Uus energiatehnoloogia tunnistatakse 21. sajandil kõrgtehnoloogiliseks. Uue energiamajanduse olulise osana on akutööstusest saanud uus kuum koht globaalses majandusarengus. Praegu on liitium-ioon akusid laialdaselt kasutatud olulise energiaallikana. Kas elektroonilise side või transpordi valdkonnas mängib ta väga olulist rolli ja tal on laialdased rakendusvõimalused.
Liitium-ioon aku on omamoodi sekundaarne aku. See on uut tüüpi aku, mis on välja töötatud liitiumaku põhjal. See tugineb peamiselt liitiumioonidele, mis liiguvad positiivsete ja negatiivsete elektroodide vahel. Alates 1970. aastatest on kasutusel ja kasutatud laialdaselt mitmesuguseid kõrge spetsiifilise energia liitium-primaarseid patareisid, mis kasutavad liitiummetalle negatiivse elektroodina.
Liitium-ioon akul on kõrge töpinge, kõrge spetsiifiline energia, suur võimsus, väike isevoolu, hea tsükkel, pikk kasutusiga, kerge kaal ja väike suurus. See on kaasaegsete kõrgtehnoloogiliste akude esindaja ja kaasaskantav elektrooniline seade, näiteks mobiiltelefonid ja sülearvutid. Ideaalne toiteallikas peaks tulevikus muutuma üheks peamiseks elektrisõidukite ja juhtmeta tööriistade energiaallikaks.
Liitium-ioonakutööstuse arengu ajalugu Hiinas ei ole pikk, kuid see areneb väga kiiresti. 2012. aastal oli ioonakude kogutoodang Hiinas 4,18 miljardit. Rahvusvahelises liitium-ioonakuturul on Hiina, Jaapan ja Lõuna-Korea moodustanud kolmjalgse olukorra. Hiina liitium-ioon-akutööstuse tehnoloogiline areng algas välismaiste küpsete tehnoloogiate imiteerimisega. Protsessi innovatsioon on Hiina liitium-ioon-akutööstuse varajase arengu peamine saavutus. Viimastel aastatel on kasvanud investeeringud tehnoloogilisse innovatsiooni, Hiina Liitium-ioonaku aku tööstus on tehnoloogiliste uuenduste osas kiiresti arenenud ning moodustanud tööstuse põhilise konkurentsivõime ja on teatud valdkondades kogunud teatud tehnoloogilisi eeliseid.
Liitium-ioonakude materjalide uuringute staatus ja arengusuund
Liitium-ioonakude peamised struktuurid on positiivne elektrood, negatiivne elektrood, liitiumioonidega juhtiv elektrolüüt ja positiivne ja negatiivne elektrood eraldav eraldaja. Liitium-ioonakude elektrokeemilised omadused sõltuvad peamiselt kasutatud elektroodide ja dielektriliste materjalide struktuurist ja omadustest. Eelkõige määravad elektroodimaterjalide valik ja kvaliteet otseselt kindlaks liitium-ioonaku aku omadused ja hinna.
Praegu keskendub liitium-ioonakude katoodimaterjalide uurimine peamiselt liitiumkobaltoksiidile ja liitiumnikkelile. Samal ajal on mõnede uute katoodimaterjalide (nagu Li-Mn-O materjalid ja juhtivad polümeerid) tõus samuti katoodimaterjal liitium-ioonakude jaoks. Areng on süstinud uut elujõudu ja see on oluline uurimissisu selles valdkonnas, et leida uus süsteem, mis on mõeldud kõrgepinge, suure spetsiifilise võimsuse ja hea tsükli jõudlusega liitium-ioonide sekundaarpatareide katoodimaterjalide arendamiseks. Praegu on liitium-ioonakude positiivsed elektroodimaterjalid ikka veel siirdemetallide oksiidid nagu LiCoO2, LiNi02, LiMn2O4 ja nende komposiitmaterjalid. Aastatel 2005–2010 muutuvad liitium-ioon akudeks suure energiatihedusega polümeerkatoodi materjalid ja orgaanilised sulfiidid ning anorgaanilised sulfiidid. Uue põlvkonna katoodimaterjalid. Liitium-ioonakude anoodimaterjalid hõlmavad peamiselt süsiniku materjale, liitiummetallide sulameid, metallioksiide, metalli nitriide, nano-silikone jne. -silikoonid on muutunud teadus- ja arendustegevuseks kuumaks. . Liitium-ioon aku elektrolüüdi materjali kasutatakse peamiselt selle lahusti elektrolüüsimiseks veevabaks orgaaniliseks aineks ja enamik neist kasutavad segatud lahusteid nagu EC-DMC ja PC-DMC. LiPF6 on kõige sagedamini kasutatav juhtiv sool.
Liitium-ioonakude katoodimaterjalide puhul on liitiumkobaltoksiidi katoodimaterjalidel endiselt tugev elujõulisus tulevikus. Praeguses kaubandusliku liitium-ioonaku akusüsteemis tuginevad liitiumkobaltoksiidi akud nende kõrgele laengule ja kõrgepingele. Eeliseks on endiselt eelistatud aku süsteem kõrgekvaliteediliste 3C akutoodete jaoks; samas kui kihilisel LiNixCo1 – x – yMnyO2 katoodimaterjalil on mitte ainult kõrge energiatihedus, vaid ka materjali ohutuse, tsükli stabiilsuse, kõrge temperatuuri ja ettevalmistuskulude omadused. See on suhteliselt suurepärane. Maailmas kasutatud katoodimaterjalide osakaal on aasta-aastalt suurenenud. See ei ole mitte ainult järk-järgult asendanud mõned liitiumkobaltoksiidi materjalide rakendused, vaid ka uute energiasõidukite akude kasutamisel. See on tulevikus üks kõige lootustandvamaid katoodimaterjale. Lähitulevikus domineerivad liitiumioontraadi katoodimaterjalide põhisuundi endiselt liitiumkobaltoksiidi ja LiNixCo1 – x – yMnyO2 materjalid. Liitiumi raudfosfaadi ja spinelli mangaanipõhistel materjalidel on mitte ainult madalamad valmistamis- ja ressursikulu, vaid ka suurepärane ohutus ja tsükli stabiilsus. Need on eelistatud katoodimaterjalid patareide jaoks, eriti LiNi0.5Mn1.5O4 / Li4Ti5O12. Süsteemi toiteallikas võib saavutada kiire laengu ja tühjenemise, mis on tulevikus üks uute energiasõidukite elektritoiteallikate põhisuundadest. Kõrge energiaga tihedusega NCA katoodimaterjalid on paigutatud kõrgekvaliteedilistesse 3C tootepatareidesse ja uutesse energiasõidukite elektritoiteallikatesse, kuid kõrged kulud, karmid aku tootmistingimused ja muud tegurid piiravad selle laia valikut rakendusi. Liitiumi raudfosfaat, kaalium-manganaat ja NCA katoodimaterjalid on praeguses katoodimaterjali struktuuris alati teatud asendis. Kihiline liitiumirikas mangaanipõhine materjal on järgmise põlvkonna suurima energiatihedusega tööstuslikult toodetud katoodimaterjal ning turul on laialdased rakendusvõimalused. Teadlased peavad siiski tegema endiselt struktuuriprobleemidest tingitud kõrge pöördumatu suutlikkuse ja halva maksumääraga probleeme. Põhjalik uuring.
Pärast liitium-ioonakude turustamist 1990. aastatel on süsinikmaterjale laialdaselt kasutatud liitium-ioonakudes ja need on jätkuvalt liitium-ioonakude põhilised põhimaterjalid. Uues süsiniku anoodis keskendutakse tuleviku arendamisel suure võimsusega grafiidi anoodidele ja mitte-grafiidi suure võimsusega süsinikanoodidele, et rahuldada tulevaste energia- ja suure energiatarbega akude vajadusi. Süsinikjuhtivatel ainetel on oluline mõju aku jõudlusele. Uute juhtivate ainete uurimine keskendub kõrge süsinikusisaldusega ja komposiitjuhtivate ainete väljatöötamisele, mis saadakse uute süsiniku materjalide, nagu süsinik-nanotorude ja grafeeni, segamisega. Tänu spetsiaalsele ja kahemõõtmelisele paindlikule struktuurile on viimastel aastatel liitium-ioonakude valdkonnas laialdaselt kasutatud süsinik-nanotoru komposiitjuhtivaid aineid. Süsinik-nanotorude ja grafeeni komposiitelektroodide materjale kasutatakse laialdaselt suure võimsusega liitium-ioonakudes ja liitium-ioon-akudes pärast seda, kui neid on parandatud sobiva elektrokeemilise jõudluse ja optimeeritud kasutamisel.
Liitium-ioonaku patarei seisund ja arengusuund
Liitium-ioonaku on alati võimalik jagada kolme suureks turuks: tarbeelektroonika turg, elektriautode turg, tööstus- ja energiasalvestuse rakenduste turg. Esimest nimetatakse üldiselt 3C väikese liitium-ioonaku akuturuks ning viimased kaks on liitium-ioonaku võimsus.
Liitium-ioon akutööstuse arendamine on koondunud 3C tööstusele rohkem kui 20 aastat ja seda kasutatakse vähemate suurte energiasalvestite ja akude jaoks (mis vajavad koheselt suuri voolu), mis hõlmab puhtaid elektrisõidukeid ja hübriide. elektrisõidukid. Sõidukid, keskmised ja suured UPSid, päikeseenergia, suured energiasalvestusakud, elektrilised käsitööriistad, elektrilised mootorrattad, elektrilised jalgrattad, kosmoseseadmed ja õhusõidukite akud. Üks peamisi põhjusi on see, et liitiumpatareides kasutatav liitiumkobaltoksiidi katoodimaterjal (LiCoO2, mis on kõige tavalisem liitium-ioonaku) on varem kulukas ja keeruline rakendada sellistes erilistes keskkondades nagu läbitorkamine, kokkupõrge, kõrge temperatuur ja madal temperatuur. Veelgi olulisem on see, et seda on kritiseeritud inimeste absoluutsete ohutusnõuete täitmata jätmise eest. Kolleegid, liitiumkobaltoksiidi patareid ei suuda saavutada kiiret laadimist ja vältida täielikult sekundaarset reostust ning peavad kavandama kaitsekontrollid, et vältida ülekoormust või ülemäärast tühjendamist, vastasel juhul põhjustab see plahvatuse ja muid ohte, isegi kui Sony aku plahvatus põhjustab ülemaailmne brändi NB tööstus on suurel määral investeerinud ringlussevõttu.
Praegu on ülemaailmne ja Hiina liitium-ioonaku akumulaatorite müük peamiselt tarbeelektroonika turul, kuigi selle turuosa väheneb. 2012. aastal müüdi kogu maailmas müüdavatest 38,166 miljonist kWh liitium-ioonakust 72,28% tarbeelektroonika turust. Hiina turul oli suhtarv 65,40% (liitium-ioonakude kogumüük oli 66,20 miljonit kWh). 2012. aastal oli mobiiltelefonide liitium-ioonakude kogus maailmas 108 600 100 kWh, mis oli 2011. aastal 1,094,20 miljonit kWh madalam. Hiina turul on siiski mobiiltelefonide liitium-ioonakude koguarv kasvas 6,30%. Hiinas asendavad nutitelefonid traditsioonilisi telefone kiiresti. Praegu on enamik nutitelefone varustatud akutorudega vähem kui ühe päeva, mis tähendab, et isegi kui liitium-ioonakude energiatihedus on kahekordistunud, on nõudluse rahuldamine keeruline. Seega, mõnda aega, kasvab kiiresti mobiilside elektriturg, kus tarbeelektroonika igal ajal laadib. 2012. aastal oli ülemaailmne nõudlus 1,23 miljoni kilovatt-tundilise liikuva võimsusega liitium-ioonakude järele, millest üle 80% on valmistatud Hiinas, millest Hiina turg on tarbinud 52,20 miljonit kWh, mis on selle turu peamine jõud. Hiina tahvelarvutite turg areneb kiiresti ja pidevalt. Aastane kasvumäär on kõrgem kui maailma keskmine. Tahvelarvutite müügi kiire kasv on otseselt suurendanud liitium-ioonakude müüki. 2012. aastal oli Hiina liitium-ioonakude müügimaht Hiinas jõudnud 284 900ni. kWh, kasv 91,97%.
Tööstus-ja energiasalvestusturul kasutatav liitium-ioonaku jaguneb peamiselt kolme kategooriasse: elektrilised tööriistad, mobiil-baasjaamade toiteallikad ja tuuleenergia tootmine. 2012. aastal tarbis liitium-ioonakude kogunõudlus maailmas, tööstus- ja energiasalveturul 4,736 miljonit kWh, mis moodustas 12,25%; Hiina turg tarbis kokku 731 500 kWh liitium-ioonakusid, see osa on 15,65%, mis on kõrgem kui globaalne.