鋰電池技術(shù)如何推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展：極化電池解決方案

綠色工程峰會(huì)其目標(biāo)是討論許多致力于減少碳足跡的技術(shù)的行業(yè)的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和未來(lái)道路。特別關(guān)注可再生能源發(fā)電、使用寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體進(jìn)行更有效的能源轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)、在農(nóng)業(yè)中使用電子設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以及環(huán)境監(jiān)測(cè)和建模。

本文總結(jié)了 Polarium 高級(jí)電池技術(shù)工程師 Henrik Lundgren 博士的演講。演講的題目是“鋰電池技術(shù)如何推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展”。Polarium 是一家瑞典制造商，生產(chǎn)用于電信、商業(yè)和工業(yè)等各種應(yīng)用的儲(chǔ)能解決方案。

Lundgren 博士首先強(qiáng)調(diào)了當(dāng)今世界在移動(dòng)電子產(chǎn)品等日常應(yīng)用中高度依賴電池這一事實(shí)。隨著我們邁向更環(huán)保、更可持續(xù)的未來(lái)，這種依賴將變得更加強(qiáng)烈。三個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域包括：

1. 5G通信網(wǎng)絡(luò)/設(shè)備。據(jù)估計(jì)，這十年的復(fù)合增長(zhǎng)率為 81 倍。不僅是人，還有電器、開(kāi)關(guān)、監(jiān)控設(shè)備等的更大連接性導(dǎo)致更多的能量存儲(chǔ)需求，不僅用于為這些設(shè)備供電所需的額外能量生成，還用于為這些設(shè)備充電以供其使用在移動(dòng)應(yīng)用程序中。此外，這些網(wǎng)絡(luò)所需的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器都需要備用電池

2. 電動(dòng)汽車 (EV)。隨著世界遠(yuǎn)離化石燃料動(dòng)力運(yùn)輸，電動(dòng)汽車正在迅速增長(zhǎng)。電池系統(tǒng)及其充電基礎(chǔ)設(shè)施是這一轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵必要組成部分，隨著成本的提高，估計(jì)表明電動(dòng)汽車的使用量在這十年中將增長(zhǎng) 230 倍

3. 可再生能源系統(tǒng)。能量存儲(chǔ)系統(tǒng)允許在一天中充足的時(shí)間捕獲這種能量，因此允許在需要時(shí)使用它。電池系統(tǒng)不僅對(duì)于大型公用事業(yè)發(fā)電場(chǎng)所至關(guān)重要，而且對(duì)于更分散的微電網(wǎng)和擁有自己太陽(yáng)能發(fā)電能力的家庭來(lái)說(shuō)也是必不可少的。預(yù)計(jì)從現(xiàn)在到 2035 年，太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電量將增長(zhǎng) 5 倍。

鋰離子電池

鋰離子電池 (LIB) 是 Polarium 儲(chǔ)能產(chǎn)品線的核心。

與傳統(tǒng)鉛酸電池 (LAB) 相比，LIB 的一些優(yōu)勢(shì)如下所列：

1. 鋰 (Li) 是已知最輕的金屬，具有最高的電負(fù)性 (-3.05 V) /還原電位，因此非常適合用于電池。LAB 的重量能量密度約為 30 Wh/kg，與電池水平的現(xiàn)有 LIB 相比，約為1/10 。在實(shí)踐中，這轉(zhuǎn)化為具有相同性能(額定電壓和容量)的 LIB 模塊，但重量和體積分別約為L(zhǎng)AB等效產(chǎn)品的1/5和 1/3

2. 與 LAB 相比，LIB 具有更深的放電容限(95% 對(duì) 50%)。此外，LAB 在電池容量與其放電電流之間的關(guān)系明顯更強(qiáng)，這意味著在更高的電流下，LAB 提供的容量將低于其額定水平。這種關(guān)系在 LIB 中更為平坦

3. 為循環(huán)使用而優(yōu)化的 LAB 無(wú)法與 LIB 的循環(huán)壽命競(jìng)爭(zhēng)，這意味著它們必須比 LIB 更頻繁地更換。LIB 可以承受 6000 次循環(huán)和 15-20 年的日歷壽命，這比 LAB 所能達(dá)到的要長(zhǎng)得多。這可以抵消 LIB 的較高成本

4. LIB 可以承受比 LAB 更高的溫度(140F 對(duì) 80F)，這意味著無(wú)需/降低冷卻要求

5. LIB 的周轉(zhuǎn)充電效率比 LAB 高得多(97% 對(duì) 75%)

6. 其他優(yōu)勢(shì)包括更快的充電時(shí)間和更長(zhǎng)的 LIB 充電間隔時(shí)間，以及 LIB 更高的電池電壓(3.7 V 對(duì) 2.0 V)。

通常位于多孔塑料隔板內(nèi)的電解質(zhì)通常是有機(jī)溶劑，例如LiPF 6?？梢愿淖冸姌O上的材料和成分以獲得期望的特性，如下面更詳細(xì)討論的。

· 正極：這也稱為陰極。為此可以使用兩種基本化學(xué)物質(zhì)：

1. 鎳基。這些主要由 Li-鎳 (Ni)-錳 (Mn)-鈷 (Co) 氧化物(NMC 或 LiNi x Mn y Co z O 2)和 Li-Ni-Co-鋁 (Al) 氧化物(NCA 或 LiNi x Co z Al z O 2)。NMC 中的元素比例 (x: y: z) 可以針對(duì)能量、功率或循環(huán)壽命進(jìn)行優(yōu)化。NMC 電池具有與 NCA 相似的特性，尤其是高鎳含量的 NMC 變體。NMC 電池的能量密度在過(guò)去幾年迅速增加，最先進(jìn)的電池在 2020 年達(dá)到約 270 Wh/kg。較高的 Ni 含量增加了能量密度，但以安全和循環(huán)壽命為代價(jià)。這是一個(gè)積極研究的領(lǐng)域，努力將鎳比率從 1:1:1 提高到 8:1:1，同時(shí)不影響安全性。NCA是目前所有商業(yè)化正極材料中能量密度最高的。有限的放電深度 (DOD) 和較低的最大充電狀態(tài) (SOC) 可以最大限度地延長(zhǎng) NMC 和 NCA 電池的壽命，例如，與 100% 的 DOD 相比，80% 的 DOD 可以具有顯著更高的循環(huán)壽命。NMC 和 NCA 都使用有價(jià)金屬，因此回收電池是總體成本等式的關(guān)鍵部分。隨著 LIB 的回收變得更容易獲得，這將對(duì)基于 NMC 和 NCA 電池的電池具有成本效益

2. 以鐵為主。最常見(jiàn)的基于鐵 (Fe) 的化學(xué)物質(zhì)是磷酸鐵鋰(LFP 或 LiFePO 4)。它的材料成本更低，更安全，并且使用更廣泛可用的材料。然而，如圖 4 所示，LFP 的能量密度遠(yuǎn)低于鎳基電池。

3. LFP 電池還具有相對(duì)于其 SOC 水平的平坦開(kāi)路電壓曲線。這使得電池平衡和 SOC 水平確定更加困難。LFP 電池還具有較高的自放電率，因此不太適合對(duì)存儲(chǔ)時(shí)間要求較長(zhǎng)的應(yīng)用。在回收方面，由于使用的金屬?zèng)]有價(jià)值，與鎳基電池相比，LFP 電池的回收價(jià)值要差得多。

· 負(fù)極：這也稱為陽(yáng)極。這里有兩個(gè)主要變體：

1. 石墨。這是LIB中最常見(jiàn)的負(fù)極。通常使用天然和合成石墨的混合物。石墨提供良好的循環(huán)壽命和高能量密度，但它的電極電位接近金屬鋰的電極電位，在充電過(guò)程中存在鋰金屬枝晶短路的風(fēng)險(xiǎn)。在低溫和高充電率下風(fēng)險(xiǎn)增加

2. 硅 (Si)。Si的理論容量是石墨的10倍。缺點(diǎn)是體積膨脹導(dǎo)致循環(huán)壽命降低。由于這個(gè)原因，純硅今天不可行，LIB 可以使用摻雜有 2% 納米硅顆粒的石墨電極，但研究繼續(xù)將其增加到 20% 的范圍。與純石墨電池相比，含 Si 的 LIB 在較低的電池電壓(NMC 電池 < 3 V)下具有更大的容量。

LIB 的安全注意事項(xiàng)

LIB 電池所含的化學(xué)能是電能的 5 到 10 倍，因此在某些條件下具有危險(xiǎn)性。這些包括過(guò)溫、過(guò)充電、過(guò)放電和短路。電池管理系統(tǒng) (BMS) 對(duì)于監(jiān)控和預(yù)防這些事件至關(guān)重要。BMS，在電芯制造過(guò)程中使用優(yōu)質(zhì)材料，以及嚴(yán)格的測(cè)試和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可以確保電芯使用安全。

電池的一些未來(lái)趨勢(shì)

1. 固態(tài)電池。這用陶瓷或聚合物材料代替了液體電解質(zhì)，并有望比當(dāng)前的 LIB 電池高出 50% 的能量密度，同時(shí)大大提高了安全性。這些電池還可以與鋰金屬負(fù)極配對(duì)，進(jìn)一步提高其性能

2. 鈉 (Na) 離子電池。這些電池的制造成本要低得多，但目前的電池能量密度要低得多。該細(xì)胞仍處于早期研究階段。

預(yù)計(jì)這兩項(xiàng)努力都需要 5-10 年的發(fā)展才能大規(guī)模部署，這使得 LIB 在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)成為主要的儲(chǔ)能解決方案。