Perspektivenanalyse von Lithiumbatterien, die Bleisäure im Bereich der Autobatterien ersetzen

Blei-Säure-Batterien sind derzeit die Hauptstromquelle für SLI in Kraftfahrzeugen und haben auch viele andere Anwendungen gefunden. Die Vorteile von Lithium-Batterien als SLI-Batterien gegenüber Blei-Säure-Batterien liegen vor allem in ihrer längeren Lebensdauer und höheren Energiedichte. In puncto Sicherheit werden die neue europäische Batterieverordnung zum Einsatz restriktiver Materialien in Fahrzeugen sowie Kosten-, Konstruktions- und Prüfvorgaben berücksichtigt. Auch der Lebenszyklus und das Recycling der beiden Batterien werden berücksichtigt.

1. Batteriewechsel

Im Laufe der Jahre wurden die Chemie- und Herstellungsstandards von Blei-Säure-Batterien relativ schnell an neue Leistungsanforderungen und Herausforderungen angepasst, indem Additive angepasst und bestehende Herstellungsprozesse verbessert wurden, anstatt ein komplett neues Batteriesystem zu entwickeln. In den 1960er Jahren betrug die Lebensdauer einer Blei-Säure-SLI-Batterie etwa 3 Jahre, und im Jahr 2015 kann die Batterie mit steigendem Leistungs- und Anwendungsbedarf bis zu fünf Jahre oder länger halten.

Blei-Säure-Batterien haben ihren Marktanteil gehalten, hauptsächlich weil sie den hohen Strom, der für den Kaltstart des ICE erforderlich ist, die Zyklenbeständigkeit bei hohen Temperaturen, die relativ hohe Sicherheit und die relativ niedrigen Kosten erfüllen können. Wenn Sie an diesem Markt teilnehmen möchten, dann sind dies die Herausforderungen, denen sich jede neue Batterietechnologie stellen muss. In den letzten Jahren wurde die chemische und fertigungstechnische Stabilität von Lithiumbatterien deutlich verbessert, die Kosten kontinuierlich gesenkt und die Leistung kontinuierlich verbessert. Im weiteren Sinne liegen die Hauptvorteile von Lithium-Ionen-SLI-Batterien im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien derzeit in ihrer hohen Energiedichte und langen Lebensdauer.

Lithium-Ionen-SLI-Batterien haben eine ähnliche Leistung wie bestehende Blei-Säure-SLI-Batterien, und es wurden zusätzliche Tests eingeführt, um die Stabilität von Lithium-Ionen-SLI-Batterien zu bewerten. Einschließlich strenger Sicherheitsmaßnahmen, wie Überladungsschutz, Zerstörungstests durch Quetsch- oder Durchstiche, kontinuierliche Entladung und Aufladung bei niedriger Temperatur und Bewertung der Auswirkungen von Lithiumablagerungen.

2. Sicherheitsdesign der Lithium-Ionen-Batterie

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung von Lithium-Ionen-SLI-Batterien besteht darin, wie sicher die Batterie unter Missbrauchs- oder Alterungsbedingungen ist und ob es zu einem thermischen Durchgehen kommt. Viele Tests wurden durchgeführt, um diese Situation zu verhindern, aber nicht alle Situationen sind vorhersehbar. Da durch den Unfall eine übermäßige Beschädigung des Fahrzeuginnenraums entstanden ist, die durch äußere oder innere Brände zum Verbrennen der Batterie führen kann, wird durch die getroffenen Vorkehrungen sichergestellt, dass die beschädigte Batterie keine weiteren Funken verursacht und somit die Brandausbreitung nach Unfall. Ein einzigartiger Faktor der Batterie ist außerdem der interne Kurzschluss (ISC), der aufgrund ihrer Alterung auftreten kann. Einige häufige Zustände, wie die Bildung von Lithiumdendriten, dringen in das Diaphragma ein und verursachen einen Kurzschluss, wodurch das Diaphragma aufgrund von Hitze schrumpft und einen großflächigen Kurzschluss verursacht. Eine weitere Herausforderung für standardisierte Batterieprüfungen besteht darin, dass die äußere Struktur von Lithium-Ionen-Batterien zylindrisch, im Beutel (Softpack) oder quadratisch sein kann. Daher erfordert jeder Batterietyp ein anderes mechanisches Testverfahren. Diese Techniken können verwendet werden, um das Verständnis der Korrelation zwischen Sicherheitstests und Lithium-Ionen-SLI-Batterien zu verbessern.

3. SLI-Batteriedesign

Beim Design von SLI-Batterien stehen verschiedene Elektrodenmaterialien und Batteriekombinationen zur Auswahl. Wenn die Gesamtbatteriespannung jedoch auf typische 12 V begrenzt ist, ist es in diesem Fall möglich, die vorhandene Blei-Säure-Batterie zu ersetzen. Derzeit können nur wenige in Reihe geschaltete Batterien die richtige Batteriespannung erreichen.

Neben der Anforderung, eine Batteriespannung nahe 12 V zu erreichen, müssen andere Faktoren wie die einfache Verfügbarkeit auf dem Verbrauchermarkt berücksichtigt werden. Im Vergleich zu Standard-Blei-Säure-Batterien können diese Materialien kostengünstige SLI-Batterien herstellen. Die Kathodenmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien können in Schicht-, Spinell- und Olivin-Typen unterteilt werden. Das Anodenmaterial ist hauptsächlich Kohlenstoff. Neben der Berücksichtigung der Kompatibilität von Kathoden- und Anodenmaterialien, um die richtige Batteriespannung und Leistungskapazität bereitzustellen, ist die erste der Lithium-Ionen-Batterien Die drei wichtigsten Komponenten sind der Elektrolyt. Für die meisten kommerziellen Batterien werden organische Flüssigelektrolyte zusammen mit löslichen Lithiumsalzen verwendet, die die erforderliche Lithiumionenleitfähigkeit bereitstellen können. Das derzeit am häufigsten verwendete Salz ist LiPF6.

Bei BEV kann die 12-V-Lithium-Ionen-SLI-Batterie verwendet werden, um die Bordelektronik des Fahrzeugs zu warten, wenn das Fahrzeug nicht fährt. Die Verwendung von Blei-Säure-SLI-Batterien in dieser Anwendung ist nicht ideal, da sie in der Regel auf hohe Leistung ausgelegt sind und nicht unbedingt für die Anwendungsszenarien der tiefen Niedrigstromentladung geeignet sind. In dieser Hinsicht gleichen Lithium-Ionen-SLI-Batterien nur die Mängel von Blei-Säure-SLI-Batterien aus.

4. Auslegung Batteriebilanz und Batteriemanagementsystem (BMS)

Im Gegensatz zu Blei-Säure-SLI-Batterien besteht die Herausforderung für die Lithium-Ionen-Batterietechnologie darin, dass sie eine hohe Aufladeeffizienz von fast 95 % aufweisen und strikt innerhalb des Batteriespannungsfensters arbeiten müssen. Wenn Lithium-Ionen-Batterien in Reihe geschaltet und geladen werden, können sie leicht aus dem Batteriespannungsfenster driften, das aktive Material kann irreversible Phasenänderungen erfahren und der Elektrolyt kann beginnen, sich zu zersetzen. Dies wiederum erhöht den Innenwiderstand der Batterie, wodurch der Unwuchteffekt der Batterie erhöht wird. Daher sind das Batteriemanagement und die Überwachung einzelner Batteriepacks bei Lithium-Ionen-Modulen zum Standard geworden und werden in der Regel in das Batteriekastengehäuse eingebaut. Es gibt eine Vielzahl von BMS-Systemen auf dem Markt, von denen viele auf spezielle Chemikalien für Lithium-Ionen-Batterien zugeschnitten sind. Die einfachste und kostengünstigste Lademethode ist die Begrenzung der Ladung des Serien-Akkupacks. Eine bessere Methode besteht darin, die Energieumverteilung zwischen den Batterien zu ermöglichen, sobald die Batterie ihre obere Spannungsgrenze erreicht, um zu verhindern, dass eine einzelne Batterie überladen wird und Sicherheitsprobleme verursacht.

5. Die Kosten der Batterie

Im Vergleich zu bestehenden Technologien besteht eine der Hauptherausforderungen von Lithium-Ionen-SLI-Batterien darin, den Verbrauchern einen wettbewerbsfähigen Preis zu bieten. Forscher arbeiten intensiv daran, die Fragen der Wertschöpfungskette bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien zu untersuchen. Derzeit werden fast 60 % der Batteriekosten auf inaktive Materialien wie Stromabnehmer, Separatoren und Batteriegehäuse entfallen. Die zusätzlichen Kosten entstehen durch die Festelektrolyt-Interphase (SEI). ) Zeit und Energie, die für den Bildungsprozess aufgewendet wird.

6. Richtlinien und Gesetze

Die Hauptantriebskräfte der Technologie werden in der Regel von bestimmten nationalen und internationalen Gesundheits- und Sicherheitspolitiken begleitet, gefolgt von Rechtsvorschriften. Dabei werden in der Regel bestimmte Chemikalien oder chemisches Zubehör verwendet, die als schädlich für Mensch und Umwelt gelten. Gerade wenn diese Schadstoffe in Fahrzeugen eingesetzt werden, sollte ihr konstruktives Konzept in der Lage sein,"grünes Recycling" zu erreichen, d.h. sie lassen sich so zerlegen, dass verschiedene Materialien wiederverwendet, recycelt oder sicher entsorgt werden können ohne die Umwelt zu belasten.

7.Standards und Spezifikationen

Im Laufe der Jahrzehnte sind Spezifikationen und Standards entstanden und sukzessive weiterentwickelt worden, um sich der Leistung und Sicherheit fast aller Batterieanwendungen, einschließlich SLI-Batterien für Fahrzeuge, anzupassen. Andererseits kann sich die Gesetzgebung bestimmter Länder oder Regionen auf Normen beziehen, wenn es um bestimmte Anforderungen geht, die sich in der Regel direkt auf die Sicherheit und Gesundheit der Gemeinschaft und der Umwelt auswirken. Die United States Advanced Battery Alliance (USABC) hat ein Batterietesthandbuch (Revision 2) für das US Department of Energy (DoE) erstellt.

8. Batterierecycling

Derzeit ein Unternehmen mit einer gewissen Stärke im Recycling von Lithium-Ionen-Batterien.

Das Obige fasst zusammen, dass einige große Unternehmen aktiv am etablierten Recyclingprozess von Lithium-Ionen-Batterien im industriellen Maßstab teilnehmen. Die Recyclingkapazität der aufstrebenden Recyclingindustrie wird sich in den nächsten 7 bis 10 Jahren mindestens verfünffachen.

9. Schlussfolgerungen und Aussichten

Dieser Artikel fasst einige Faktoren zusammen, um Blei-Säure-SLI-Batterien durch Lithium-Ionen-SLI-Batterien zu ersetzen, was in den nächsten Jahren ein schrittweiser Prozess sein wird. Mit dem massiven Einsatz von erneuerbaren Energiesystemspeichern wird der Einsatz von Blei-Säure-Batterien weiter zunehmen, und der Schwerpunkt von Lithium-Ionen-SLI-Batterien wird in mittleren bis oberen ICE-Fahrzeugen in Europa eingesetzt, einige von die sich in Asien und den USA befinden. Für viele kleine und günstige ICE-Fahrzeuge wird weiterhin die Blei-Säure-SLI-Batterie verwendet, da die Kosten für den Batteriewechsel immer ausschlaggebend sein werden. Darüber hinaus wird der globale Verbrauchermarkt die Verwendung von"Kreislaufwirtschaft" Produkte, die sich auf die Reduzierung von Umweltabfällen konzentrieren und gleichzeitig das Recycling von Rohstoffen erhöhen. Obwohl das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien noch in den Kinderschuhen steckt, haben China, Japan und andere Länder bereits große Initiativen ergriffen. Die Vereinigten Staaten, Australien und europäische Länder haben alle die neuen Funktionen des Recyclings von Materialien in Lithium-Ionen-Batterien demonstriert. Diese Recyclingprozesse werden in den nächsten fünf bis fünf Jahren stattfinden. Perfekt in zehn Jahren.