تجزیه و تحلیل چشم انداز باتری های لیتیوم جایگزین سرب اسید در زمینه باتری های خودرو

باتری های سرب-اسید در حال حاضر منبع اصلی قدرت برای SLI در وسایل نقلیه موتوری هستند، و همچنین بسیاری از کاربردهای دیگر به آن ها داده شده است. مزایای باتری های لیتیوم به عنوان باتری های SLI به جای باتری های سرب-اسید عمدتاً در عمر طولانی تر و تراکم انرژی بالاتر آن ها نهفته است. از نظر ایمنی، مقررات جدید باتری اروپا در مورد استفاده از مواد محدود کننده در خودروها در نظر گرفته شده است، و همچنین مشخصات هزینه، طراحی و آزمایش. چرخه عمر و بازیافت این دو باتری نیز مورد توجه قرار می گیرد.

1. تعویض باتری

در طول سال ها، استانداردهای شیمی و ساخت باتری های سرب-اسید با الزامات قدرت جدید سازگار شده اند و با تنظیم افزودنی ها و بهبود فرایندهای تولیدی موجود، به جای تلاش برای طراحی مجدد یک سیستم باتری کاملاً جدید، نسبتاً سریع به چالش کشیده شده اند. در دهه ۱۹۶۰ عمر خدماتی یک باتری سرب-اسید SLI حدود ۳ سال بود و تا سال ۲۰۱۵ با افزایش نیاز قدرت و کاربرد، باتری ممکن است تا پنج سال یا بیشتر طول کشد.

باتری های سرب-اسید سهم بازار را حفظ کرده اند، عمدتاً به این دلیل که می توانند جریان بالای مورد نیاز برای استارتاپ ICE سرد، دوام چرخه دمای بالا، ایمنی نسبتاً بالا، و هزینه نسبتاً پایین را برآورده کنند. اگر شما قصد شرکت در این بازار را داشته باشد، پس این ها چالش هایی هستند که هر تکنولوژی باتری جدیدی باید با آن مواجه شود. در سال های اخیر پایداری باتری های لیتیوم از نظر شیمی و ساخت به طور قابل توجهی بهبود یافته، هزینه به طور مداوم کاهش یافته است، و عملکرد به طور مداوم بهبود یافته است. به معنای گسترده تر، در مقایسه با باتری های سرب-اسید، مزایای اصلی فعلی باتری های SLI لیتیوم یون چگالی انرژی بالا و عمر طولانی آن ها است.

باتری های لیتیوم یون SLI عملکرد مشابهی با باتری های موجود سرب-اسید SLI دارند و آزمایش های اضافی برای ارزیابی ثبات باتری های SLI یون لیتیوم معرفی شده اند. از جمله اقدامات ایمنی سخت گیرانه، مانند حفاظت از شارژ بیش از حد، آزمایش های تخریب نوع له یا سوراخ، تخلیه و شارژ مداوم با دمای پایین، و ارزیابی تاثیر رسوب لیتیوم.

2. طراحی ایمنی باتری یون لیتیوم

چالش اصلی در توسعه باتری های SLI لیتیوم یون این است که باتری چقدر تحت سوء استفاده یا شرایط پیری امن است، و اینکه آیا فراری حرارتی رخ خواهد داد یا نه. آزمایش های زیادی برای جلوگیری از این وضعیت انجام شده است، اما همه موقعیت ها قابل پیش بینی نیستند. از آنجا که این حادثه باعث آسیب بیش از حد به فضای داخلی خودرو شد که ممکن است به دلیل آتش سوزی های خارجی یا داخلی باعث سوختن باتری شود، اقدامات احتیاطی انجام شده اطمینان حاصل خواهد کرد که باتری آسیب دیده بیشتر باعث جرقه نخواهد شد و در نتیجه گسترش آتش پس از تصادف کاهش می یابد. علاوه بر این، یک عامل منحصر به فرد باتری، مدار کوتاه داخلی (ISC) است که ممکن است به دلیل پیری آن رخ دهد. برخی از شرایط رایج مانند تشکیل دندریت های لیتیوم برای ایجاد یک مدار کوتاه به دیافراگم نفوذ می کنند که این باعث کوچک شدن دیافراگم به دلیل گرما و ایجاد یک مدار کوتاه با مساحت بزرگ می شود. چالش دیگر برای آزمایش باتری استاندارد شده این است که ساختار خارجی باتری های لیتیوم یون می تواند استوانه ای، کیسه ای (بسته نرم) یا مربع باشد. بنابراین هر نوع باتری نیاز به یک روش آزمایش مکانیکی متفاوت دارد. از این تکنیک ها می توان برای هدایت درک ارتباط بین آزمایش ایمنی و باتری های لیتیوم یون SLI استفاده کرد.

3. طراحی باتری SLI

در طراحی باتری های SLI، انواع مواد الکترود و ترکیب باتری برای انتخاب وجود دارد. با این حال، هنگامی که ولتاژ کلی باتری به یک 12V معمولی محدود می شود، می توان باتری سرب-اسید موجود را در این مورد جایگزین کرد. در حال حاضر تنها چند باتری متصل به سری می توانند به ولتاژ صحیح باتری برسند.

علاوه بر نیاز به به دست آوردن ولتاژ باتری نزدیک به 12V، عوامل دیگری مانند در دسترس بودن آسان در بازار مصرف کننده نیاز به در نظر گرفته شود. در مقایسه با باتری های استاندارد سرب-اسید، این مواد می توانند باتری های SLI رقابتی مقرون به صرفه بسازند. مواد کاتدی باتری های یون لیتیوم را می توان به انواع لایه ای، اسپینل و الیوین تقسیم کرد. ماده آند عمدتاً کربن است. علاوه بر در نظر گرفتن سازگاری مواد کاتد و آند برای ارائه ولتاژ باتری صحیح و ظرفیت قدرت، اولین باتری های لیتیوم یون سه جزء مهم الکترولیت آن هستند. برای بیشتر باتری های تجاری از الکترولیت های مایع آلی همراه با نمک های لیتیوم محلول استفاده می شود که می تواند هدایت یون لیتیوم مورد نیاز را فراهم کند. رایج ترین نمکی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرد LiPF6 است.

در BEV می توان از باتری لیتیوم یون SLI ۱۲ V برای حفظ سیستم الکترونیکی روی تخته خودرو در هنگام رانندگی خودرو استفاده کرد. استفاده از باتری های سرب-اسید SLI در این کاربرد ایده آل نیست زیرا معمولاً برای قدرت بالا طراحی می شود و لزوماً برای سناریوهای کاربرد تخلیه جریان پایین عمیق مناسب نیست. در این راستا باتری های لیتیوم یون SLI فقط کاستی های باتری های سرب-اسید SLI را تشکیل می دهند.

4. طراحی تعادل باتری و سیستم مدیریت باتری (BMS)

بر خلاف باتری های سرب-اسید SLI، چالش فناوری باتری لیتیوم یون این است که کارایی شارژ مجدد بالایی نزدیک به ۹۵٪ دارند و باید به شدت درون پنجره ولتاژ باتری کار کنند. هنگامی که باتری های لیتیوم یون به صورت سری و شارژ مونتاژ می شوند، به راحتی می توانند خارج از پنجره ولتاژ باتری رانش کنند، ماده فعال ممکن است شروع به تجربه تغییرات فاز برگشت ناپذیر کند و الکترولیت ممکن است شروع به تجزیه کند. این امر به نوبه خود مقاومت داخلی باتری را افزایش می دهد و در نتیجه اثر عدم تعادل باتری را افزایش می دهد. بنابراین مدیریت باتری و نظارت بر بسته های باتری فردی به شیوه های استاندارد برای ماژول های لیتیوم یون تبدیل شده اند، و معمولاً در مسکن جعبه باتری ساخته می شوند. تعداد زیادی سیستم BMS در بازار وجود دارد که بسیاری از آن ها خیاط ساخته شده برای مواد شیمیایی باتری لیتیوم یون خاص هستند. ساده ترین و مقرون به صرفه ترین روش شارژ، محدود کردن شارژ بسته باتری سری است. یک روش بهتر این است که اجازه توزیع مجدد انرژی بین باتری ها را هنگامی که باتری به حد ولتاژ فوقانی خود می رسد، اجازه دهد و از شارژ بیش از حد یک باتری جلوگیری کند و باعث مسائل ایمنی شود.

5. هزینه باتری

در مقایسه با فناوری های موجود، یکی از چالش های اصلی باتری های SLI لیتیوم یون، ارائه قیمت رقابتی به مصرف کنندگان است. محققان برای مطالعه مسائل زنجیره ارزش در ساخت باتری های لیتیوم یون سخت تلاش می کنند. در حال حاضر تقریباً ۶۰٪ هزینه های باتری از مواد غیرفعال مانند جمع کننده های فعلی، جداکننده ها و پوشش باتری تشکیل شده است. هزینه اضافی می آید از اینترفاز الکترولیت جامد (SEI). ) زمان و انرژی صرف شده در فرایند شکل گیری.

6. سیاست ها و قانون گذاری

رانندگان اصلی فناوری معمولاً با سیاست های ملی و بین المللی خاصی در ارتباط با سلامت و ایمنی همراه هستند و به دنبال آن قانون گذاری می شود. این ها معمولاً شامل استفاده از برخی مواد شیمیایی یا لوازم شیمیایی هستند که برای انسان و محیط زیست مضر تلقی می شوند. به ویژه هنگامی که از این مواد مضر در خودروها استفاده می شود، مفهوم طراحی آن ها باید بتواند به «بازیافت سبز» دست یابد، به این صورت که می توان آن ها را از هم دور کرد تا مواد مختلف بدون ایجاد هرگونه آلودگی به محیط زیست، دوباره مورد استفاده قرار گیرند، بازیافت شوند یا با خیال راحت دفع شوند.

7. استانداردها و مشخصات

در طول دهه ها مشخصات و استانداردها ظهور کرده و به تدریج توسعه یافته اند تا تقریباً با عملکرد و ایمنی تقریباً تمام کاربردهای باتری از جمله باتری های SLI برای خودروها سازگار شوند. از سوی دیگر، قانون گذاری کشورها یا مناطق خاصی می تواند به استانداردها در هنگام برخورد با الزامات خاصی اشاره کند که معمولاً تأثیر مستقیمی بر ایمنی و سلامت جامعه و محیط زیست دارد. اتحاد باتری پیشرفته ایالات متحده آمریکا (USABC) یک کتابچه راهنمای آزمایش باتری (تجدید نظر ۲) را برای وزارت انرژی ایالات متحده (DoE) کامپایل کرده است.

8. بازیافت باتری

در حال حاضر شرکتی با قدرت خاصی در بازیافت باتری های لیتیوم یون.

خلاصه بالا این است که برخی از شرکت های بزرگ به طور فعال در فرایند بازیافت در مقیاس صنعتی تاسیس باتری های لیتیوم یون شرکت می کنند. ظرفیت بازیافت صنعت بازیافت نوظهور در 7 تا 10 سال آینده حداقل پنج برابر افزایش خواهد یافت.

9. نتیجه گیری و چشم انداز

این مقاله برخی عوامل جایگزینی باتری های سرب-اسید SLI را با باتری های لیتیوم یون SLI خلاصه می کند که این روند در چند سال آینده یک فرایند تدریجی خواهد بود. با استفاده گسترده از ذخیره سازی سیستم انرژی تجدیدپذیر، استفاده از باتری های سرب-اسید به رشد خود ادامه خواهد داد و تمرکز باتری های لیتیوم یون SLI در خودروهای ICE اواسط تا بالا واقع در اروپا مورد استفاده قرار خواهد گرفت که برخی از آن ها در آسیا و آمریکا هستند. برای بسیاری از خودروهای کوچک و ارزان ICE، باتری سرب-اسید SLI همچنان مورد استفاده قرار خواهد گرفت، زیرا هزینه جایگزینی باتری همیشه عامل تعیین کننده خواهد بود. علاوه بر این، بازار جهانی مصرف کننده استفاده از محصولات «اقتصاد دایره ای» را افزایش خواهد داد که با افزایش بازیافت مواد اولیه، بر کاهش زباله های زیست محیطی تمرکز خواهد کرد. اگرچه بازیافت باتری های لیتیوم یون هنوز در دوران شیرخوارگی خود است، اما چین، ژاپن و دیگر کشورها هم اکنون ابتکارات عمده ای را انجام داده اند. آمریکا، استرالیا و کشورهای اروپایی همگی عملکردهای جدید بازیافت مواد در باتری های لیتیوم یون را نشان داده اند. این فرایندهای بازیافت در پنج تا پنج سال آینده صورت خواهد گرفت. تا ده سال دييلي عاليه.