Análise de perspectiva das baterias de lítio substituindo chumbo-ácido no campo das baterias automotivas

As baterias de chumbo-ácido são atualmente a principal fonte de energia para SLI em veículos motorizados, e também receberam muitas outras aplicações. As vantagens das baterias de lítio como baterias SLI em vez de baterias de chumbo-ácido estão principalmente em sua vida útil mais longa e maior densidade energética. Em termos de segurança, são consideradas as novas regulamentações europeias sobre o uso de materiais restritivos em veículos, bem como as especificações de custo, design e teste. O ciclo de vida e a reciclagem das duas baterias também são levados em consideração.

1. Substituição da bateria

Ao longo dos anos, os padrões de química e fabricação das baterias de chumbo-ácido foram adaptados a novos requisitos de energia e desafios relativamente rapidamente, ajustando aditivos e melhorando os processos de fabricação existentes, em vez de tentar redesenhar um sistema de baterias completamente novo. Na década de 1960, a vida útil de uma bateria SLI com ácido chumbo era de cerca de 3 anos, e em 2015, à medida que os requisitos de energia e aplicação aumentam, a bateria pode durar até cinco anos ou mais.

As baterias de chumbo-ácido mantiveram participação de mercado, principalmente porque podem atender à alta corrente necessária para a startup ice fria, durabilidade do ciclo de alta temperatura, segurança relativamente alta e custo relativamente baixo. Se você planeja participar deste mercado, então esses são os desafios que qualquer nova tecnologia de bateria deve enfrentar. Nos últimos anos, a estabilidade das baterias de lítio em termos de química e fabricação foi significativamente melhorada, o custo foi continuamente reduzido e o desempenho tem sido continuamente melhorado. Em um sentido mais amplo, em comparação com as baterias de chumbo-ácido, as principais vantagens atuais das baterias SLI de íons de lítio são sua alta densidade energética e longa vida útil.

As baterias SLI de íons de lítio têm desempenho semelhante às baterias SLI existentes com ácido de chumbo, e testes adicionais foram introduzidos para avaliar a estabilidade das baterias SLI de íons de lítio. Incluindo medidas rigorosas de segurança, como proteção contra sobrecarga, testes de destruição do tipo esmagamento ou punção, descarga e carregamento contínuos de baixa temperatura e avaliação do impacto da deposição de lítio.

2. Design de segurança da bateria de íons de lítio

O principal desafio no desenvolvimento das baterias SLI de íons de lítio é o quão segura a bateria está sob condições de abuso ou envelhecimento, e se a fuga térmica ocorrerá. Muitos testes foram realizados para evitar essa situação, mas nem todas as situações são previsíveis. Como o acidente causou danos excessivos ao interior do veículo, o que pode fazer com que a bateria queime devido a incêndios externos ou internos, as precauções tomadas garantirão que a bateria danificada não cause mais faíscas, reduzindo assim a propagação do fogo após o acidente. Além disso, um fator único da bateria é o curto-circuito interno (ISC) que pode ocorrer devido ao seu envelhecimento. Algumas condições comuns, como a formação de dendritos de lítio, penetram no diafragma para causar um curto-circuito, o que faz com que o diafragma encolha devido ao calor e cause um curto-circuito em grandes áreas. Outro desafio para testes padronizados de baterias é que a estrutura externa das baterias de íons de lítio pode ser cilíndrica, bolsa (pacote macio) ou quadrado. Portanto, cada tipo de bateria requer um procedimento de teste mecânico diferente. Essas técnicas podem ser utilizadas para orientar a compreensão da correlação entre testes de segurança e baterias SLI de íons de lítio.

3. Design de bateria SLI

No design das baterias SLI, há uma variedade de materiais de eletrodos e combinações de baterias para escolher. No entanto, quando a tensão geral da bateria é limitada a um típico 12V, é possível substituir a bateria de chumbo-ácido existente neste caso. Atualmente, apenas algumas baterias conectadas em série podem atingir a tensão correta da bateria.

Além da exigência de obter uma tensão da bateria perto de 12V, outros fatores como a facilidade de disponibilidade no mercado consumidor precisam ser considerados. Em comparação com as baterias padrão de chumbo-ácido, esses materiais podem tornar as baterias SLI competitivas. Os materiais de cátodo das baterias de íons de lítio podem ser divididos em camadas, espinheiras e olivinas. O material do ânodo é principalmente carbono. Além de considerar a compatibilidade de materiais de cátodo e ânodo para fornecer a tensão correta da bateria e capacidade de energia, a primeira das baterias de íons de lítio Os três componentes importantes são seu eletrólito. Para a maioria das baterias comerciais, eletrólitos líquidos orgânicos são usados juntamente com sais de lítio solúveis, que podem fornecer a condutividade de íons de lítio necessária. O sal mais comum atualmente utilizado é o LiPF6.

No BEV, a bateria SLI de íons de lítio de 12 V pode ser usada para manter o sistema eletrônico a bordo do veículo quando o veículo não estiver dirigindo. O uso de baterias SLI com ácido de chumbo nesta aplicação não é ideal porque geralmente é projetado para alta potência e não é necessariamente adequado para os cenários de aplicação de descarga de baixa corrente profunda. Nesse sentido, as baterias SLI de íons de lítio apenas compõem as deficiências das baterias SLI com ácido de chumbo.

4. Projeto do sistema de equilíbrio de bateria e gerenciamento de baterias (BMS)

Ao contrário das baterias SLI com ácido de chumbo, o desafio para a tecnologia da bateria de íons de lítio é que elas têm uma alta eficiência de recarga perto de 95% e devem trabalhar estritamente dentro da janela de tensão da bateria. Quando as baterias de íons de lítio são montadas em série e carregadas, elas podem facilmente flutuar fora da janela de tensão da bateria, o material ativo pode começar a sofrer alterações irreversíveis de fase, e o eletrólito pode começar a se decompor. Isso, por sua vez, aumenta a resistência interna da bateria, aumentando assim o efeito de desequilíbrio da bateria. Portanto, o gerenciamento e o monitoramento de baterias individuais tornaram-se práticas padrão para módulos de íons de lítio, e geralmente são incorporados na carcaça da caixa de baterias. Há um grande número de sistemas de BMS no mercado, muitos dos quais são feitos sob medida para produtos químicos específicos de baterias de íons de lítio. O método de carregamento mais simples e econômico é limitar o carregamento da bateria da série. Um método melhor é permitir a redistribuição de energia entre as baterias assim que a bateria atingir seu limite de tensão superior, impedindo que uma única bateria sobrecarrege e cause problemas de segurança.

5. O custo da bateria

Em comparação com as tecnologias existentes, um dos principais desafios das baterias SLI de íons de lítio é fornecer aos consumidores um preço competitivo. Pesquisadores estão trabalhando duro para estudar os problemas da cadeia de valor na fabricação de baterias de íons de lítio. Atualmente, quase 60% dos custos da bateria são considerados compostos de materiais inativos, como coletores atuais, separadores e invólucros de bateria. O custo adicional vem da interfase eletrólito sólido (SEI). ) O tempo e a energia gastos no processo de formação.

6. Políticas e legislação

Os principais impulsionadores da tecnologia são geralmente acompanhados de certas políticas nacionais e internacionais relacionadas à saúde e segurança, seguidas pela legislação. Estes geralmente envolvem o uso de certos produtos químicos ou acessórios químicos que são considerados prejudiciais aos seres humanos e ao meio ambiente. Especialmente quando essas substâncias nocivas são usadas em veículos, seu conceito de design deve ser capaz de alcançar a "reciclagem verde", ou seja, elas podem ser desmontadas para que diversos materiais possam ser reutilizados, reciclados ou descartados com segurança sem causar qualquer poluição ao meio ambiente.

7. Padrões e especificações

Ao longo das décadas, surgiram especificações e padrões e gradualmente desenvolvidos para se adaptar ao desempenho e segurança de quase todas as aplicações de baterias, incluindo baterias SLI para veículos. Por outro lado, a legislação de determinados países ou regiões pode se referir a normas ao lidar com certos requisitos que geralmente têm impacto direto na segurança e na saúde da comunidade e do meio ambiente. A United States Advanced Battery Alliance (USABC) compilou um manual de teste de bateria (Revisão 2) para o Departamento de Energia dos EUA (DoE).

8. Reciclagem de baterias

Atualmente uma empresa com certa força na reciclagem de baterias de íons de lítio.

O acima resume que algumas grandes empresas estão participando ativamente do processo de reciclagem em escala industrial estabelecida das baterias de íons de lítio. A capacidade de reciclagem da indústria de reciclagem emergente aumentará pelo menos cinco vezes nos próximos 7 a 10 anos.

9. Conclusões e perspectivas

Este artigo resume alguns fatores da substituição das baterias SLI com ácido de chumbo por baterias SLI de íons de lítio, que serão um processo gradual nos próximos anos. Com o uso maciço do armazenamento de sistemas de energia renovável, o uso de baterias de chumbo-ácido continuará a crescer, e o foco das baterias SLI de íons de lítio será usado em veículos ICE de médio a alto padrão localizados na Europa, alguns dos quais estão na Ásia e nos Estados Unidos. Para muitos veículos ICE pequenos e baratos, a bateria SLI com ácido de chumbo continuará a ser usada, pois o custo de substituição da bateria será sempre o fator decisivo. Além disso, o mercado consumidor global aumentará o uso de produtos de "economia circular", que se concentrarão na redução dos resíduos ambientais e ao mesmo tempo aumentarão a reciclagem de matérias-primas. Embora a reciclagem de baterias de íons de lítio ainda esteja em sua infância, China, Japão e outros países já realizaram grandes iniciativas. Os Estados Unidos, a Austrália e os países europeus demonstraram as novas funções de reciclagem de materiais em baterias de íons de lítio. Esses processos de reciclagem ocorrerão nos próximos cinco a cinco anos. Perfeito em dez anos.