Phân tích triển vọng của pin Lithium thay thế axit-chì trong lĩnh vực pin ô tô

Ắc quy axit-chì hiện đang là nguồn năng lượng chính cho SLI trong xe có động cơ, và chúng cũng đã được đưa vào nhiều ứng dụng khác. Ưu điểm của pin lithium như pin SLI thay vì pin axit-chì chủ yếu nằm ở tuổi thọ cao hơn và mật độ năng lượng cao hơn. Về mặt an toàn, các quy định mới về pin của Châu Âu về việc sử dụng các vật liệu hạn chế trên xe được xem xét, cũng như các thông số kỹ thuật về chi phí, thiết kế và thử nghiệm. Vòng đời và khả năng tái chế của hai loại pin cũng được xem xét.

1. Thay pin

Trong những năm qua, các tiêu chuẩn hóa học và sản xuất của pin axit-chì đã được điều chỉnh tương đối nhanh chóng với các yêu cầu và thách thức về điện năng mới bằng cách điều chỉnh các chất phụ gia và cải tiến quy trình sản xuất hiện có, thay vì cố gắng thiết kế lại một hệ thống pin hoàn toàn mới. Vào những năm 1960, tuổi thọ của pin SLI axit chì là khoảng 3 năm, và đến năm 2015, khi các yêu cầu về nguồn điện và ứng dụng tăng lên, pin có thể kéo dài tới 5 năm hoặc hơn.

Ắc quy axit-chì vẫn duy trì được thị phần, chủ yếu là do chúng có thể đáp ứng dòng điện cao cần thiết cho khởi động ICE lạnh, độ bền chu kỳ nhiệt độ cao, độ an toàn tương đối cao và giá thành tương đối thấp. Nếu bạn có kế hoạch tham gia vào thị trường này, thì đây là những thách thức mà bất kỳ công nghệ pin mới nào cũng phải đối mặt. Trong những năm gần đây, tính ổn định của pin lithium về mặt hóa học và sản xuất đã được cải thiện đáng kể, chi phí liên tục giảm và hiệu suất liên tục được cải thiện. Theo nghĩa rộng hơn, so với pin axit-chì, ưu điểm chính hiện tại của pin lithium-ion SLI là mật độ năng lượng cao và tuổi thọ cao.

Pin Lithium-ion SLI có hiệu suất tương tự như pin SLI axit-chì hiện có và các thử nghiệm bổ sung đã được thực hiện để đánh giá độ ổn định của pin lithium-ion SLI. Bao gồm các biện pháp an toàn nghiêm ngặt, chẳng hạn như bảo vệ quá tải, thử nghiệm phá hủy kiểu nghiền hoặc đâm thủng, xả và sạc liên tục ở nhiệt độ thấp và đánh giá tác động của việc lắng đọng lithium.

2. Thiết kế an toàn của pin lithium-ion

Thách thức chính trong quá trình phát triển pin lithium-ion SLI là mức độ an toàn của pin trong điều kiện lạm dụng hoặc lão hóa và liệu có xảy ra hiện tượng thoát nhiệt hay không. Nhiều cuộc thử nghiệm đã được tiến hành để ngăn chặn tình trạng này, nhưng không phải tình huống nào cũng có thể đoán trước được. Do tai nạn làm hư hỏng quá nhiều bên trong xe, có thể gây cháy ắc quy do cháy bên ngoài hoặc bên trong, các biện pháp phòng ngừa được thực hiện sẽ đảm bảo rằng ắc quy bị hỏng sẽ không gây ra tia lửa nữa, do đó làm giảm cháy lan sau khi Tai nạn. Ngoài ra, một yếu tố duy nhất của pin là đoản mạch bên trong (ISC) có thể xảy ra do quá trình lão hóa của nó. Một số tình trạng thường gặp như hình thành các đuôi gai liti xuyên qua màng ngăn gây ra hiện tượng đoản mạch khiến màng ngăn co lại do nhiệt và gây ra hiện tượng đoản mạch trên diện rộng. Một thách thức khác đối với thử nghiệm pin tiêu chuẩn là cấu trúc bên ngoài của pin lithium-ion có thể là hình trụ, túi (gói mềm) hoặc hình vuông. Do đó, mỗi loại pin yêu cầu một quy trình kiểm tra cơ học khác nhau. Các kỹ thuật này có thể được sử dụng để hướng dẫn sự hiểu biết về mối tương quan giữa kiểm tra an toàn và pin lithium-ion SLI.

3. Thiết kế pin SLI

Trong thiết kế của pin SLI, có nhiều loại vật liệu điện cực và cách kết hợp pin để bạn lựa chọn. Tuy nhiên, khi điện áp tổng thể của ắc quy được giới hạn ở mức 12V điển hình, có thể thay thế ắc quy axit-chì hiện có trong trường hợp này. Hiện tại, chỉ có một số pin mắc nối tiếp có thể đạt được điện áp pin chính xác.

Ngoài yêu cầu phải có điện áp ắc quy gần 12V, các yếu tố khác như dễ dàng có sẵn trên thị trường tiêu dùng cũng cần được xem xét. So với pin axit-chì tiêu chuẩn, những vật liệu này có thể tạo ra pin SLI với chi phí cạnh tranh. Vật liệu cực âm của pin lithium-ion có thể được chia thành các loại phân lớp, spinel và olivin. Vật liệu làm cực dương chủ yếu là cacbon. Ngoài việc xem xét tính tương thích của vật liệu cực âm và cực dương để cung cấp điện áp và công suất nguồn chính xác của pin, điều đầu tiên của pin lithium-ion Ba thành phần quan trọng là chất điện phân của nó. Đối với hầu hết các loại pin thương mại, chất điện phân lỏng hữu cơ được sử dụng cùng với muối lithium hòa tan, có thể cung cấp độ dẫn ion lithium cần thiết. Muối phổ biến nhất được sử dụng hiện nay là LiPF6.

Trong BEV, pin lithium-ion SLI 12 V có thể được sử dụng để duy trì hệ thống điện tử trên xe' s trên xe khi xe không lái. Việc sử dụng pin SLI axit-chì trong ứng dụng này không phải là lý tưởng vì nó thường được thiết kế cho công suất cao và Nó không nhất thiết phải phù hợp với các tình huống ứng dụng có dòng điện phóng điện thấp sâu. Về vấn đề này, pin lithium-ion SLI chỉ bù đắp cho những thiếu sót của pin SLI axit-chì.

4. Thiết kế cân bằng pin và hệ thống quản lý pin (BMS)

Không giống như pin SLI axit-chì, thách thức đối với công nghệ pin lithium-ion là chúng có hiệu suất sạc cao gần 95% và phải hoạt động nghiêm ngặt trong cửa sổ điện áp của pin. Khi pin lithium-ion được lắp ráp nối tiếp và được sạc, chúng có thể dễ dàng trôi ra ngoài cửa sổ điện áp của pin, vật liệu hoạt động có thể bắt đầu trải qua những thay đổi pha không thể đảo ngược và chất điện phân có thể bắt đầu phân hủy. Điều này lại làm tăng điện trở bên trong của pin, do đó làm tăng hiệu ứng mất cân bằng của pin. Do đó, việc quản lý pin và giám sát các gói pin riêng lẻ đã trở thành thông lệ tiêu chuẩn cho các mô-đun lithium-ion và chúng thường được tích hợp sẵn trong vỏ hộp pin. Có một số lượng lớn các hệ thống BMS trên thị trường, nhiều trong số đó được thiết kế riêng cho các hóa chất pin lithium-ion cụ thể. Cách sạc đơn giản và tiết kiệm chi phí nhất là hạn chế sạc pin loạt. Một phương pháp tốt hơn là cho phép phân phối lại năng lượng giữa các pin sau khi pin đạt đến giới hạn điện áp trên, ngăn một pin sạc quá mức và gây ra các vấn đề về an toàn.

5. Chi phí của pin

So với các công nghệ hiện có, một trong những thách thức chính của pin lithium-ion SLI là cung cấp cho người tiêu dùng một mức giá cạnh tranh. Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực nghiên cứu các vấn đề về chuỗi giá trị trong sản xuất pin lithium-ion. Hiện tại, gần 60% chi phí pin được coi là bao gồm các vật liệu không hoạt động như bộ thu dòng, bộ phân tách và vỏ pin. Chi phí bổ sung đến từ pha điện phân rắn (SEI). ) Thời gian và năng lượng dành cho quá trình hình thành.

6. Chính sách và pháp luật

Các động lực chính của công nghệ thường đi kèm với một số chính sách quốc gia và quốc tế liên quan đến sức khỏe và an toàn, sau đó là luật pháp. Những điều này thường liên quan đến việc sử dụng một số hóa chất hoặc phụ kiện hóa học được coi là có hại cho con người và môi trường. Đặc biệt là khi các chất độc hại này được sử dụng trong xe cộ, ý tưởng thiết kế của chúng phải có thể đạt được" tái chế xanh" ;, nghĩa là chúng có thể được tháo rời để các vật liệu khác nhau có thể được tái sử dụng, tái chế hoặc xử lý một cách an toàn không gây ô nhiễm môi trường.

7. tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật

Qua nhiều thập kỷ, các thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn đã xuất hiện và dần dần được phát triển để thích ứng với hiệu suất và độ an toàn của hầu hết các ứng dụng pin, bao gồm cả pin SLI cho xe. Mặt khác, pháp luật của một số quốc gia hoặc khu vực có thể tham chiếu đến các tiêu chuẩn khi giải quyết các yêu cầu nhất định thường có ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn và sức khỏe của cộng đồng và môi trường. Liên minh Pin tiên tiến Hoa Kỳ (USABC) đã biên soạn sổ tay hướng dẫn kiểm tra pin (Bản sửa đổi 2) cho Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DoE).

8. Tái chế pin

Hiện là công ty có thế mạnh nhất định về tái chế pin lithium-ion.

Trên đây tóm tắt rằng một số công ty lớn đang tích cực tham gia vào quá trình tái chế pin lithium-ion quy mô công nghiệp đã được thiết lập. Năng lực tái chế của ngành công nghiệp tái chế mới nổi sẽ tăng ít nhất 5 lần trong vòng 7 đến 10 năm tới.

9. Kết luận và triển vọng

Bài báo này tóm tắt một số yếu tố của việc thay thế pin SLI axit-chì bằng pin lithium-ion SLI, đây sẽ là một quá trình dần dần trong vài năm tới. Với việc sử dụng rộng rãi hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo, việc sử dụng pin axit-chì sẽ tiếp tục phát triển và trọng tâm của pin lithium-ion SLI sẽ được sử dụng trên các phương tiện ICE từ trung cấp đến cao cấp đặt tại Châu Âu, một số ở Châu Á và Hoa Kỳ. Đối với nhiều loại xe ICE nhỏ và rẻ tiền, ắc quy SLI axít chì sẽ tiếp tục được sử dụng, vì chi phí thay thế ắc quy sẽ luôn là yếu tố quyết định. Ngoài ra, thị trường tiêu dùng toàn cầu sẽ gia tăng việc sử dụng" nền kinh tế vòng tròn" sản phẩm, sẽ tập trung vào việc giảm thiểu chất thải môi trường đồng thời tăng cường tái chế nguyên liệu thô. Mặc dù việc tái chế pin lithium-ion vẫn còn sơ khai, nhưng Trung Quốc, Nhật Bản và các quốc gia khác đã thực hiện các sáng kiến ​​lớn. Hoa Kỳ, Úc và các nước châu Âu đều đã chứng minh các chức năng mới của vật liệu tái chế trong pin lithium-ion. Các quy trình tái chế này sẽ diễn ra trong vòng 5 đến 5 năm tới. Hoàn hảo trong mười năm.