ניתוח פוטנציאלי של מצברי ליתיום החלפת חומצת עופרת בתחום מצברי הרכב

סוללות חומצת עופרת הן כיום מקור החשמל העיקרי ל- SLI ברכבים מנועים, והן זכו גם ליישומים רבים אחרים. היתרונות של סוללות ליתיום כסוללות SLI במקום סוללות חומצה עופרת טמונות בעיקר בחייהן הארוכים יותר ובצפיפות האנרגיה הגבוהה יותר. מבחינת בטיחות, נשקלות תקנות הסוללה האירופיות החדשות על שימוש בחומרים מגבילים ברכבים, כמו גם עלות, עיצוב ומפרט בדיקה. מחזור החיים והמיחזור של שתי הסוללות נלקחים בחשבון גם כן.

1. החלפת סוללה

במהלך השנים הותאמו תקני הכימיה והייצור של סוללות חומצה עופרת לדרישות הספק חדשות ואתגרים במהירות יחסית על ידי התאמת תוספים ושיפור תהליכי ייצור קיימים, במקום לנסות לעצב מחדש מערכת סוללות חדשה לגמרי. בשנות ה -60, חיי השירות של סוללת SLI חומצת עופרת היו כ -3 שנים, ועד 2015, ככל שיגדלו דרישות ההספק והיישום, הסוללה עשויה להימשך עד חמש שנים או יותר.

סוללות חומצת עופרת שמרו על נתח שוק, בעיקר מכיוון שהן יכולות לעמוד בזרם הגבוה הנדרש להפעלת ICE קרה, עמידות במחזור בטמפרטורה גבוהה, בטיחות גבוהה יחסית ועלות נמוכה יחסית. אם אתה מתכוון להשתתף בשוק זה, אלו האתגרים שכל טכנולוגיית סוללות חדשה חייבת להתמודד איתה. בשנים האחרונות, היציבות של סוללות ליתיום מבחינת הכימיה והייצור שופרה באופן משמעותי, העלות הופחתה ברציפות והביצועים שופרו ללא הרף. במובן רחב יותר, בהשוואה לסוללות חומצת עופרת, היתרונות העיקריים הנוכחיים של סוללות ליתיום יון SLI הן צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהן וחייהן הארוכים.

לסוללות ליתיום יון SLI יש ביצועים דומים לסוללות SLI קיימות של חומצה עופרת, ובדיקות נוספות הוכנסו להערכת היציבות של סוללות ליתיום יון SLI. כולל אמצעי בטיחות קפדניים, כגון הגנה מפני טעינת יתר, בדיקות הרס מסוג ריסוק או פנצ'ר, פריקה רציפה בטמפרטורה נמוכה וטעינה, והערכת ההשפעה של תצהיר ליתיום.

2. עיצוב בטיחות של סוללת ליתיום-יון

האתגר העיקרי בפיתוח סוללות ליתיום-יון SLI הוא עד כמה הסוללה בטוחה בתנאי התעללות או הזדקנות, והאם תתרחש בריחה תרמית. נערכו בדיקות רבות למניעת מצב זה, אך לא כל המצבים ניתנים לחיזוי. מכיוון שהתאונה גרמה לנזק יתר בפנים הרכב, מה שעלול לגרום לשריפת המצבר עקב שריפות חיצוניות או פנימיות, אמצעי הזהירות שננקטו יבטיחו שהמצבר הפגום לא יגרום לניצוצות נוספים ובכך יפחית את התפשטות האש לאחר תְאוּנָה. בנוסף, גורם ייחודי של הסוללה הוא הקצר הפנימי (ISC) שעלול להתרחש עקב הזדקנותו. כמה מצבים נפוצים, כגון היווצרות ליתיום דנדריטים, חודרים לסרעפת וגורמים לקצר, מה שגורם לסרעפת להתכווץ עקב חום ולגרום לקצר שטח גדול. אתגר נוסף לבדיקת סוללות סטנדרטיות הוא שהמבנה החיצוני של סוללות ליתיום-יון יכול להיות גלילי, נרתיק (אריזה רכה) או מרובע. לכן, כל סוג סוללה דורש הליך בדיקה מכני אחר. ניתן להשתמש בטכניקות אלה להנחות את הבנת המתאם בין בדיקות בטיחות לבין סוללות ליתיום יון SLI.

3. עיצוב סוללת SLI

בעיצוב סוללות SLI, יש מגוון חומרי אלקטרודה ושילובי סוללות לבחירה. עם זאת, כאשר מתח הסוללה הכולל מוגבל ל- 12V אופייני, ניתן להחליף את סוללת החומצה העופרת הקיימת במקרה זה. נכון לעכשיו, רק כמה סוללות המחוברות בסדרה יכולות להגיע למתח הסוללה הנכון.

בנוסף לדרישה להשיג מתח סוללה קרוב ל 12V, יש לקחת בחשבון גורמים אחרים כגון זמינות קלה בשוק הצרכנים. בהשוואה לסוללות חומצה עופרת סטנדרטיות, חומרים אלה יכולים לייצר סוללות SLI תחרותיות. ניתן לחלק את חומרי הקתודה של סוללות ליתיום-יון לסוגי שכבות, ספינל ואוליבין. חומר האנודה הוא בעיקר פחמן. בנוסף לבחינת התאימות של חומרי קתודה ואנודה לספק את המתח והסוללה הנכונים של הסוללה, הראשונה מבין סוללות הליתיום-יון שלושת המרכיבים החשובים הם האלקטרוליט שלה. עבור רוב הסוללות המסחריות, אלקטרוליטים נוזליים אורגניים משמשים יחד עם מלחי ליתיום מסיסים, שיכולים לספק את מוליכות הליתיום יון הנדרשת. המלח הנפוץ ביותר כיום הוא LiPF6.

ב- BEV ניתן להשתמש בסוללת ליתיום-יון 12V SLI לשמירה על המערכת האלקטרונית המשולבת של הרכב כאשר הרכב אינו נוסע. השימוש בסוללות SLI חומצה עופרת ביישום זה אינו אידיאלי מכיוון שהוא בדרך כלל מיועד להספק גבוה והוא אינו בהכרח מתאים לתרחישי היישום של פריקה של זרם נמוך עמוק. בהקשר זה, סוללות ליתיום יון SLI רק מפצות על החסרונות של סוללות SLI חומצת עופרת.

4. עיצוב איזון הסוללות ומערכת ניהול הסוללות (BMS)

שלא כמו סוללות SLI חומצת עופרת, האתגר לטכנולוגיית סוללות ליתיום-יון הוא שיש להן יעילות טעינה גבוהה קרוב ל -95% ועליהן לפעול אך ורק בתוך חלון מתח הסוללה. כאשר סוללות ליתיום-יון מורכבות בסדרה ונטענות, הן יכולות להיסחף בקלות אל מחוץ לחלון מתח הסוללה, החומר הפעיל עלול להתחיל לחוות שינויים פאזיים בלתי הפיכים, והאלקטרוליט עשוי להתפרק. זה בתורו מגביר את ההתנגדות הפנימית של הסוללה, ובכך מגביר את השפעת חוסר האיזון של הסוללה. לכן ניהול וניטור הסוללות של חבילות סוללות נפרדות הפכו לשיטות סטנדרטיות במודולי ליתיום-יון, והם בדרך כלל מובנים בתוך בית ארגז הסוללות. ישנן מספר רב של מערכות BMS בשוק, רבות מהן מותאמות במיוחד לכימיקלים ספציפיים של סוללת ליתיום יון. שיטת הטעינה הפשוטה והמשתלמת ביותר היא להגביל את הטעינה של מארז הסוללות. שיטה טובה יותר היא לאפשר חלוקה מחדש של האנרגיה בין המצברים ברגע שהסוללה מגיעה לגבול המתח העליון שלה, ומונעת מצבר אחד להיטען יתר על המידה ולגרום לבעיות בטיחות.

5. עלות הסוללה

בהשוואה לטכנולוגיות הקיימות, אחד האתגרים העיקריים של סוללות ליתיום-יון SLI הוא לספק לצרכנים מחיר תחרותי. חוקרים עובדים קשה כדי לחקור את סוגיות שרשרת הערך בייצור סוללות ליתיום-יון. נכון להיום כמעט 60% מעלות הסוללה נחשבים כמורכבים מחומרים לא פעילים כגון קולטי זרם, מפרידים ומעטפות סוללות. העלות הנוספת נובעת ממכלול אלקטרוליט מוצק (SEI). ) הזמן והאנרגיה המושקעים בתהליך היווצרות.

6. מדיניות וחקיקה

המניעים העיקריים של הטכנולוגיה מלווים בדרך כלל במדיניות לאומית ובינלאומית מסוימת הקשורה לבריאות ובטיחות, ואחריה חקיקה. בדרך כלל אלה כרוכים בשימוש בכימיקלים מסוימים או באביזרים כימיים הנחשבים כמזיקים לבני אדם ולסביבה. במיוחד כאשר משתמשים בחומרים מזיקים אלה ברכבים, הרעיון העיצובי שלהם אמור להיות מסוגל להשיג&"; מבלי לגרום לזיהום כלשהו לסביבה.

7. תקנים ומפרטים

במהלך עשרות שנים, מפרט ותקנים צמחו והתפתחו בהדרגה כדי להתאים את עצמם לביצועים ובטיחות של כמעט כל יישומי הסוללה, כולל סוללות SLI לרכבים. מצד שני, החקיקה של מדינות או אזורים מסוימים יכולה להתייחס לסטנדרטים כאשר מתמודדים עם דרישות מסוימות שיש להן בדרך כלל השפעה ישירה על בטיחות ובריאות הקהילה והסביבה. ארצות הברית המתקדמת של ברית הסוללות (USABC) ערכה מדריך לבדיקת סוללות (עדכון 2) עבור משרד האנרגיה האמריקאי (DoE).

8. מיחזור סוללות

כיום חברה בעלת חוזק מסוים במיחזור סוללות ליתיום-יון.

האמור לעיל מסכם כי חלק מהחברות הגדולות משתתפות באופן פעיל בתהליך המיחזור בקנה מידה תעשייתי של סוללות ליתיום-יון. כושר המיחזור של תעשיית המיחזור המתפתחת יגדל לפחות חמש פעמים ב -7 עד 10 השנים הקרובות.

9. מסקנות וסיכויים

מאמר זה מסכם כמה גורמים להחלפת סוללות SLI חומצת עופרת בסוללות ליתיום יון SLI, שיהוו תהליך הדרגתי בשנים הקרובות. עם השימוש המסיבי באחסון מערכות אנרגיה מתחדשות, השימוש בסוללות עופרת-חומצה ימשיך לגדול, ומוקד סוללות ליתיום-יון SLI ישמש ברכבי ICE בינוניים עד גבוהים הממוקמים באירופה, חלקם שנמצאים באסיה ובארצות הברית. עבור רכבי ICE קטנים וזולים רבים, סוללת ה- SLI חומצת העופרת תמשיך להיות בשימוש, כי עלות החלפת המצבר תמיד תהיה הגורם המכריע. בנוסף, שוק הצרכנים העולמי יגדיל את השימוש ב-" הכלכלה המעגלית" מוצרים, שיתמקדו בצמצום פסולת סביבתית תוך הגדלת מיחזור חומרי הגלם. למרות שמיחזור סוללות ליתיום-יון עדיין בחיתוליו, סין, יפן ומדינות אחרות כבר ביצעו יוזמות גדולות. ארצות הברית, אוסטרליה ומדינות אירופה כולן הוכיחו את הפונקציות החדשות של מיחזור חומרים בסוללות ליתיום-יון. תהליכי מיחזור אלו יתקיימו בחמש עד חמש השנים הקרובות. מושלם תוך עשר שנים.