リチウムイオン電池

リチウムイオン電池や鉛蓄電池?

鉛蓄電池化学のメリット

電池は奇妙なデバイスです。 誰もそれらを望んでいませんが、誰もがそれらを必要としています。 必要な場合にのみ購入されます。 何人の人がバッテリーの窓屋に地元のモールへの旅行を計画していますか? 彼らは恨みの購入であり、絶対に必要なときにのみ購入します。 良いセールスマンは、あなたがお金を持っている場合は、靴の2ペア、2台の車と多分2つの家を販売することができますが、彼はあなたに2つのSLI自動車電池を販売することはできません。 ソーラーパネル用の太陽電池、電動自転車、UPS、インバータバッテリーバックアップシステム、フォークリフト用のトラクションバッテリーなど、バッテリーを購入する場合は、それについてもっと知ってほしいと思いませんか?

鉛蓄電池の仕組み、タイプとモデルの違い、異なる化学品はどうですか? 彼らは高価なことができます。 商用または国内のアプリケーションでは、見返りは何ですか、鉛蓄電池の交換の生命とコストは何ですか? 必要なサイズ、利用可能なスペース、鉛蓄電池のエネルギー効率と充電時間? そして、安全、処分、カーボンフットプリントの隠れたコストがあります。 この記事では、鉛蓄電池とリチウムイオン電池を比較し、これらの化学に関連する誤解の多くを取り上げます。

リチウムイオン電池の上

パブリックドメインの認識は、鉛蓄電池は古い技術であるというものです。 リチウムイオン電池は、異なる認識を有し、それは現代、クリーン、それは3または4倍のエネルギー密度と長いサイクル寿命を有する。 このすべてで、150年前の鉛酸技術はどのような利点をもたらす可能性がありますか? 実際には、すべてが思うようには見えない、マーケティングの主張で使用されるデータの見出しの後ろを見て、その後、常識、基礎研究といくつかの初歩的な科学のビットを適用します。 あなたは本当の話がかなり異なっていることがわかります。

最初の誤解は、体積と特定のエネルギー密度に関するものです。 4〜5倍の見出し値は、特定のエネルギー密度と限られた数のリチウムイオン電池化学に関連し、そのうちのいくつかはまだ商業的に使用されていません。 図。 2はリチウムイオン電池セルのいくつかの陰極を比較し、リチウムイオン電池セルの場合、最も安全なLi-FePO4化学の約100Wh/kgからニッケルコバルト-酸化アルミニウム変種の200Wh/kg以上の範囲です。 鉛蓄電池図は以下の通りです:

リチウムイオン電池のエネルギー密度
図2 電池レベルにおける各種電池のエネルギー密度
電池レベルにおけるリチウムイオン電池の比較
図3 リチウムイオン電池と鉛蓄電池のセルレベルとシステムレベルの比較

これらの値は単一セルレベルにのみ適用され、パックまたはサービス内条件には適用されません。 図。 3は、セルレベルとシステムレベルで異なるバッテリの化学のエネルギー密度を示しています。 リチウムイオン電池セルのエネルギー密度は、すべての接続、冷却、安全およびバッテリ管理装置を完全に設置すると、実質的に半減します。

この細胞レベルの利点は、特定のエネルギー密度の3〜5倍が2〜3倍に減少する。 リチウムカソードの化学に依存して、リチウムイオン電池と鉛蓄電池のエネルギー密度の間のパリティを見て、一部の用途では完全に設置されたバッテリーシステムを使用する可能性があります。
もう一つの要因は、サイクルライフの要因でもあり、混乱の原因でもあります。 リチウムイオン電池は、容量が銘板定格の80%を下回るまでに何サイクル実行できますか? 2、3000? 表1は、パフォーマンスとサイクル寿命のための異なるLiイオンカソード材料の概要を示しています。

Cathode material Short name Nominal voltage Specific energy Wh/kg (cell) Cycle life Comments
Lithium Cobalt Oxide
(LiCoO2)
LCO 3.6 150-200 500-1000 Portable devices - thermal runaway on overcharge
Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4) LMO 3.7 100-150 300-700 Power tools, medical devices - safer than LCO
Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCO2) NMC 3.6/3.7 150-220 1000-2000 E-bikes, EV, industrial - high cycle life
Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) LFP 3.2 90-120 1000-2000 EV, SLI, Leisure - safest of all lithium ion battery chemistries
Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO2) NCA 3.6 200-260 500 Industrial, EV powertrain (Tesla) TR at 150C, CL 500
Lithium Titanate (Li4Ti5O12) LTO 2.4 50-80 UPS, Solar, EV powertrain (Honda, Mitsubishi). CL 3000-7000 - very safe

見ることができるように、すべての800〜2000サイクル範囲内に収まる。 それに比べて、優れた設計の鉛蓄電池は、1600サイクル以上の80%DODを簡単に達成できます。 それでは、所有コストを考慮すると、このすべてがどのように加算されるのでしょうか? これは、鉛酸電池価格である次のポイントに私たちをもたらします。 リチウムイオン電池は鉛蓄電池と比べてどれくらいの費用がかかりますか? リチウムイオン電池製造工場のコスト? 当然のことながら、リチウムイオン電池はより高価ですが、どのくらい多く。 ここでも、これは考慮されるレベルによって異なります。 プレスリリースは、李イオン価格が下落しており、現在は鉛酸の2〜3倍の範囲であることを教えてくれます。

ほんとですか。 リチウムイオン電池と鉛酸電池の両方の12Vと100 Ahの市販のレジャーバッテリーの価格を得るために、最近の英国のインターネット検索の平均価格:
リチウムイオン電池 $960 または $800/kwh
鉛蓄電池 $215 または $180/kwh
リチウムイオン電池の寿命は、同じ値を得るために、鉛蓄電池の4倍にする必要があります。 私たちが見てきたように、これはそうではありません。

クレードルからゲートエミッションリチウムイオン電池へ
図 6 さまざまなバッテリの化学に対するゲート CO2 排出量へのクレードル
グラへの揺りかごの模式図
図 5 電池製造のためのゲート原理へのクレードルの概略

すべてのケースで鉛電池の構造はより大きい鉛酸電池はよりよい充てなった受け入れおよびより長い周期の生命を与えるために合わせられた場合でさえ最も費用効果があった。 この例では、アプリケーションはインドの通信塔でした。 同じ原則は、ほとんどのアプリケーションや地域で当てはまります, より寒い気候で. もう一つの誤解は、リチウムイオンはよりクリーンな技術であり、鉛酸よりも汚染が少ないということです。 異なる電池化学のためのゲート放出への揺りかごは図に示される。 5および6。

この図は、バッテリ製造の動作の境界を示しています。 すべての加工ステップを通じて、原材料の抽出と輸送から、電池の出荷準備が整う地点まで。

表2は、異なる寿命にわたって働くリチウムイオン電池と鉛酸電池を用いた経済性を比較した現実の状況である。

Cost item Daily running costs USD Daily running costs USD
3 Years Lead Acid Battery Lithium ion battery
Amortisation 8.30 16.90
Diesel (delivered) 15.50 15.50
Maintenance 2.46 2.46
Electricity 1.47 1.47
Battery Charging 0.65 0.50
Total day/month 28.38/851 36.83/1105
6 Year
Amortisation 5.86 8.46
Diesel 15.50 15.50
Maintenance 2.46 2.46
Electricity 1.47 1.47
Battery Charging 0.54 0.50
Total day/month 25.83/775 28.39/852

アルゴンヌ国立研究所からのこのデータは、リチウムイオン電池の原料の抽出および輸送を含む総製造プロセスが鉛酸価の4倍以上であることを示しています。 材料の抽出に関しては、コバルトやマンガン、リチウムなどの塩基性カソード材料の供給は完全には確実ではない。 抽出と回収のプロセスは存在しますが、需要が大幅に増加した場合、鉱山や製造現場の数は供給を制限する可能性があります。 地政学的地図はまた、これらの材料のいくつかのソースの不確実性を予測します。

これらの化学のリサイクル性と安全性は重要な要因です。 鉛蓄電池のほぼすべての成分が100%リサイクルされているのに対し、リチウムイオン電池をリサイクルする商業プロセスは存在しない。 この状況は、Li、Co、Mnなどのより高価な成分がリチウムイオン電池の総量のほんの一部に過ぎないことを考えると理解できます。 例えば、リチウムは全セル重量の約4%である。 これに加え、リチウムは反応性が高い(その高いエネルギー密度の基礎)という明白な事実を加えると、廃棄物から抽出するのに費用がかかります。

その構造の多くの異なる材料との複雑さの追加要因は、技術的にも経済的にもリサイクルを困難にします。 結果は? これらの電池をリサイクルする商業的インセンティブはありません。 このため、リサイクル施設はまだパイロット段階にあり、主に政府が資金を提供しています。
現在、廃棄されたリチウムイオン電池の大半は、技術的なブレークスルーまたはリサイクルを強制する法律のいずれかを待って備蓄されています。 後者が実装される場合、コストが発生します。 これは鉛電池のタイプと比較してLiイオン電池の価格をさらに高めるであろう。

最後に、私たちは安全を持っています。 私たちの知識への鉛酸電池アプリケーションは、ポータブル電子機器や電気自動車のLiイオン電池の場合に当てはまることを知っているように、これまで安全リコールを受けたことがない。 図。 7は、この記事を書いた時点で、ほんの数週間前に英国の新しいハイブリッドボルボに何が起こったかを示しています。 この場合、リチウムイオン電池は充電時に火災を引き起こしました。

図 7 ボルボハイブリッド電気自動車のリチウムイオン電池による火災:2018年4月-英国の住宅

新しいボルボEV車の火災の原因リチウムイオン電池
リチウム電池による焼けたボルボ車火災
リチウムイオン電池による火災
リチウム電池による火災を使用する消防士

リチウムイオン電池を貯蔵または輸送した場合でも、深刻な危険な火災の原因となっています。 これらの機会はまれですが、彼らは認められなければいなければいま、適切な安全装置とバッテリー管理ソフトウェアをインストールする必要があります。 例えば、ニューヨークの消防署は、リチウムイオン電池の火災に取り組む方法を決定中です。 これは、世界中のリチウムイオン電池に対する既存の安全対策を見直す必要があることを強く示唆している。

以下はニューヨーク消防署からの眺めです:

ニュース記事の引用:AWSユーティリティドライブ11月15、2016「火災は最大の問題ではない」とロジャーズは言いました。 消防士は火災に対処するように訓練されていますが、彼らは彼らが何を扱っているかを知る必要があります。 リチウムイオン電池は、有毒な酸および可燃性蒸気を放出することができる。 これらの蒸気の一部は火災によって消費されますが、そうでない場合は、消防士に点火したり問題になる可能性があります。 最大の問題は、火が消えた後の「ポストオペ」が何が起こるかです。 たとえバッテリーがシャットダウンされたとしても、最大72時間も上昇する可能性がある、とロジャーズは言った。 -Lt. ニューヨークの危険物事業部門のポール・ロジャース消防署」

リチウムイオン電池の概要

リチウムイオン電池は、鉛酸よりも優れた性能特性を持っています。 ただし、これらの利点は、安全性と管理の要件に関連する追加のハードウェアによって大幅に削減されます。 正味の結果、鉛蓄電池は、特に重量や電荷の受け入れによって制限されないアプリケーションを考慮する際に明確な利点を有する。 鉛酸電池製造プラントコストの低い初期コスト。低い購入価格と鉛酸の低償却コストは、低い環境への影響と固有の安全性と組み合わせることで、次の利点を提供します。

  • 購入価格を下げる。 価格は李イオン相当の約4分の1です。 運用コストが低く、大半のアプリケーションで総所有コストを削減できます。
  • リサイクル。 鉛蓄電池材料のほぼ100%がリサイクルされています。 仕損値は、バッテリー材料コストの最大 20% の追加収益を提供できます。 リチウム電池は、リサイクルのためのインフラストラクチャや商業プロセスを持っていません
  • 安全。 鉛酸の化学は、リチウムイオン電池の化学より本質的に安全である
  • 持続 可能性。 鉛酸の供給源は、特にリサイクル施設から確立されています。 リチウムやその他のカソード材料は、政治的に敏感な地域から供給される可能性があります。 現在のグローバル材料の抽出と製造能力の両方は、リチウムイオン電池の生産の急速な増加をサポートしません。
  • カーボンフットプリント。 鉛蓄電池の製造はリチウムイオン電池の3分の1のカーボンフットプリントをゲートするゆりかごを持っている。

そこに私たちはそれをすべて持っています。 リチウムイオン電池会社が描いたものとは別の絵。 鉛酸はエネルギー密度に不利であると主張することはできませんが、それはまだ競争の激しい技術であり、多くのアプリケーションで最良の選択であり続けることをポイントにすることができます。

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