Kattava analyysi litiumakuista: perusteista tuotantoon, rakenteeseen, prosesseihin, sovelluksiin ja teollisuuden suuntauksiin

Litiumakut ovat pitkään olleet "energiaydin" kaikilla aloilla, kuten kulutuselektroniikassa, uusissa energiaajoneuvoissa, energian varastointijärjestelmissä ja jopa matalalla{0}}korkeudessa. Pienistä laitteista, kuten matkapuhelimista ja kannettavista tietokoneista suuriin-mittakaavaisiin laitteisiin, kuten sähköajoneuvoihin ja energiaa varastoiviin voimaloihin, niiden suorituskyky määrää suoraan laitteiden kestävyyden, turvallisuustason ja käyttöiän. Tämä artikkeli purkaa kattavasti tämän kriittisen energiakomponentin ja kattaa sen ydinkoostumuksen, etujen ja haittojen vertailun, luokitusjärjestelmän, ammattiterminologian, nimeämissäännöt sekä koko tuotantoprosessin ja alan käytännöt, paljastaen sinulle litiumakkujen tekniset mysteerit.

I. Litiumparistojen ydinkoostumus: "sydämen" ja "aivojen" välinen synergia

Litiumakun vakaa toiminta perustuu kahden suuren järjestelmän synergiaan: "energiansyötön" ja "turvallisuuden valvontaan". Tarkemmin sanottuna se voidaan jakaa kahteen osaan: akkukenno ja suojalevy (tai BMS), joilla kummallakin on korvaamaton toiminto.

1. Akkukenno: Litiumakkujen "energiasydän".

Akkukenno on sähköenergian varastoinnin ja vapauttamisen ydin, joka vastaa litiumakun "sydäntä". Sen suorituskyky määrää suoraan akun energiatiheyden, käyttöiän ja turvallisuuden. Akkukenno koostuu pääasiassa viidestä avainkomponentista:

Katodi materiaali: Energian "lähde", joka vapauttaa litiumioneja purkauksen aikana. Yleisiä materiaaleja ovat litiumkobolttioksidi (LiCoO₂, käytetään kulutuselektroniikassa, kuten matkapuhelimissa ja kannettavissa tietokoneissa, korkeajännitealustalla mutta heikko turvallisuus), litiumrautafosfaatti (LiFePO₄, käytetään energian varastoinnissa ja sähköajoneuvoissa, erittäin turvallinen ja pitkä käyttöikä), kolmikomponenttinen litium (LiNi{n_}CoႧ, highend, LiNi{n_CoႵ, high end sähköajoneuvot, joissa on korkea energiatiheys) ja litiummanganaatti (LiMn₂O4, käytetään sähkötyökaluissa, alhaiset kustannukset, mutta huono korkeiden -lämpötilojen vakaus).

Anodi materiaali: Energian varastoinnin "varasto", joka adsorboi litiumioneja latauksen aikana ja lähettää ne takaisin katodille purkamisen aikana. Tällä hetkellä grafiitti on valtavirta (alhaisilla kustannuksilla ja hyvällä vakaudella, sen osuus on yli 90 % anodimateriaalimarkkinoista). Uuden sukupolven pii-pohjaisia ​​anodeja (joiden teoreettinen kapasiteetti on yli 10 kertaa grafiitin kapasiteetti) kaupallistetaan vähitellen, kun taas litiummetallianodit ovat edelleen T&K-vaiheessa dendriittiongelmien vuoksi.

Elektrolyytti: Litiumionien kulkeutumiskanava, joka koostuu tavallisesti litiumin suolasta (esim. LiPF₆, joka tuottaa litiumioneja), orgaanisista liuottimista (esim. karbonaateista, liuottavia litiumsuoloja) ja lisäaineista (parantaa syklin käyttöikää ja turvallisuutta). Sen puhtaus ja vakaus vaikuttavat suoraan akun suorituskykyyn korkeassa ja alhaisessa lämpötilassa{5}}ja turvallisuustasoon. Esimerkiksi liiallinen kosteus reagoi litiumsuolojen kanssa muodostaen haitallisia kaasuja, mikä aiheuttaa mahdollisia turvallisuusriskejä.

Erotin: "Turvasulku" katodin ja anodin välillä, huokoinen polymeerikalvo (enimmäkseen polyeteeni PE ja polypropeeni PP). Se ei voi vain estää suoraa kosketusta ja oikosulkua katodin ja anodin välillä, vaan myös sallia litiumionien kulkemisen. Laadukkailla-erottimilla on oltava tasainen huokoskoko, riittävä mekaaninen lujuus ja kemiallinen stabiilisuus. Korkeissa lämpötiloissa ne voivat myös estää ionien siirtymisen "sammutusvaikutuksen" kautta välttääkseen lämmön karkaamisen.

Kuori: Akkukennon "suojakansi", joka on muodon mukaan jaettu alumiinikuoreen (prismaattiset akut, kuten matkapuhelinakut), teräskuori (sylinterimäiset akut, kuten 18650) ja alumiini-muovikomposiittikalvo (pussiakut, kuten ohuet matkapuhelimet ja puettavat laitteet). Kuoren on oltava räjähdys--kestävä, korkeaa-lämpöä ja korroosiota-kestävä, ja sen on oltava mahdollisimman kevyt akun energiatiheyden parantamiseksi.

2. Suojauslautakunta: Litiumakkujen "turvaaivot".

Jos akkukenno on "energiasydän", suojalevy on "turva-aivot", jotka vastaavat akun lataus- ja purkutilan seurannasta ylilatauksen, yli{0}}purkautumisen ja oikosulun kaltaisten riskien välttämiseksi. Tehoakkujen suojalevyä kutsutaan yleensä akunhallintajärjestelmäksi (BMS), jonka rakenne on monimutkaisempi, kun taas kuluttaja-akkujen (kuten matkapuhelinakkujen) suojalevy on suhteellisen yksinkertaistettu. Peruskomponentit sisältävät:

Suojasiru/hallintasiru: Ydinohjausyksikkö, joka tarkkailee{0}}reaaliajassa akun jännitettä, virtaa ja lämpötilaa. Kun poikkeavuuksia havaitaan (esim. ylilataus jännitteellä yli 4,2 V, ylipurkautuminen alle 3,0 V jännitteellä), se laukaisee suojamekanismin.

MOSFET: Virran "kytkin", joka katkaisee tai johtaa lataus- ja purkauspiirin sirun ohjeiden mukaan. Esimerkiksi ylilatauksen aikana MOSFET katkaisee latauspolun välttääkseen akun kennovaurion.

Vastukset ja kondensaattorit: Apukomponentit, joita käytetään virran näytteenottoon ja jännitteen suodatukseen tunnistustietojen tarkkuuden varmistamiseksi.

PCB-levy: Komponenttien "kantolaite", joka yhdistää sirut, MOSFETit ja muut osat muodostamaan vakaan piirijärjestelmän.

PTC/NTC: Lämpösuojakomponentit. PTC:n (Positive Temperature Coefficient termistori) resistanssi kasvaa jyrkästi korkeissa lämpötiloissa virran rajoittamiseksi; NTC (Negatiivinen lämpötilakerroin termistori) tunnistaa lämpötilan reaaliajassa ja tarjoaa lämpötilatiedot sirulle.

II. Litiumparistojen edut ja haitat: miksi niistä voi tulla valtavirran energialähde?

Litiumparistot voivat korvata lyijy-happo-, nikkeli-kadmium- ja nikkeli-metallihydridiparistot, ja niistä tulee ensisijainen valinta kulutuselektroniikassa ja uusilla energia-aloilla niiden erinomaisten suorituskykyetujen ansiosta, mutta niissä on myös kiistattomia puutteita. Ymmärrämme litiumakkujen sijainnin intuitiivisemmin vertailemalla vaakasuoraa neljää yleistä akkutyyppiä:

1. Keskeiset edut: Miksi litiumparistot ovat korvaamattomia?

Korkea energiatiheys: Gravimetrinen energiatiheys on 4-8 kertaa lyijyakkujen- ja tilavuusenergiatiheys on 4-5 kertaa lyijyakkujen. Tämä tarkoittaa, että litiumparistot voivat varastoida enemmän sähköenergiaa samalla painolla/tilavuudella. Esimerkiksi matkapuhelimen litiumakku, jonka kapasiteetti on 1900 mAh, painaa vain noin 20 g, kun taas saman kapasiteetin lyijyakku painaa yli 1 kg, mikä on täysin sopimaton kannettaviin laitteisiin.

Pitkä käyttöikä: Laadukkaat-litiumparistot voivat saavuttaa yli 1500 jaksoa ja litiumrautafosfaattiakut voivat jopa ylittää 6000 jaksoa, kun taas lyijy-happoakut kestävät vain 200-300 jaksoa. Esimerkkinä sähköajoneuvoista litiumakuilla varustettujen mallien akun käyttöikä on 5-8 vuotta, mikä ylittää huomattavasti lyijyakkujen 1-2 vuotta.

Ympäristöystävällinen ja saastuttava-ilmainen: Ei sisällä myrkyllisiä raskasmetalleja, kuten lyijyä, elohopeaa ja kadmiumia, ja se on ympäristöystävällinen koko tuotannon, käytön ja romutuksen elinkaaren ajan maailmanlaajuisen "kaksoishiilen" trendin mukaisesti. Sitä vastoin lyijy-happoakkujen aiheuttamaa lyijysaastetta ja nikkeli-kadmiumparistojen aiheuttamaa kadmiumin saastumista on rajoitettu monissa maissa.

Matala oma-purkausnopeus: Kuukausittainen itsepurkautumisaste on vain 2 %-9 %, paljon pienempi kuin nikkelimetallihydridiakkujen 20 %-30 %. Täyteen ladattu matkapuhelimen litiumakku voi silti säilyttää yli 80 % tehostaan ​​kuukauden käyttämättömänä, kun taas nikkelimetallihydridiakussa voi olla jäljellä vain 50 %.

Korkeajännitealusta: Yhden kennon nimellisjännite on 3,2-3,7 V, mikä vastaa 3 nikkeli-kadmium/nikkelimetallihydridiakun sarjajännitettä. Se voi täyttää laitevaatimukset ilman useita sarjaliitäntöjä, mikä yksinkertaistaa akun suunnittelua.

2. Tärkeimmät puutteet: Mitä ongelmia on vielä ratkaistava?

Korkeat kustannukset: Akun hinta on noin 2,0-3,5 CNY/Wh, 2-5 kertaa lyijyakkuihin verrattuna. Vaikka se pienenee vähitellen suurtuotannon myötä, se on edelleen uusien energiaajoneuvojen ja energian varastointijärjestelmien pääasiallinen kustannuserä.

Huono lämpötilan sopeutuvuus: Optimaalinen käyttölämpötila on 0-45 astetta. Kun lämpötila on alle 0 astetta, kapasiteetti heikkenee merkittävästi (esim. -20 asteessa kapasiteetti voi olla vain 50 % jäljellä); kun lämpötila on yli 60 astetta, on turvallisuusriskejä. Lisää lämmitys-/jäähdytysjärjestelmiä on konfiguroitava, mikä lisää kustannuksia ja monimutkaisuutta.

Turvallisuusvaarat: Nestemäiset elektrolyytit ovat syttyviä. Jos suojajärjestelmä epäonnistuu (kuten ylilataus, puhkeaminen, suulakepuristus), se voi aiheuttaa lämmön karkaamista, joka voi johtaa tulipaloon ja räjähdykseen. Siksi litiumakut on varustettava BMS:llä tai suojalevyillä, eikä niitä saa käyttää "alasti" kuten lyijyakkuja-.

Korkeat vaatimukset latureille: Vakiovirta- ja vakiojännitelatureita tarvitaan vakaan latausprosessin varmistamiseksi ja ylilatauksen välttämiseksi, kun taas lyijyakut tarvitsevat vain yksinkertaisen jännitteensäätimen, ja laturin hinta on alhaisempi.

III. Litiumparistojen luokitusjärjestelmä: Kuinka valita eri skenaarioihin?

Litiumparistoja on monenlaisia, ja ne voidaan jakaa useisiin luokkiin eri mittojen mukaan. Eri luokkien akuilla on merkittäviä suorituskykyeroja ja ne sopivat erilaisiin skenaarioihin. Luokittelulogiikan hallitseminen voi auttaa sinua ymmärtämään paremmin "miksi kobolttilitiumparistoja käytetään matkapuhelimissa ja litiumrautafosfaatti-/kolmilitiumparistoja sähköajoneuvoissa".

1. Lataus- ja purkausominaisuuksien mukaan: ensisijaiset akut vs. toissijaiset akut

Ensisijaiset (ei-{0}}ladattavat) akut: Tunnetaan myös nimellä litiumparistot, kuten litiummangaanidioksidiparistot (CR2032-nappiparistot, käytetään kauko-ohjaimissa ja kelloissa) ja litium-tionyylikloridiparistot (käytetään esineiden internet-laitteissa ja lääketieteellisissä implantoitavissa instrumenteissa). Niille on ominaista suuri kapasiteetti ja pitkä säilytysaika (jopa 10 vuotta), mutta niitä ei voi ladata uudelleen ja ne hävitetään käytön jälkeen.

Toissijaiset (ladattavat) akut: Tunnetaan myös akkuna, ne ovat yleisimmin käytetty tyyppi jokapäiväisessä elämässä, kuten matkapuhelinakut ja sähköajoneuvojen akut. Niitä voidaan ladata ja purkaa toistuvasti 500-1500 kertaa. Ydin on "litiumionien siirtymisen katodin ja anodin välillä" palautuva reaktio, joka on myös tämän artikkelin painopiste.

2. Katodimateriaalin mukaan: Akkujen ytimen suorituskyvyn määrittäminen

Tämä on keskeisin luokitusmenetelmä, ja katodimateriaali määrää suoraan akun energiatiheyden, turvallisuuden ja hinnan:

Litiumkobolttioksidi (LiCoO₂): Suuri energiatiheys (200–250 Wh/kg), korkeajännitealusta (3,7 V), mutta huono turvallisuus ja lyhyt käyttöikä (500–800 sykliä), käytetään pääasiassa kulutuselektroniikassa, kuten matkapuhelimissa ja kannettavissa tietokoneissa.

Litiumrautafosfaatti (LiFePO4): Erittäin korkea turvallisuus (lämpölämpötila yli 200 astetta), pitkä käyttöikä (1500{3}}6000 sykliä), edullinen, mutta alhainen energiatiheys (120-180Wh/kg), käytetään pääasiassa energian varastointijärjestelmissä, sähköbusseissa ja edullisissa sähköajoneuvoissa.

Kolmiosainen litium (LiNiₓCoᵧMn_zO₂): Korkea energiatiheys (200-300Wh/kg), hyvä suorituskyky alhaisessa-lämpötiloissa, mutta keskinkertainen turvallisuus ja korkea hinta. Se on jaettu NCM523:een, NCM622:een ja NCM811:een nikkelipitoisuuden mukaan (mitä korkeampi nikkelipitoisuus, sitä korkeampi energiatiheys), käytetään pääasiassa huippuluokan sähköajoneuvoissa ja droneissa.

Litiummanganaatti (LiMn₂O4): Edullinen, hyvä korkeiden -lämpötilojen vakaus, mutta alhainen energiatiheys (100-150 Wh/kg) ja lyhyt käyttöikä (300-500 jaksoa), käytetään pääasiassa sähkötyökaluissa ja hitaissa sähköajoneuvoissa.

3. Muodon mukaan: Sopeutuminen erilaisiin laitetiloihin

Sylinterimäiset akut: Kuten 18650 (halkaisija 18 mm, korkeus 65 mm) ja 21700 (halkaisija 21 mm, korkeus 70 mm), vakaa rakenne ja korkea massatuotannon tehokkuus, käytetään pääasiassa kannettavissa tietokoneissa ja sähköajoneuvoissa (esim. Teslan varhaiset mallit käyttivät 18650, ja myöhemmin vaihdettiin 21700).

Prismaattiset akut: Kuten matkapuhelinakut (paksuus 3-5 mm, leveys 40-60 mm) ja sähköajoneuvojen akut (paksuus 10-20 mm, leveys 100-200 mm), joilla on korkea tilankäyttöaste ja ne voidaan räätälöidä laitekoon mukaan, mikä on tällä hetkellä sähköajoneuvojen yleisin muoto.

Pussi Paristot: Alumiini-muovikomposiittikalvolla kapseloidut ne voidaan valmistaa erittäin-ohuiksi (0,5–2 mm paksuiksi) ja joustaviksi. Niitä käytetään pääasiassa ohuissa matkapuhelimissa, puettavissa laitteissa (kuten älykelloissa) ja taitettavissa matkapuhelimissa.

4. Elektrolyyttitilan mukaan: Neste vs polymeeri

Litiumioniakut (LIB): Nestemäisten elektrolyyttien käyttö, korkea energiatiheys ja alhaiset kustannukset, mutta vuotovaara on olemassa. Useimmat lieriömäiset ja prismamaiset kovakuoriset{1}}paristot kuuluvat tähän luokkaan.

Polymeerilitiumparistot (PLB): Käytä geeliä tai kiinteitä elektrolyyttejä, ilman vuotoriskiä ja voi joustavasti muuttaa muotoaan. Useimmat puskuparistot kuuluvat tähän luokkaan, ja niitä käytetään pääasiassa kulutuselektroniikassa.

5. Sovelluksen mukaan: Tavalliset paristot vs. tehoparistot

Tavalliset akut: Käytetään kulutuselektroniikassa, kuten matkapuhelimissa ja kannettavissa tietokoneissa, pieni kapasiteetti (1000mAh-10Ah) ja alhainen purkausnopeus (0,5-2C), vaativat suurta energiatiheyttä.

Virta Akut: Käytetään sähköajoneuvoissa ja droneissa, joissa on suuri kapasiteetti (50Ah-500Ah) ja korkea purkausnopeus (5-30C), joiden on kestettävä suuria virranpurkauksia (esim. auton kiihtyessä), mikä vaatii parempaa turvallisuutta ja käyttöikää.

IV. Litiumparistojen olennainen terminologia: käsitteiden erottaminen kapasiteetista SOC:iin

Kun ostat tai käytät litiumparistoja, kohtaat usein termejä, kuten "kapasiteetti", "C-nopeus" ja "SOC". Näiden käsitteiden ymmärtäminen voi auttaa sinua arvioimaan tarkasti akun suorituskyvyn ja välttämään "virheellisesti merkittyjen parametrien" johdattamisen harhaan.

1. Kapasiteetti: Kuinka paljon sähköä akku voi varastoida?

Määritelmä: Sähkön määrä, jonka akku voi vapauttaa tietyissä purkausolosuhteissa, laskettuna kaavalla Q=I×t (I on virta, t on aika) Ah (ampeeri-tunti) tai mAh (milliampeeri-tunti) yksiköillä.

Selkeä selitys: 1 Ah tarkoittaa, että akku voi purkaa 1 A virralla 1 tunnin ajan ja 1 mAh tarkoittaa, että se voi purkaa 1 mA virralla 1 tunnin ajan. Esimerkiksi matkapuhelimen akku 1900 mAh tarkoittaa, että se voi purkaa 190 mA virralla 10 tuntia.

Yleiset skenaariot: Matkapuhelimen akut: 800-1900mAh; sähköpyörät: 10-20Ah; sähköajoneuvot: 20-200Ah; energiaa varastoivat akut: 100-1000Ah.

2. Lataus/purkausnopeus (C-rate): Kuinka nopea lataus/purkaus on?

Määritelmä: Lataus-/purkausvirta ilmaistuna akun nimelliskapasiteetin kerrannaisena . 1C on virta "täyteen latautumiseen/purkuun 1 tunnissa".

Laskentamenetelmä: Jos akun kapasiteetti on 1500 mAh, 1C=1500mA, 2C=3000mA (täysin purkautunut 0,5 tunnissa), 0,1 C=150 mA (täysin purkautunut 10 tunnissa).

Huomautuksia: Mitä suurempi purkausnopeus, sitä pienempi akun todellinen kapasiteetti (esim. kapasiteetti 2C:n purkauksessa voi olla vain 80 % 1C-purkauksen kapasiteettista), ja sitä vakavampi lämmöntuotanto on. Siksi tehoakkuilla on oltava korkea-purkausnopeus (esim. sähköajoneuvot vaativat yli 5 astetta).

3. Jännite (OCV): Akkujen "jännitealusta".

Nimellisjännite: Akun nimellisjännite. Tavalliset litiumakut ovat 3,2–3,7 V (litiumkobolttioksidi: 3,7 V; litiumrautafosfaatti: 3,2 V), mikä on tärkeä akun suorituskyvyn indikaattori.

Open Circuit Voltage (OCV): Akun jännite, kun kuormaa ei ole kytketty, jota voidaan käyttää akun tilan arvioimiseen (esim. täyteen ladatun litiumkobolttioksidiakun OCV on noin 4,2 V ja noin 3,0 V, kun se on tyhjä).

Jännitteen alusta: Jännitteen vakaa alue akun latauksen ja purkamisen aikana (yleensä 20–80 % kapasiteetista), jossa jännite muuttuu vähän. Esimerkiksi litiumkobolttioksidiakkujen jännitetaso on 3,6-3,9 V, mikä on myös laitteen normaali käyttöjännitealue.

4. Energia ja teho: kuinka kauan sitä voidaan käyttää? Kuinka paljon tehoa se voi tuottaa?

Energiaa: Kokonaissähköenergia, jonka akku voi varastoida, laskettuna kaavalla E=U×Q (U on jännite, Q on kapasiteetti), Wh (watti-tunti) tai kWh (kilowatti-tunti, 1kWh=1 sähköaste). Esimerkiksi 1 900 mAh:n ja 3,7 V:n matkapuhelimen akun energia on 3,7 V × 1,9 Ah=7.03Wh.

Tehoa: Energia, jonka akku voi tuottaa aikayksikköä kohti, laskettuna kaavalla P=U×I, yksiköillä W (watti). Teho määrittää laitteen "purkaustehon". Esimerkiksi sähköajoneuvot tarvitsevat suuritehoisia-akkuja kiihdyttäessään, kun taas matkapuhelimet tarvitsevat vain vähän-tehoisia akkuja.

5. Käyttöikä: Kuinka monta kertaa akku voidaan ladata ja purkaa?

Määritelmä: Yksi akun lataus ja purkaminen on yksi jakso. Kun kapasiteetti heikkenee 60–70 prosenttiin alkuperäisestä kapasiteetista, se katsotaan käyttöiän päätteeksi.

Normaali testi: IEC-standardi edellyttää, että matkapuhelimen litiumakkujen, jotka on purettu 3,0 V:iin 0,2 C:ssa ja jotka on ladattu 4,2 V:iin 1 C:ssa, kapasiteetin tulee olla suurempi tai yhtä suuri kuin 60 % 500 jakson jälkeen; kansallinen standardi määrää, että kapasiteetin tulee olla suurempi tai yhtä suuri kuin 70 % 300 jakson jälkeen.

Käyttöehdotus: Vältä syvälatausta ja purkamista (esim. älä lataa 100 %:iin tai pura 0 %:iin joka kerta), mikä voi pidentää syklin käyttöikää. Esimerkiksi matkapuhelimen akun pitäminen 20–80 prosentissa tehosta voi pidentää käyttöikää yli 1000 sykliin.

6. Purkaussyvyys (DOD) ja lataustila (SOC): Kuinka paljon akussa on virtaa jäljellä?

DOD: Tyhjennetyn kapasiteetin prosenttiosuus nimelliskapasiteetista. Esimerkiksi jos tyhjä kapasiteetti on 500 mAh ja nimelliskapasiteetti on 1 000 mAh, DOD=50%. Mitä syvempi DOD, sitä lyhyempi akun käyttöikä.

SOC: Jäljellä olevan kapasiteetin prosenttiosuus nimelliskapasiteetista . 0% tarkoittaa, että virtaa ei ole, ja 100% tarkoittaa, että se on ladattu täyteen. BMS arvioi akun jäljellä olevan virran SOC:n avulla, ja matkapuhelimen tehonäyttö lasketaan SOC:n perusteella.

7. Katkaisujännite-: latauksen/purkauksen "punainen viiva"

Latauskatkos-Poisjännite: Jännite, jolla akkua ei voi ladata enempää. Litiumkobolttioksidiakkujen jännite on 4,2 V; litiumrautafosfaattiakuille se on 3,65 V. Tämän jännitteen ylittäminen aiheuttaa akkukennojen vaurioitumisen ja lämmön karkaamisen.

Purkauskatkos-Poisjännite: Jännite, jolla akkua ei voi purkaa enempää. Litiumkobolttioksidiakkuille se on 3,0 V; litiumrautafosfaattiakuille se on 2,5 V. Tämän alapuolella oleva jännite aiheuttaa peruuttamattomia vaurioita anodille, eikä kapasiteettia voida palauttaa.

8. Sisäinen vastus: paristojen "näkymätön menetys".

Määritelmä: Akun sisällä oleva vastus, joka estää virran kulkua, mΩ (milliohmin) yksiköissä jaettuna ohmiseen sisäiseen resistanssiin (johtuu materiaaleista ja rakenteesta) ja polarisaatiosisäresistanssiin (sähkökemiallisten reaktioiden aiheuttama).

Vaikutus: Mitä pienempi sisäinen vastus on, sitä korkeampi akun lataus- ja purkuteho on ja sitä vähemmän lämpöä syntyy. Esimerkiksi tehoakkujen sisäinen resistanssi on säädettävä alle 50 mΩ, muuten voimakasta lämmön muodostumista tapahtuu korkean -virranpurkauksen aikana.

V. Litiumparistojen nimeämissäännöt: Mittojen ymmärtäminen malleista

Litiumparistojen nimet vaihtelevat eri valmistajien välillä, mutta yleiset akut noudattavat IEC61960-standardia. Akun tyyppi ja koko voidaan arvioida mallin perusteella, jotta vältytään väärän mallin ostamiselta.

1. Sylinterimäiset paristot: 3 kirjainta + 5 numeroa

Kirjaimen merkitys: Ensimmäinen kirjain osoittaa anodimateriaalin (I=rakennettu-litiumioniin, L=litiummetalli); toinen kirjain osoittaa katodimateriaalin (C=koboltti, N=nikkeli, M=mangaani, V=vanadiini); kolmas kirjain=R (sylinterinen).

Numeron merkitys: Ensimmäiset 2 numeroa=halkaisija (mm), viimeiset 3 numeroa=korkeus (mm).

Esimerkkejä: ICR18650 - I (litium-ionianodi), C (litiumkobolttioksidikatodi), R (sylinterimäinen), halkaisija 18 mm, korkeus 65 mm, yleisin kannettavien tietokoneiden ja sähköajoneuvojen akku; INR21700 - I (litiumionianodi), N (nikkeli-pohjainen katodi, kolmilitium), R (sylinterimäinen), halkaisija 21 mm, korkeus 70 mm, kapasiteetti 50 % suurempi kuin 18650, käytetty Tesla Model 3:ssa.

2. Prismaattiset paristot: 3 kirjainta + 6 numeroa

Kirjaimen merkitys: Kaksi ensimmäistä kirjainta ovat samat kuin lieriömäisillä paristoilla, kolmas kirjain=P (prismaattinen).

Numeron merkitys: Ensimmäiset 2 numeroa=paksuus (mm), keskimmäiset 2 numeroa=leveys (mm), viimeiset 2 numeroa=korkeus (mm).

Esimerkkejä: ICP053353 - I (litium-ionianodi), C (litiumkobolttioksidikatodi), P (prismaattinen), paksuus 5 mm, leveys 33 mm, korkeus 53 mm, tyypillinen matkapuhelimen akku; IFP101520 - I (litium-ionianodi), F (rauta-pohjainen katodi, litiumrautafosfaatti), P (prismaattinen), paksuus 10 mm, leveys 15 mm, korkeus 20 mm, käytetään älykelloissa.

VI. Litiumparistojen koko tuotantoprosessi: Tavoitteena erinomaisuutta jokaisessa vaiheessa materiaaleista kennoihin

Litiumparistojen tuotanto on monimutkainen ja pitkälle automatisoitu prosessi, joka sisältää kolme päälinkkiä: etu-pään, keskipään-ja takapään-prosessit. Kunkin linkin tarkkuusohjaus vaikuttaa suoraan akun suorituskykyyn ja turvallisuuteen, joka tunnetaan "hienokemianteollisuuden ja tarkkuusvalmistuksen yhdistelmänä".

1. Etu-Loppuprosessi: elektrodilevyjen valmistus (avain akun kapasiteetin määrittämiseen)

Lietteen sekoitus: Sekoita katodiaktiiviset materiaalit (esim. LiCoO2), johtavat aineet (hiilimusta), sideaineet (PVDF) ja liuottimet (NMP) tyhjiösekoittimessa tasaisen lietteen muodostamiseksi; sama koskee anodia, jossa grafiitti on aktiivisena materiaalina, CMC/SBR sideaineena ja vesi liuottimena. Perusvaatimus: Lietteen tulee olla tasaista ilman hiukkasia, muuten se johtaa epätasaiseen kapasiteettiin.

Pinnoite: Päällystä katodi/anodiliete tasaisesti virrankerääjän päälle (alumiinifolio katodille, kuparifolio anodille) säätelemällä pinnoitteen paksuutta (±1 μm) ja pintatiheyttä (aktiivisen materiaalin paino pinta-alayksikköä kohti). Perusvaatimus: Pinnoitteen tulee olla tasainen, muuten se aiheuttaa paikallista kuumenemista ja akun kapasiteetin heikkenemistä.

Kuivaus: Haihduta liuotin (NMP tai vesi) uunissa lämpötilan ollessa 80-120 astetta. Tuulen nopeuden ja nopeuden on oltava tarkkoja, jotta vältetään pinnoitteen halkeilu ja käpristyminen.

Kalanterointi: Kylmä-purista kuivattuja elektrodilevyjä tarkkuuskalanterilla lisätäksesi pinnoitteen tiheyttä (vähentääksesi huokoisuutta), parantaaksesi energiatiheyttä ja varmistaaksesi tasaisen paksuuden (±0,5 μm).

Leikkaus: Leikkaa leveät elektrodilevyt pituussuunnassa tarvittavan leveyden kapeiksi nauhoiksi välttäen purseet (purseet aiheuttavat oikosulkuja).

Kielekkeen hitsaus: Hitsaa metalliliuskat (alumiinikielekkeet katodille, nikkeliliuskat anodille) elektrodilevyjen määrättyihin kohtiin virranottopisteinä. Hitsauksen laadun tulee varmistaa, ettei kylmäjuoteliitoksia tai väärää hitsausta tapahdu.

2. Keskimmäinen-pääprosessi: kennojen kokoaminen (avain akun turvallisuuden määrittämiseen)

Kääriminen/pinoaminen: Pinoa katodi, erotin ja anodi järjestyksessä "erotin - anodi - separator - katodi" ja kelaa ne sylinterimäisiksi/prismaattisiksi kennoiksi käämityskoneella (käämitystyyppi) tai pinoa ne prismakennoiksi pinoamiskoneella (pinottu tyyppi). Pinotulla tyypillä on korkeampi tilankäyttöaste ja pienempi sisäinen vastus, mutta alhainen tehokkuus; haavatyyppi on tehokas ja soveltuu massatuotantoon.

Kotelo/kapselointi: Aseta lieriömäiset/prismaattiset kova{0}}kuoret metallikuoriin (teräs-/alumiinikuoret); laita pussisolut alumiini{1}}muovikomposiittikalvokuoriin.

Paistaminen: Laita kapseloidut kennot tyhjiöuuniin ja paista 80-120 asteessa 4-8 tuntia, jotta kosteus poistuu kokonaan kennoista (kosteuspitoisuutta tulee säätää alle 50ppm), muuten se reagoi elektrolyytin kanssa muodostaen haitallisia kaasuja.

Elektrolyytin ruiskutus: Ruiskuta tarkasti mitattu määrä elektrolyyttiä kennoihin kuivassa huoneessa , jonka kastepiste on alle -40 astetta . Elektrolyytin tulee tunkeutua kokonaan elektrodilevyihin ja erottimiin. Injektiomäärän virhettä tulee säätää ±0,1 g:n sisällä, muuten se vaikuttaa akun kapasiteettiin.

Tiivistys: Tyhjiökuumennus-sulje pussikennojen elektrolyytin ruiskutusaukko; tiivistä kovien -kuorikennojen elektrolyytin ruiskutusaukot teräskuulilla (sylinterimäisillä) tai tiivistysnauloilla (prisma) ja varmista ilmatiiviys laserhitsauksella (ilmavuoto aiheuttaa elektrolyytin haihtumista ja kapasiteetin heikkenemistä).

3. Takaisin-Lopeta prosessi: muodostus ja testaus (hyväksyttyjen tuotteiden seulonta)

Muodostumista: Lataa kennot ensimmäistä kertaa muodostaaksesi vakaan Solid Electrolyte Interface (SEI) -kalvon anodin pinnalle, joka päästää litiumionien läpi mutta estää elektronit, mikä on avain akun käyttöikään ja turvallisuuteen. Latausvirta on pieni (0,1-0,2C) ja aika pitkä (8-12 tuntia).

Ikääntyminen: Anna muodostuneiden kennojen seistä huoneenlämmössä tai korkeassa lämpötilassa (45 astetta) 3-7 päivää SEI-kalvon stabiloimiseksi ja poista vialliset kennot, joissa on liiallinen itsepurkautuminen (esim. kennot, joiden jännitehäviö ylittää 50 mV).

Kapasiteetin luokittelu: Suorita vakiolataus-purkaustestit vanhoille kennoille (lataa ylärajajännitteeseen, purkaus alarajajännitteeseen), mittaa todellinen kapasiteetti ja luokka kapasiteetin mukaan (esim. luokka A: 4950-5050 mAh, luokka B: 4850-4950 mAh) varmistaaksesi saman ryhmän kennojen tasaisen kapasiteetin.

Lajittelu: Luokittele kennot parametrien, kuten kapasiteetin, avoimen piirin jännitteen ja sisäisen resistanssin, mukaan ja poista vialliset tuotteet (esim. kennot, joissa on liiallinen sisäinen vastus ja riittämätön kapasiteetti).

Ulkonäön ja suorituskyvyn testaus: Tarkista kennojen ulkonäkö (ei naarmuja, vuotoja tai muodonmuutoksia), suorita eristysvastus, vaihtovirtasisäinen vastus ja oikosulkutestit varmistaaksesi, että turvallisuus täyttää standardit.

VII. Alan trendit ja yrityskäytännöt: Missä on litiumakkujen tulevaisuus?

Uuden energiateollisuuden nopean kehityksen myötä litiumakkuteknologia jatkaa läpimurtoa, ja joukko segmentoituihin aloille keskittyviä yrityksiä on syntynyt, mikä edistää litiumakkujen laajentamista "kulutuselektroniikka-alalta" "teollisuus- ja energia-aloihin".

1. Teknologiatrendit: nestemäisestä kiinteäksi, suuresta kapasiteetista korkeaan turvallisuuteen

Solid-state{0}}-akut: Korvaa nestemäiset elektrolyytit ja erottimet kiinteillä elektrolyyteillä, mikä parantaa huomattavasti turvallisuutta (ei vuodon tai lämmön karkaamisen riskiä), energiatiheydellä jopa 400-600 Wh/kg (kaksi kertaa nykyisten litiumakkujen verrattuna), mikä tukee sähköajoneuvoja, joiden matkamatka on yli 1000 km. Tällä hetkellä puolikiinteät akut (elektrolyyttipitoisuus 5 %-10 %) ovat siirtyneet massatuotantovaiheeseen (esim. NIO ET7 puoli{11}}kiinteäakkuversio), ja kaikkien -solid-state-akkujen odotetaan valmistuvan massatuotantona vuoden 2030 tienoilla.

Pikalataustekniikka: Saavuta "80 % lataus 10 minuutissa" materiaalioptimoinnin (kuten pii-anodit, nopeat-latauselektrolyytit) ja rakennesuunnittelun avulla. Esimerkiksi Xpeng G9:ssä varustettu S4-super{6}}latausakku pystyy lataamaan 400 km:n 10 minuutissa.

Kustannusten vähentäminen: Laajan -mittakaavatuotannon (globaali litiumakun tuotantokapasiteetti on ylittänyt 2TWh), materiaaliinnovoinnin (kuten litiummangaanirautafosfaattia korvaamassa kolmiosaisen litiumin) ja prosessien optimoinnin (kuten CTP/CTC-teknologian, moduulikomponenttien vähentämisen) ansiosta akun hinta on pudonnut 5 CNY/Wh:sta alle 201,155 CNY/Wh ja 201,1550 CNY/Wh. odotetaan laskevan edelleen 1 CNY/Wh:iin tulevaisuudessa.

2. Yrityskäytäntö: Zhongchuang Feiyue - Keskitytään kahden-pyörällisen sähköajoneuvon "akun vaihdon vallankumoukseen"

Kaksipyöräisten{0}}sähköajoneuvojen alalla litiumakkujen käyttö on muuttumassa "latauksesta" "akun vaihtamiseen". Zhongchuang Feiyue (liittyy Zhongchuang New Energy Technology Groupiin) on tämän suuntauksen edustava yritys. Sen ydinkäytäntöjä ovat:

Skenaario{0}}pohjaiset ratkaisut: Tarjoa erittäin-turvallisia ja pitkäikäisiä-litiumparistoja esimerkiksi yhteiskäyttöön sähköpolkupyöriin, pikatoimitukseen (nouto, pikatoimitus) ja henkilökohtaisiin matkoihin. Esimerkiksi jakeluautojen akun käyttöikä on yli 2000 kertaa, mikä vastaa päivittäiseen 100 km:n matkamatkaan.

Innovatiivinen akun vaihtomalli: Esitä käsite "akun vaihtaminen lataamisen sijaan on turvallisempaa" ja ota akun vaihtoasemia käyttöön yli 100 kaupungissa eri puolilla maata. Käyttäjät voivat suorittaa akun vaihdon vain 30 sekunnissa, mikä ratkaisee kaksipyöräisten ajoneuvojen "hitaan latauksen ja latauksen turvallisuusriskit" ongelmat, jotka palvelevat yli 400 miljoonaa kaksipyöräistä -matkailijaa.

Tuotantokapasiteetti ja globalisaatio: Yli 5 GWh:n vuotuisella tuotantokapasiteetilla tuotteita viedään yli 10 maahan, ja ne mukautuvat eri maiden jännitestandardeihin ja ilmasto-olosuhteisiin (esim. Kaakkois-Aasian korkean lämpötilan -lämpöakut, jotka voivat toimia vakaasti 60 asteen ympäristössä).

Johtopäätös: litiumparistot - Energiavallankumouksen ydinmoottori

Litiumakuista on tullut energiavallankumouksen ydinmoottori matkapuhelimista sähköajoneuvoihin, energian varastoinnista matalan{0}}korkeussäästöihin. Niiden teknologinen kehitys ei liity pelkästään laitteiden suorituskyvyn parantamiseen, vaan myös "kaksoishiilen" tavoitteen toteuttamiseen ja energiarakenteen muutokseen. Tulevaisuudessa solid-state-akkujen ja pikalataustekniikan läpimurron ja jatkuvan kustannusten alenemisen myötä litiumparistot tulevat olemaan tärkeä osa useilla aloilla (kuten ilmailu- ja syvänmeren-tutkimuksessa) ja ne tarjoavat vankan tuen ihmisen vihreän energian tulevaisuudelle.

Tavallisille käyttäjille litiumakkujen perusperiaatteiden ja suorituskykyparametrien ymmärtäminen voi auttaa meitä käyttämään akkuja tieteellisemmin (esim. välttämään ylilatausta ja yli{0}}purkautumista). Alan ammattilaisille teknisten trendien ja skenaarioiden tarpeiden ymmärtäminen on avainasemassa mahdollisuuksien löytämisessä litiumakkujen "sadan{1}}miljardin{2} tason radalla". Olitpa kuluttaja tai ammattilainen, litiumakkujen tarina jatkuu edelleen.