تُعرف تكنولوجيا الطاقة الجديدة على أنها تقنية عالية في القرن الحادي والعشرين. كجزء هام من مجال الطاقة الجديد ، أصبحت صناعة البطاريات نقطة ساخنة جديدة في التنمية الاقتصادية العالمية. في الوقت الحاضر ، تم استخدام بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع كمصدر للطاقة الهامة. سواء في مجال الاتصال الإلكتروني أو النقل ، تلعب دورًا مهمًا للغاية ولها آفاق تطبيق واسعة.
بطارية ليثيوم أيون هي نوع من البطارية الثانوية. إنه نوع جديد من البطاريات تم تطويره على أساس بطارية الليثيوم. يعتمد بشكل رئيسي على أيونات الليثيوم التي تتحرك بين الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية للعمل. منذ سبعينيات القرن العشرين ، تم إدخال بطاريات الليثيوم الأساسية المتعددة ذات الطاقة العالية باستخدام فلز الليثيوم كقطب سالب واستخدامها على نطاق واسع.
بطارية ليثيوم أيون لديها فولطية تشغيلية عالية ، طاقة خاصة عالية ، سعة كبيرة ، تفريغ ذاتي صغير ، دورة جيدة ، عمر خدمة طويل ، وزن خفيف وحجم صغير. وهو ممثل بطاريات حديثة عالية الأداء وهو جهاز إلكتروني محمول مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. من المتوقع أن يصبح مصدر الطاقة المثالي أحد مصادر القوة الرئيسية للسيارات الكهربائية وأدوات الطاقة اللاسلكية في المستقبل.
إن تاريخ تطوير صناعة بطاريات الليثيوم أيون في الصين ليس طويلاً ، ولكنه يتطور بسرعة كبيرة. في عام 2012 ، بلغ إجمالي إنتاج البطاريات في الصين 4.18 مليار. في سوق بطاريات الليثيوم أيون الدولية ، شكلت الصين واليابان وكوريا الجنوبية وضعًا ثلاثي الأرجل. بدأ التطور التكنولوجي لصناعة بطارية ليثيوم أيون الصينية بتقليد التكنولوجيا الناضجة الأجنبية. في هذه العملية ، عملية الابتكار هي الإنجاز الرئيسي للتطور المبكر لصناعة بطارية ليثيوم أيون الصينية. في السنوات الأخيرة ، مع زيادة الاستثمار في الابتكار التكنولوجي ، الصين تطورت صناعة بطارية ليثيوم أيون بسرعة من حيث الابتكار التكنولوجي ، وشكلت القدرة التنافسية الأساسية الصناعية الأساسية ، وراكمت بعض المزايا التكنولوجية في بعض المجالات.
حالة البحث والتطوير اتجاه مواد بطارية ليثيوم أيون
الهياكل الرئيسية لبطاريات الليثيوم أيون هي قطب موجب ، قطب سالب ، كهربائي قادر على إجراء أيونات الليثيوم ، وفاصل يفصل الأقطاب الموجبة والسالبة. يعتمد الأداء الكهروكيميائي لبطاريات الليثيوم أيون بشكل أساسي على بنية وخصائص مواد الإلكترود والمواد العازلة المستخدمة. على وجه الخصوص ، يحدد اختيار وجودة المواد الكهربائية مباشرة خصائص وأسعار بطارية ليثيوم أيون.
في الوقت الحاضر ، يركز البحث على مواد الكاثود من بطاريات الليثيوم أيون بشكل رئيسي على أكسيد الليثيوم الكوبالت ونيكتيوم الليثيوم. وفي نفس الوقت ، فإن ظهور بعض المواد الكاثودية الجديدة (مثل مواد Li-Mn-O والبوليمرات الموصلة) هو أيضاً مادة الكاثود الخاصة ببطاريات أيونات الليثيوم. وقد حقَّق هذا التطوير حيوية جديدة ، وهو محتوى بحثي مهم في هذا المجال لإيجاد نظام جديد لتطوير مواد الكاثود الثانوية لبطاريات الليثيوم أيون ذات الجهد العالي والقدرات الخاصة العالية وأداء الدورة الجيدة. في الوقت الحاضر ، لا تزال مواد القطب الموجب من بطاريات أيونات الليثيوم أكاسيد فلزية انتقالية مثل LiCoO2 ، LiNiO2 ، LiMn2O4 وموادها المركبة. ومن عام 2005 إلى عام 2010 ، تصبح مواد البوليمر عالية الكثافة من مادة البوليمر والكبريتيدات العضوية والكبريتيدات غير العضوية بطاريات ليثيوم أيون. جيل جديد من مواد الكاثود. تشتمل المواد الأنودية لبطاريات الليثيوم أيون بشكل رئيسي على مواد الكربون وسبائك الليثيوم المعدنية وأكاسيد المعادن والنيترريدات المعدنية وسليكونات النانو وما إلى ذلك. ومن بين هذه المواد ، المواد الكربونية هي المواد الكهربائية الرئيسية السلبية للتطبيقات التجارية وسبائك الليثيوم المعدنية والنانو. أصبحت السليكون نقاط ساخنة للبحث والتطوير. . إن المواد المنحل بالكهرباء لبطارية الليثيوم أيون تستخدم بشكل رئيسي في تحويل مذيبها إلى مادة عضوية لا مائية ، ومعظمها يستخدم مذيبات مختلطة مثل EC-DMC و PC-DMC. LiPF6 هو الملح الموصل الأكثر شيوعًا.
بالنسبة للمواد الكاثودية لبطارية الليثيوم أيون ، لا تزال مواد أكسيد الكوبالت الليثيوم الكوبالت تتمتع بحيوية قوية في المستقبل. في نظام بطاريات الليثيوم أيون التجارية الحالي ، تعتمد بطاريات أكسيد الكوبالت الليثيوم على جهد قطعها عالي الكثافة والكثافة الصلبة ذات الجهد العالي. الميزة لا تزال هي نظام البطارية المفضل لمنتجات بطارية 3C الراقية ؛ في حين أن مادة الكاثود LiNixCo1 – x – yMnyO2 ذات الطبقات لا تتميز بكثافة عالية للطاقة فحسب ، بل تتميز أيضًا بخصائص سلامة المواد واستقرار الدورة وأداء درجة الحرارة المرتفعة وتكلفة الإعداد. إنه ممتاز نسبيا. ازدادت نسبة مواد الكاثود المستخدمة في العالم عاما بعد عام. ولم تستبدل تدريجيا بعض تطبيقات مواد أكسيد الكوبالت الليثيوم فحسب ، بل ظهرت أيضا في تطبيق بطاريات الطاقة الجديدة للطاقة. إنها واحدة من أكثر مواد الكاثود الواعدة في المستقبل. في المستقبل القريب ، لا يزال يهيمن على الاتجاه السائد من المواد الكاثودية أيون الليثيوم من أكسيد الليثيوم الكوبالت والمواد LiNixCo1-x – yMnyO2. لا يحتوي فوسفات الحديد الليثيوم و مواد الإسبنيل المستندة إلى المنجنيز على مزايا أقل تكلفة وموارد إعداد فحسب ، بل يتمتع أيضًا بمستوى ممتاز من الأمان وثبات الدورة. وهي مواد الكاثود المفضل لبطاريات الطاقة ، وخاصة LiNi0.5Mn1.5O4 / Li4Ti5O12. يمكن لبطارية نظام الطاقة تحقيق الشحن والتفريغ السريع ، وهو واحد من الاتجاهات السائدة لبطاريات الطاقة الجديدة للطاقة في المستقبل. كثافة عالية الطاقة NCA الكاثود المواد لها مكان في بطاريات المنتج الراقية 3C وبطاريات الطاقة الجديدة للسيارات الطاقة ، ولكن ارتفاع تكلفة ، والبيئة صناعة البطاريات قاسية وعوامل أخرى تحد من نطاق واسع من التطبيقات. وقد شغل دائما فوسفات الحديد الليثيوم ، المنجنيز البوتاسيوم ، والمواد الكاثودية NCA موقف معين في هيكل مادة الكاثود الحالية. المواد التي تعتمد على المنغنيز الغنية بالليثيوم ذات الطبقات هي الجيل القادم من مادة الكاثود الصناعية ذات أعلى كثافة للطاقة ، ولدى السوق آفاق تطبيق واسعة. ومع ذلك ، لا يزال يتعين على الباحثين القيام بمشاكل القدرة العالية غير القابلة للرجوع والأداء السيئ للمعدل بسبب مشاكله الهيكلية. دراسة متعمقة.
منذ تسويق بطاريات الليثيوم- أيون في تسعينيات القرن الماضي ، استخدمت المواد الكربونية على نطاق واسع في بطاريات أيونات الليثيوم وستظل المواد الأساسية لبطاريات أيونات الليثيوم. في أنود الكربون الجديد ، سيركز التطوير المستقبلي على الأنودات الجرافيتية عالية الطاقة وأقطاب الكربون غير الجرافيتية عالية السعة لتلبية احتياجات الطاقة المستقبلية والبطاريات عالية الطاقة. عوامل التوصيل الكربوني لها تأثير مهم على أداء البطارية. ستركز الأبحاث التي أجريت على عوامل موصلة جديدة على تطوُّر عوامل التوصيل الكربوني عالية التخصيب الأيوني إلى الكربون الأسود والمركب التي تم الحصول عليها عن طريق إضافة مواد كربونية جديدة مثل الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين. نظرًا للهيكل المرن الخاص ثنائي الأبعاد ، فقد تم استخدام عوامل التوصيل النانوية الكربونية المركبة على نطاق واسع في مجال بطاريات أيونات الليثيوم في السنوات الأخيرة. ومن المتوقع استخدام الأنابيب النانوية الكربونية ومواد الإلكترود المركب على الجرافين على نطاق واسع في بطاريات الليثيوم-أيون عالية القدرة وبطاريات الليثيوم أيون بعد تحسينها عن طريق الأداء الكهروكيميائي المناسب وتحسين الاستخدام.
وضع سوق بطارية ليثيوم أيون واتجاه التطور
يمكن تقسيم سوق بطاريات الليثيوم أيون دائمًا إلى ثلاثة أسواق رئيسية: سوق الإلكترونيات الاستهلاكية وسوق السيارات الكهربائية وسوق تطبيقات التخزين الصناعي والطاقة. يشار إلى الأول عموما باسم 3C بطارية ليثيوم أيون بطارية صغيرة ، وهما الأخيران هما سوق بطارية الليثيوم أيون الطاقة.
لقد تركز تطوير صناعة بطاريات الليثيوم أيون في صناعة 3C لأكثر من 20 عامًا ، وهو أقل استخدامًا في السوق لتخزين طاقة أكبر وبطاريات الطاقة (تتطلب حاليًا تيارات كبيرة) ، والتي تغطي المركبات الكهربائية النقية والهجين سيارة كهربائية. المركبات ، UPS الكبيرة والمتوسطة ، الطاقة الشمسية ، بطاريات تخزين الطاقة الكبيرة ، الأدوات اليدوية الكهربائية ، الدراجات الكهربائية ، الدراجات الكهربائية ، معدات الفضاء الجوي وبطاريات الطائرات. أحد الأسباب الرئيسية هو أن مادة أكسيد الكوبالت الليثيوم الكوبالت (LiCoO2 ، وهي أكثر بطاريات الليثيوم أيون شيوعًا) المستخدمة في بطاريات الليثيوم في الماضي مكلفة ويصعب تطبيقها على بيئات خاصة مثل الثقوب ، التصادم ، الحرارة العالية درجة حرارة منخفضة. الأهم من ذلك ، فقد تم انتقاده بسبب عدم تلبية متطلبات الناس المطلقة للسلامة. الزملاء ، وبطاريات أكسيد الكوبالت الليثيوم لا يمكن تحقيق الغرض من الشحن السريع وتجنب التلوث الثانوي تماما ، ويجب تصميم الدوائر الحماية لمنع الشحن الزائد أو الإفراط في التفريغ ، وإلا فإنه سوف يسبب الانفجار وغيرها من المخاطر ، حتى لو تسبب انفجار بطارية سوني عالمية استثمرت صناعة العلامة التجارية NB بكثافة في إعادة التدوير.
حاليا ، تتركز مبيعات بطاريات الليثيوم أيون العالمية والصينية بشكل رئيسي في سوق الإلكترونيات الاستهلاكية ، على الرغم من أن حصتها في السوق آخذة في الانخفاض. في عام 2012 ، كانت 72.28٪ من بطاريات الليثيوم-أيون 38.176 مليون كيلو واط في الساعة التي تباع في جميع أنحاء العالم في سوق الإلكترونيات الاستهلاكية. في السوق الصينية ، كانت النسبة 65.40 ٪ (وكان إجمالي مبيعات بطاريات الليثيوم أيون 66.20 مليون كيلو وات ساعة). في عام 2012 ، بلغ إجمالي بطاريات الليثيوم أيون للهواتف المحمولة في العالم 108،600،100 كيلو وات في الساعة ، وهو أقل من 1،094،20 مليون كيلوواط / ساعة في عام 2011. ومع ذلك ، في السوق الصينية ، بلغ إجمالي عدد بطاريات الليثيوم أيون للهواتف النقالة. بنسبة 6.30 ٪. في الصين ، تحل الهواتف الذكية محل الهواتف العادية التقليدية بسرعة. في الوقت الحاضر ، يتم تجهيز معظم الهواتف الذكية بأنابيب البطارية لمدة أقل من يوم ، مما يعني أنه حتى إذا تضاعفت كثافة طاقة بطاريات الليثيوم أيون ، فمن الصعب تلبية الطلب. لذلك ، لبعض الوقت في المستقبل ، فإن سوق الطاقة المحمول ، حيث يتم شحن الإلكترونيات الاستهلاكية في أي وقت ، سوف ينمو بسرعة. في عام 2012 ، الطلب العالمي على بطاريات الليثيوم أيون 1.23 مليون كيلو وات في الساعة ، أكثر من 80٪ منها مصنوعة في الصين ، حيث استهلكت السوق الصينية 52.20 مليون كيلووات ساعة ، وهي القوة الرائدة في هذا السوق. سوق أجهزة الكمبيوتر اللوحية في الصين يتطور بسرعة وبشكل مطرد. معدل النمو السنوي أعلى من المتوسط العالمي. عززت الزيادة السريعة في مبيعات أجهزة الكمبيوتر اللوحي مبيعات بطاريات الليثيوم أيون بشكل مباشر. في عام 2012 ، بلغ حجم مبيعات بطاريات الليثيوم - أيون لأجهزة الكمبيوتر اللوحية في الصين 284،900. كيلووات ساعة ، بزيادة قدرها 91.97 ٪.
تنقسم بطارية الليثيوم - أيون المستخدمة في سوق تخزين الطاقة الصناعية إلى ثلاث فئات رئيسية هي: الأدوات الكهربائية ، وإمدادات الطاقة للمحطات الأساسية المحمولة ، وتوليد طاقة الرياح. في عام 2012 ، إجمالي الطلب على بطاريات أيونات الليثيوم في العالم ، استهلكت سوق تخزين الطاقة الصناعية 4.736 مليون كيلو وات ساعة ، وهو ما يمثل 12.25٪ ؛ استهلكت السوق الصينية ما مجموعه 731،500 كيلووات / ساعة من بطاريات أيونات الليثيوم ، وهذه النسبة هي 15.65٪ ، وهي نسبة أعلى من العالمية.