță motrice.

 

Bateriile cu litiu-ion sunt clasificate în funcție de starea lor de electroliți în tipuri de electroliți-lichizi și de polimeri-. Bateriile cu electrolit lichid-utiliză un electrolit lichid; prezintă tehnologie matură și costuri gestionabile, făcându-le alegerea principală pentru bateriile de vehicule cu energie noi. Bateriile cu electrolit polimer-utiliză un electrolit polimer solid în stare uscată sau gel-, oferind un factor de formă mai subțire, mai ușor și o siguranță sporită. Celulele LFP combină chimia fosfatului de litiu și fier cu procese de fabricație mature, echilibrând performanța și costurile pentru a se potrivi diferitelor aplicații de-cu putere mare.

 

Comercializate în 1992, bateriile cu litiu-ion-cu avantaje cum ar fi densitatea ridicată a energiei, absența efectului de memorie și ratele scăzute de auto-descărcare-au înlocuit complet bateriile tradiționale cu plumb-acid și bateriile cu litiu primare-generația timpurie. În comparație cu bateriile tradiționale, acceptă cicluri repetate de încărcare-descărcare și oferă o durată de viață semnificativ extinsă, făcându-l potrivit pentru scenarii care necesită funcționare continuă, pe termen lung. Industria de stocare a energiei din baterii a realizat implementarea de rutină-la scară largă a centralelor de stocare a energiei.