Литиево-батерийни клетки: дефиниции, класификация, принципи на работа и приложения при съхранение на енергия и фотоволтаици

На фона на бързото приемане на ново съхранение на енергия, фотоволтаично производство на енергия, електрически превозни средства и преносими електронни устройства, литиевите батерии се превърнаха в най-широко използваната среда за електрохимично съхранение на енергия. Въпреки че терминът често се използва разговорно като уловка-всичко за различни базирани на литий-продукти, от техническа гледна точка „литиеви батерии“ обхващат две отделни категории-първични литиеви батерии и литиево-йонни батерии-, които се различават значително по производителност, характеристики и сценарии на приложение. Литиево-йонните батерии, отличаващи се със способността си да претърпяват повтарящи се цикли на зареждане-разреждане и високата си енергийна плътност, се очертаха като основен избор както за потребителски, така и за индустриални приложения.

 

В тесния смисъл литиевите батерии „Flash Battery“ се отнасят конкретно за първични литиеви батерии-не-акумулаторни клетки за еднократна-употреба. Тяхната структура обикновено използва литиев метал или литиеви сплави за електродите, съчетани с не-воден електролитен разтвор. Конвенционалните първични литиеви батерии използват манганов диоксид като катод и чист литиев метал като анод, което води до висока химическа реактивност. Възползвайки се от високоенергийните характеристики на първичната литиева химия, тези батерии са подходящи за специфични приложения, изискващи прецизно захранване при сценарии-за еднократна употреба; въпреки това, поради техните свойства на материала, те не могат да бъдат използвани повторно.

 

 

Силно реактивната химическа природа на металния литий е основният фактор, ограничаващ широкото приемане на традиционни първични литиеви батерии. Чистият метален литий налага изключително строги изисквания по отношение на производството, условията на съхранение и работната среда; той реагира лесно с въздуха и влагата, създавайки рискове за безопасността, които отдавна възпрепятстват широкомащабната-индустриализация на литиевите батерии за еднократна употреба. За разлика от това, акумулаторните литиево-йонни батерийни клетки са преодоляли фундаментално тези технологични затруднения, позволявайки рециклируемост и въвеждайки новата ера на литиевата-енергия.

 

Акумулаторните литиеви батерии, които в момента са широко разпространени, представляват еволюиралия стандарт в индустрията. Те действат чрез интеркалиране и де-интеркалиране (миграция) на литиеви йони между катода и анода по време на циклите на зареждане и разреждане; тъй като чистият метален литий не участва в реакцията, безопасността и стабилността са значително подобрени. Тези акумулаторни батерии захранват широк набор от приложения, вариращи от потребителска електроника и промишлено оборудване до превозни средства с нова енергия.

 

Десетилетия на технологична еволюция доведоха до разработването на различни основни системи катодни материали за литиево-йонни батерии, за да отговарят на различни оперативни нужди; особено литиево-железният фосфат (LFP) се очертава като основен материал за промишлено съхранение на енергия. Обичайните катодни материали включват литиево-кобалтов оксид, литиево-манганов оксид, литиево-никелов оксид и литиево-железен фосфат; изборът на материал определя безопасността на батерията, живота на цикъла и енергийната плътност. Благодарение на тяхната превъзходна безопасност и изключително дълъг живот на цикъла, LFP клетките се превърнаха в предпочитан избор за съхранение на енергия и приложения за задвижваща сила.

 

Литиево-йонните батерии се категоризират според електролитното си състояние на течни-електролитни и полимерни-електролитни типове. Батериите с течен-електролит използват течен електролит; те се отличават със зряла технология и управляеми разходи, което ги прави основният избор за батерии за нови енергийни превозни средства. Полимер-електролитните батерии използват сух или гелообразен-твърд полимерен електролит, предлагащ по-тънък, по-лек форм-фактор и повишена безопасност. LFP клетките съчетават химията на литиево-железния фосфат със зрели производствени процеси, като балансират производителността и разходите, за да отговарят на различни приложения с висока-мощност.

 

Комерсиализирани през 1992 г., литиево-йонните батерии-с предимства като висока енергийна плътност, липса на ефект на паметта и ниски-скорости на саморазреждане-напълно изместиха традиционните оловно-киселинни батерии и ранно-поколение първични литиеви батерии. В сравнение с традиционните батерии, той поддържа многократни цикли на зареждане-разреждане и предлага значително удължен експлоатационен живот, което го прави подходящ за сценарии, изискващи дългосрочна-продължителна работа. Индустрията за съхранение на енергия от батерии постигна широко{11}}мащабно, рутинно внедряване на електроцентрали за съхранение на енергия.