Κυψέλες μπαταριών ιόντων λιθίου-: Ορισμοί, ταξινόμηση, αρχές λειτουργίας και εφαρμογές στην αποθήκευση ενέργειας και τα φωτοβολταϊκά

Στο πλαίσιο της ταχείας υιοθέτησης της νέας αποθήκευσης ενέργειας, της παραγωγής φωτοβολταϊκής ενέργειας, των ηλεκτρικών οχημάτων και των φορητών ηλεκτρονικών συσκευών, οι μπαταρίες λιθίου έχουν γίνει το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο μέσο αποθήκευσης ηλεκτροχημικής ενέργειας. Ενώ ο όρος χρησιμοποιείται συχνά στην καθομιλουμένη ως σύλληψη-όλα για διάφορα προϊόντα με βάση το λίθιο-, από τεχνική άποψη, οι "μπαταρίες λιθίου" περιλαμβάνουν δύο διακριτές κατηγορίες-κύριες μπαταρίες λιθίου και μπαταρίες ιόντων λιθίου-που διαφέρουν σημαντικά ως προς τα χαρακτηριστικά, τα χαρακτηριστικά και την εφαρμογή. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου-, που διακρίνονται από την ικανότητά τους να υποβάλλονται σε επαναλαμβανόμενους κύκλους εκφόρτισης-και την υψηλή ενεργειακή τους πυκνότητα, έχουν αναδειχθεί ως η κύρια επιλογή τόσο για καταναλωτικές όσο και για βιομηχανικές εφαρμογές.

 

Με την αυστηρή έννοια, οι μπαταρίες λιθίου "Flash Battery" αναφέρονται συγκεκριμένα σε κύριες μπαταρίες λιθίου-μη-μη επαναφορτιζόμενες, μίας-χρήσης κυψέλες. Η δομή τους συνήθως χρησιμοποιεί μέταλλο λιθίου ή κράματα λιθίου για τα ηλεκτρόδια, σε συνδυασμό με ένα μη-υδατικό διάλυμα ηλεκτρολύτη. Οι συμβατικές πρωτογενείς μπαταρίες λιθίου χρησιμοποιούν διοξείδιο του μαγγανίου ως κάθοδο και καθαρό μέταλλο λιθίου ως άνοδο, με αποτέλεσμα υψηλή χημική αντιδραστικότητα. Αξιοποιώντας τα υψηλά ενεργειακά χαρακτηριστικά της πρωτογενούς χημείας λιθίου, αυτές οι μπαταρίες είναι κατάλληλες για συγκεκριμένες εφαρμογές που απαιτούν παροχή ισχύος ακριβείας σε σενάρια μιας χρήσης-. Ωστόσο, λόγω των υλικών τους ιδιοτήτων, δεν μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν.

 

 

Η εξαιρετικά δραστική χημική φύση του μεταλλικού λιθίου ήταν ο πρωταρχικός παράγοντας που περιορίζει την ευρεία υιοθέτηση των παραδοσιακών πρωτογενών μπαταριών λιθίου. Το καθαρό μεταλλικό λίθιο επιβάλλει εξαιρετικά αυστηρές απαιτήσεις όσον αφορά την κατασκευή, τις συνθήκες αποθήκευσης και τα λειτουργικά περιβάλλοντα. αντιδρά εύκολα με τον αέρα και την υγρασία, θέτοντας κινδύνους για την ασφάλεια που εμποδίζουν εδώ και καιρό τη μεγάλης κλίμακας-εκβιομηχάνιση των μπαταριών λιθίου μιας χρήσης. Αντίθετα, οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες-ιόντων λιθίου έχουν ξεπεράσει θεμελιωδώς αυτά τα τεχνολογικά προβλήματα, επιτρέποντας την ανακύκλωση και εγκαινιάζοντας τη νέα εποχή της ενέργειας με βάση το λίθιο-.

 

Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λιθίου σε ευρεία χρήση αντιπροσωπεύουν το εξελιγμένο πρότυπο της βιομηχανίας. Λειτουργούν μέσω της παρεμβολής και της απο{1}}παρέμβασης (μετανάστευσης) ιόντων λιθίου μεταξύ της καθόδου και της ανόδου κατά τη διάρκεια των κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης. Δεδομένου ότι το καθαρό μεταλλικό λίθιο δεν εμπλέκεται στην αντίδραση, η ασφάλεια και η σταθερότητα βελτιώνονται σημαντικά. Αυτές οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες τροφοδοτούν μια τεράστια γκάμα εφαρμογών, που κυμαίνονται από ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης και βιομηχανικό εξοπλισμό έως οχήματα νέας ενέργειας.

 

Δεκαετίες τεχνολογικής εξέλιξης οδήγησαν στην ανάπτυξη διαφόρων συστημάτων καθοδικών υλικών για μπαταρίες ιόντων λιθίου-για να ταιριάζουν σε διαφορετικές λειτουργικές ανάγκες. Συγκεκριμένα, ο φωσφορικός σίδηρος λιθίου (LFP) έχει αναδειχθεί ως βασικό υλικό για την αποθήκευση βιομηχανικής ενέργειας. Τα κοινά υλικά καθόδου περιλαμβάνουν οξείδιο κοβαλτίου λιθίου, οξείδιο λιθίου μαγγανίου, οξείδιο λιθίου νικελίου και φωσφορικό σίδηρο λιθίου. Η επιλογή του υλικού καθορίζει την ασφάλεια, τη διάρκεια του κύκλου και την ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας. Χάρη στην ανώτερη ασφάλεια και την εξαιρετικά μεγάλη διάρκεια ζωής τους, οι κυψέλες LFP έχουν γίνει η προτιμώμενη επιλογή για εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας και κινητήριας δύναμης.

 

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου- κατηγοριοποιούνται ανάλογα με την κατάσταση ηλεκτρολύτη τους σε τύπους υγρών-ηλεκτρολυτών και πολυμερών-ηλεκτρολυτών. Οι μπαταρίες υγρών-ηλεκτρολυτών χρησιμοποιούν έναν υγρό ηλεκτρολύτη. διαθέτουν ώριμη τεχνολογία και διαχειρίσιμο κόστος, καθιστώντας τα την κύρια επιλογή για μπαταρίες οχημάτων νέας ενέργειας. Οι μπαταρίες πολυμερών-ηλεκτρολύτη χρησιμοποιούν έναν στερεό πολυμερή ηλεκτρολύτη σε ξηρή κατάσταση ή τζελ-, προσφέροντας λεπτότερη, ελαφρύτερη μορφή και βελτιωμένη ασφάλεια. Τα κύτταρα LFP συνδυάζουν τη χημεία του φωσφορικού σιδήρου λιθίου με τις ώριμες διαδικασίες παραγωγής, εξισορροπώντας την απόδοση και το κόστος για να ταιριάζουν σε διάφορες εφαρμογές υψηλής ισχύος-.

 

Διατέθηκαν στο εμπόριο το 1992, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου-με πλεονεκτήματα όπως η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, η απουσία εφέ μνήμης και οι χαμηλοί ρυθμοί αυτο-αποφόρτισης-έχουν αντικαταστήσει πλήρως τις παραδοσιακές μπαταρίες μολύβδου-οξέος και τις πρώιμες μπαταρίες λιθίου πρώιμης-γενιάς. Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μπαταρίες, υποστηρίζει επαναλαμβανόμενους κύκλους εκφόρτισης-και προσφέρει σημαντικά εκτεταμένη διάρκεια ζωής, καθιστώντας την κατάλληλη για σενάρια που απαιτούν μακροχρόνια-συνεχή λειτουργία. Η βιομηχανία αποθήκευσης ενέργειας από μπαταρίες έχει επιτύχει τη-ευρεία, τακτική ανάπτυξη σταθμών παραγωγής ενέργειας αποθήκευσης ενέργειας.