Сьогодні літієві батареї використовуються для електрифікації дедалі ширшого спектру застосувань. Спочатку це були телефони, комп’ютери та невеликі інструменти, але поступово вони еволюціонували в напрямку електрифікації гібридних або повністю електричних транспортних засобів, і сьогодні все більше виробників промислових машин і електромобілів звертаються до цієї технології для переведення своїх автопарків на електрику в найрізноманітніших галузях, таких як логістика, вантажно-розвантажувальні роботи, будівництво, повітряні платформи, сільське господарство, транспортні засоби в аеропортах і судноплавство, і це лише деякі з них.
Тому зараз, як ніколи раніше, вибір правильної літієвої батареї для вашого транспортного засобу став складним, але необхідним завданням, особливо з огляду на останні положення Європейського парламенту, який схвалив заборону на продаж бензинових і дизельних автомобілів з 2035 року.
Літієві батареї, однак, не всі однакові! Існує багато елементів, які впливають на створення найбільш підходящої батареї для конкретного застосування. На ринку доступно багато різних типів літієвих батарей; але за напругою, ємністю і розміром літієвої батареї стоїть дійсно складний шлях, що складається з досліджень, розробок, технічних випробувань і, перш за все, вибору правильного хімічного складу, який може бути більш-менш придатним для потреб вашого транспортного засобу.
6 НАЙПОШИРЕНІШИХ ХІМІЧНИХ РЕЧОВИН НА ОСНОВІ ЛІТІЮ ТА ЇХНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Зараз ми детальніше оглянемо 6 основних типів літієвих батарей та їх хімічний склад:
Склад і характеристики літієвих батарей з хімічним складом LCO:
Літій – Кобальт – Оксид (LiCoO 2 )
Літієві батареї з хімічним складом LCO є найновішими, в основному використовуються для електронних пристроїв і мобільних додатків, і складаються з катода з оксиду кобальту (позитивний електрод) і графіт-вуглецевого анода (негативний електрод).
Перевага цього хімічного складу полягає в тому, що він має високу питому енергію і ідеально підходить для середніх і малих акумуляторів, які здатні добре працювати, щоб їх можна було заряджати дуже швидко.
LCO-батареї фактично є найпоширенішими для смартфонів, цифрових камер і портативних ноутбуків.
З іншого боку, їх використання в основному обмежується не надто великими пристроями через обмеження безпеки. Крім того, вони мають досить низький струм розряду, що може призвести до їх швидкого перегріву при високих навантаженнях. Вони також містять високу частку кобальту, дорогого елемента, який важко знайти і який пов’язаний з великими етичними проблемами при видобутку, і саме тому все більше виробників зараз намагаються обійтися без нього або максимально обмежити його використання.
Номінальна напруга: 3,6 В
Гравіметрична щільність: 200 Вт/кг
Енергетична щільність: 400 Вт/л
Повний життєвий цикл: 500 – 1,000
Швидкість розряду: 1C
Склад і характеристики літієвих батарей з хімічним складом LMO:
Літій – Марганець – Оксид (LiMn 2 O 4 )
Літієві батареї з хімічним складом LMO працюють дуже схоже на ті, що використовують технологію LCO. Вони широко використовуються в невеликих пристроях, таких як електроінструменти.
Основною характеристикою LMO-батарей є їх здатність забезпечувати велику кількість енергії за короткий час. LMN батареї складаються з катода з оксиду марганцю і графітового анода.
Вони часто використовуються для електровелосипедів, в садівництві, медичному обладнанні та електроінструментах, таких як дрилі та шуруповерти.
LMO-батареї мають вищу термостійкість, ніж батареї з хімічним складом LCO, але обмежені своєю ємністю, яка нижча, ніж у систем на основі кобальту.
Номінальна напруга: 3,7 В
Питома енергія: 150 Вт/кг
Щільність енергії: 350 Вт-год/л
Повний життєвий цикл: 300 – 700
Швидкість розряду: 1C, 10 C
Склад і характеристики літієвих батарей з хімічним складом LFP:
Літій – Залізо – Фосфат (LiFePO4)
Хімія LFP найкраще відповідає специфічним потребам промислового сектора, де не потрібна надмірна питома енергія, але є потреба в дуже високій безпеці і тривалих життєвих циклах. Таким чином, ми говоримо про дуже широкий світ, починаючи від автоматизації, робототехніки, логістики, будівництва, сільського господарства, судноплавства, електромобілів, закінчуючи транспортними засобами аеропортів, повітряними платформами і спеціальним автотранспортом.
Насправді, батареї з хімічним складом LFP є найбезпечнішими і найстабільнішими на сьогоднішньому ринку, і доступні у форматах великої ємності, як того вимагають промислові системи, без необхідності паралельного з’єднання багатьох маленьких елементів, що знизило б їх стабільність і поставило б під загрозу безпеку транспортного засобу.
Життєвий цикл батареї з LFP-хімією сьогодні перевищує 3500 циклів, а при наявності хорошої системи BMS може легко перевищити 4000, а в майбутньому можна очікувати навіть більше 6000 циклів.
Але ми повинні бути обережними, коли ми говоримо про “життєві цикли”, ми не повинні думати, що після 3500 циклів батарея повністю виснажена. Насправді, важливо пам’ятати, що кінцем терміну служби батареї на транспортному засобі завжди вважається 80% ємності, що залишилася, але у неї ще буде багато можливостей для використання в інших сферах, наприклад, для зберігання енергії.
Ще однією перевагою хімії LFP, окрім притаманної їй безпеки та тривалого життєвого циклу, є те, що вона має пласку криву розряду. На зображенні нижче крива має тенденцію до зростання. Це так звана крива заряджання, тоді як спадні криві вказують на напругу акумулятора під час розряджання. Таким чином, діапазон напруги від 100 % до 0 % дуже схожий, і це фундаментальний факт, оскільки він дозволяє машинам і промисловим транспортним засобам гарантувати однакову продуктивність від початку до кінця розряду.
Номінальна напруга: 3,2 В
Гравіметрична густина: 170 Вт/кг
Енергетична щільність: 350 Вт/л
Повний життєвий цикл: > 4000
Швидкість розряду: 1C/3C
З іншого боку, ця перевага може перетворитися на недолік, оскільки через пласку криву зчитування лише напруг ускладнить визначення правильного SOC (стану заряду). Щоб уникнути цього обмеження, система BMS, що керує батареєю, повинна бути розроблена розумно, щоб забезпечити правильний стан заряду і виконувати функції балансування найкращим чином.
Однією з багатьох переваг цієї хімії є повна відсутність кобальту, матеріалу, який, як ми вже згадували, є токсичним, одним з найбільш шкідливих для навколишнього середовища. Багато виробників літієвих батарей зараз намагаються зменшити відсоток кобальту в своїх батареях, тому хімічний склад LFP, який не містить кобальту, починається з великої переваги.
Хоча ще кілька років тому здавалося, що про LFP-батареї судилося забути, оскільки їхня щільність енергії була дуже низькою – близько 100 Вт/кг, сьогодні ця технологія буквально відродилася з попелу завдяки дуже значному збільшенню щільності енергії, яка за короткий час досягла 170 Вт/кг, що викликало значний інтерес з боку автомобільного світу. Подальше збільшення гравіметричної щільності до 220/230 Вт/кг очікується вже в найближчі роки.
Саме тому багато автовиробників вирішили знову впровадити хімію LFP для електрифікації своїх автомобілів, насамперед Tesla, яка наразі використовує її у своїх автомобілях “стандартної лінійки”, оскільки вона гарантує кращий рівень безпеки при дещо нижчій вартості, ніж хімія NMC, що використовується для високопродуктивних автомобілів. Як і Tesla, BYD, Volkswagen та багато інших великих автовиробників бачать великий потенціал у хімії LFP.
Склад і характеристики літієвих акумуляторів з хімічним складом NMC:
Нікель – Марганець – Кобальт (LiNixMnyCozO2)
На сьогоднішній день акумулятори з хімічним складом NMC залишаються найбільш часто використовуваними в автомобільному секторі.
За допомогою цієї хімії можна досягти дуже високої питомої енергії до 220 – 240 Вт-год/кг. Це, безумовно, є вирішальною конкурентною перевагою для автомобіля, оскільки дозволяє зберігати велику кількість енергії при малій вазі і об’ємі, дозволяючи встановлювати в транспортний засіб більше енергії, ніж інші технології на основі літію.
Існують різні типи хімічного складу NMC:
NMC 111 (нікель 33,3% – марганець 33,3% – кобальт 33,3%)
NMC 622 (нікель 60% – марганець 20% – кобальт 20%)
НМC 811 (нікель 80% – марганець 10% – кобальт 10%)
Номінальна напруга 3,6 В
Гравіметрична щільність: 220 Вт/кг
Щільність енергії: 500 Вт/л
Повний життєвий цикл: 2000
Швидкість розряду: 2C/3C
Після абревіатури NMC стоять три цифри, які вказують на відсоткове співвідношення елементів, що використовуються для катода. NMC 811 є найновішими: вони мають високу концентрацію нікелю і дуже низький вміст марганцю та кобальту. Це призводить до вищої щільності енергії за нижчої вартості. На противагу цьому, більш поширеними є елементи NMC 622 і старіші 111, які зараз рідко використовуються.
Тому зрозуміло, що технологія NMC у своєму розвитку також поставила перед собою амбітну мету максимально зменшити вміст кобальту, але це все ще дуже трудомісткий процес, оскільки кобальт є елементом, який надає системі стабільності і збільшує життєвий цикл.
Однак дослідження не припиняються, навпаки, вже є компанії, які експериментують з новими інноваційними технологіями в цьому відношенні, такі як, наприклад, Svolt, яка нещодавно оголосила про створення першого елемента NMX, повністю вільного від кобальту.
Склад і характеристики літієвих батарей з хімічним складом NCA:
Акумулятори з хімічним складом NCA також використовуються в автомобільному секторі нарівні з NMC акумуляторами. Їх рейтинг безпеки трохи нижчий, ніж у NMC, але в той же час вони мають дуже високу щільність енергії, що досягає 250-300 Вт/кг. Структура елемента NCA дуже схожа на структуру елемента NMC 811, з високим вмістом нікелю і низьким вмістом кобальту та алюмінію.
Завдяки своїй високій здатності зберігати енергію, літієві батареї NCA часто використовуються в сумішах з хімікатами NMC для досягнення компромісу між щільністю енергії, безпекою і стабільністю.
Номінальна напруга 3,6 В
Гравіметрична щільність: 250 Вт/кг
Щільність енергії: 550 Вт/л
Повний життєвий цикл: 1000
Швидкість розряду: 2C/3C
Склад і характеристики літієвих батарей з хімічним складом LTO
Титанат літію (Li4Ti5O12)
Це хімічна речовина, про яку ще мало говорять, але вона видається дуже перспективною з точки зору життєвого циклу, оскільки низька внутрішня напруга і відсутність механічних навантажень дозволяють їй деградувати дуже мало, легко досягаючи 15 000 – 20 000 циклів. Через цю особливу перевагу його можна було б використовувати для електрифікації автомобілів і транспортних засобів, що піддаються дуже інтенсивному використанню, але в даний час він все ще має деякі проблеми, які обмежують його використання і поширення.
Слабких місць у нього 2:
1. Низька щільність енергії (177 Вт-год/л) і гравітаційна щільність (60-70 Вт-год/кг), а також нижча номінальна напруга 2,4 В або 2,8 В: це означає, що для досягнення потрібної напруги батареї потрібно більше послідовно з’єднаних елементів.
2. Наразі дуже висока вартість, що відображається в невеликій кількості світових виробників LTO-елементів, що, ймовірно, пов’язано з поточними низькими обсягами попиту на ринку.
З іншого боку, до її переваг можна віднести не тільки тривалий термін служби, але й широкий температурний діапазон, а також відмінну сприйнятливість до потужного заряджання і розряджання, тобто високий коефіцієнт C-Rate (відношення струму до номінальної ємності).
Ідеальним застосуванням технології LTO є використання у важких умовах експлуатації, таких як AGV (автоматизовані керовані транспортні засоби): уявіть собі парк самокерованих навантажувачів, що працюють 24/7, які також використовують переваги швидкої зарядки, щоб зменшити час простою і, відповідно, підвищити ефективність заводу.
Номінальна напруга 2,4 В
Гравіметрична щільність: 70 Вт/кг
Щільність енергії: 177 Вт/л
Повний життєвий цикл: 15000 – 20000
Швидкість розряду: 4C/8C
ВІД ТЕОРІЇ ДО ПРАКТИКИ: ВИКОРИСТАННЯ ПРАВИЛЬНОЇ ЛІТІЄВОЇ ХІМІЇ ДЛЯ КОЖНОГО ЗАСТОСУВАННЯ
Ми описали 6 основних типів хімічних речовин на основі літію, які наразі найбільш широко використовуються в різних сферах електрифікації. Але не варто думати, що ці хімікати конкурують між собою, зовсім навпаки! Всі вони цінні та високоефективні, але кожна літієва хімія працює найкраще в різних сферах використання.
Ця діаграма показує порівняння різних характеристик хімічних речовин з точки зору:
Питома енергія або гравіметрична щільність [Вт-год/кг]: відношення кількості енергії, що міститься (Вт-год = V x Ah), до ваги акумулятора.
Безпека: тісно пов’язана з термічною стабільністю, оскільки іскробезпека дуже сильно залежить від того, наскільки термічно стабільні компоненти.
Швидкість заряду: швидкість заряду/розряду, тобто співвідношення між струмом заряду або розряду (А) і номінальною ємністю елемента (А-год). Цей параметр тісно пов’язаний зі здатністю елемента генерувати енергію.
Життєвий цикл: Кількість разів, яку елемент можна розряджати і заряджати до закінчення терміну служби, зазвичай вважається, коли залишкова ємність досягає 80%.
Вартість
Як вибрати найбільш підходящий тип літієвої хімії
Тому ми намагаємося детально пояснити, чому слід вибирати ту чи іншу хімічну речовину залежно від типу застосування, яке потрібно електрифікувати.
NMC і NCA акумулятори для автомобільної галузі
Чому NMC і NCA ширше використовуються в автомобільному секторі? Тому що для цього потрібна дуже висока щільність енергії, яка може дати велику потужність в невеликому просторі. Таким чином, в електромобільності щільність енергії, гравітаційна щільність і питома потужність є важливими елементами, де швидкість заряджання вважається ключовим моментом, разом з високою потужністю прискорення, особливо в моделях преміум-класу. Тому інші експлуатаційні характеристики, такі як, наприклад, тривалий термін служби батареї, не мають вирішального значення в цьому секторі, просто тому, що вони не є необхідними!
Насправді вкрай малоймовірно, що автомобіль буде здійснювати кілька циклів за один день, якщо не кілька днів на рік у разі тривалої подорожі. Навпаки, автомобіль зазвичай використовує лише 20-30% свого заряду за день.
Якщо ми візьмемо, наприклад, Tesla, яка може проїхати більше 400 км на одному заряді: якщо ми розглянемо термін служби в 400 000 км, це означає, що загальна кількість циклів, які повинна витримати батарея, складе всього 1 000 (400 000 / 400 = 1 000 циклів). Це пояснює, чому життєві цикли для батареї з хімією NMC не перевищують 2 000 (ще менше в хімії NCA, де життєві цикли доходять до 1 000).
Акумулятори LFP і LTO для промислового сектора
У промисловості, сільському господарстві або навіть для електрифікації спеціальних транспортних засобів, особливо якщо мова йде про високоциклічні застосування, які створюють навантаження на батарею, краще використовувати такі хімічні речовини, як LFP і LTO, де термін служби, надійність і безпека є найважливішими вимогами.
Таким чином, в промисловому світі питання простору є меншим обмеженням, так само як і надмірна продуктивність або щільність енергії не є обов’язковими. При оцінці вибору правильного хімічного складу в гру вступає більш важливий фактор безпеки – аспект, на який мало хто хоче і може піти на компроміс.
Краще мати батарею, яка трохи об’ємніша, але забезпечує оптимальну безпеку і має значно довший термін служби. Існують транспортні засоби, такі як LGV і AGV, які повинні використовуватися інтенсивно і працювати безперервно цілодобово, в результаті чого їхні акумулятори будуть робити навіть 3 або 4 цикли зарядки за один день. Тому хімія LFP з легкістю підтримає їх більш ніж 4 000 циклів перезарядки.
Якщо потрібні акумулятори для стаціонарного зберігання, то щільність енергії майже нічого не означає, і, навпаки, вартість акумулятора і термін його служби будуть визначальними факторами при виборі хімічного складу. Тоді хімія LFP знайшла б своє місце.
LCO і LMO акумулятори для невеликих мобільних додатків
Зрештою, якщо потрібна дуже маленька батарея для використання в інструментах і мобільних додатках, то її основною характеристикою повинна бути легка вага, інакше занадто велика вага вплине на продуктивність всього додатка. У цьому випадку можна вибрати такі хімічні речовини, як LCO і LMO, і піти на компроміс з меншим терміном служби або деякими додатковими ризиками для безпеки (враховуючи, що це невелика батарея), щоб мати можливість надати продукту необхідні характеристики для виходу на ринок.
BMS ПОКРАЩУЄ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБРАНОГО ХІМІКАТУ
Такі діаграми дуже корисні для того, щоб дати загальне уявлення про характеристики кожної хімії, і ці аспекти залишаються актуальними з плином часу. Однак слід пам’ятати, що на кількісному рівні ми говоримо про суто орієнтовні дані через важливий аспект, який ніколи не можна недооцінювати: технологічну еволюцію.
Як технологія, так і інновації в широкому сенсі є поняттями, що постійно розвиваються, і через них хімія також розвивається дуже швидко, і кожна з них, після відповідних досліджень і розробок, може, в свою чергу, розвиватися в інші варіанти, щоб покращити ту чи іншу характеристику (наприклад, досягти високої щільності енергії, можливо, на шкоду потужності або життєвому циклу).
Саме тому важливо постійно бути в курсі подій і, якщо немає досвіду, покладатися на досвідченого виробника, який може вивчити і спроектувати батарею відповідно до конкретних вимог застосування, яке потрібно електрифікувати.
Але хімія – не єдиний визначальний елемент у визначенні правильної роботи літієвої батареї: продуктивність батареї також залежить від іншого важливого елемента – системи управління батареєю (BMS). Інтелектуальна система керування акумулятором, по суті, може використовувати характеристики обраного хімічного складу в повній мірі, гарантуючи надійність і однакову продуктивність протягом тривалого часу, керуючи і контролюючи всіма пристроями, які працюють навколо батареї.
