Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор или свинцовая кислотная батарея?

This post is also available in: English हिन्दी Español Français Português 日本語 Tiếng Việt العربية 简体中文

Преимущества химии свинцовой кислоты батареи

Аккумуляторы — странные устройства. Никто не хочет их, но они нужны всем. Они покупаются только при необходимости. Сколько человек планируют поездку в местный торговый центр в оконный магазин для батарей? Они обиды покупки и только купил, когда абсолютно необходимо. Хороший продавец может продать вам две пары обуви, две машины и, возможно, два дома, если у вас есть деньги, но он не может продать вам две автомобильные батареи SLI. Когда вы покупаете батарею ли солнечная батарея для панели солнечных батарей, электрический велосипед или UPS и инвертор батареи резервной системы или тяги батареи для погрузчиков вы не хотите вы знали больше об этом?

Как работают свинцовые кислотные батареи, в чем разница между типами и моделями, и как насчет различных химий? Они могут быть дорогими. В коммерческом или бытовом применении какова окупаемость, какова срок службы и стоимость замены свинцово-кислотной батареи? Размер, который вам нужен, доступное пространство, энергоэффективность свинцовой кислотной батареи и время подзарядки? А потом, есть скрытые расходы на безопасность, удаление и углеродный след. Эта статья сравнивает свинцовые кислотные батареи с литий-ионной батареей и устраняет многие заблуждения, связанные с обеими этими химическими данными.

над литий-ионной батареей

Восприятие в общественном достоянии является то, что свинцовые кислотные батареи старые технологии. Литий-ионный аккумулятор имеет различное восприятие, он современный, чище, имеет 3 или 4 раза плотность энергии и более длительный цикл жизни. При всем этом, какие возможные преимущества может 150-летний свинцовой кислоты технологии принести к столу? Ну на самом деле, все не так, как кажется, посмотрите за заголовки на данные, используемые в маркетинговых претензий, а затем применить немного здравого смысла, фундаментальные исследования и некоторые рудиментарные науки. Вы увидите, что реальная история довольно разные.

Первое заблуждение касается объемной и специфической плотности энергии. Значения заголовка в 4-5 раз относятся только к определенной плотности энергии и ограниченному числу химий литий-ионных батарей, некоторые из которых до сих пор не используются в коммерческих целях. Рис. 2 сравнивает несколько катодов для литий-ионных аккумуляторных батарей в диапазоне от около 100wh/kg для самой безопасной химии Li-FePO4 до более чем 200Wh/kg для варианта оксида никеля кобальта-алюминия. Диаграмма свинцовой кислотной батареи приведена ниже:

Энергетическая плотность литий-ионной батареи
Рисунок 2 Энергетическая плотность различных химий батареи на уровне клеток
Сравнение литий-ионной батареи на уровне ячейки
Рисунок 3 Сравнение литий-ионной батареи и свинцовой кислоты на уровне ячейки и системы

Эти значения применяются только к одноклеточному уровню, а не к состоянию упаковки или в эксплуатации. Рис. 3 показывает плотность энергии различных химий батареи на уровне ячейки и системы. Энергетическая плотность литий-ионных аккумуляторных батарей практически вдвое уменьшена при полной установке всех соединений, охлаждения, безопасности и оборудования для управления батареей.

Преимущество уровня ячейки в 3-5 раз больше определенной плотности энергии уменьшается в 2-3 раза. В зависимости от литиевого катода химии мы могли бы почти глядя на паритет между литий-ионных батарей и свинцовых кислотных батарей плотность энергии для полностью установленной системы батареи в некоторых приложениях.
Другой фактор, фактор цикла жизни, также является источником путаницы. Сколько циклов может выполнять литий-ионный аккумулятор до падения емкости ниже 80% от его рейтинга таблички? Две, три тысячи? В таблице 1 приводится краткое изложение различных катодных материалов Li-ion для производительности и цикла жизни.

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

Как видно, все они попадают в диапазон циклов от 800 до 2000 года. Для сравнения, хорошо продуманный свинцово-кислотный аккумулятор может легко достичь более 1600 циклов до 80% DOD. Так как же все это сложить при рассмотрении стоимости владения? Это подводит нас к следующему пункту, который является свинцовой кислоты батареи цене. Сколько стоит литий-ионный аккумулятор по сравнению с свинцовой кислотной батареей? Стоимость завода по производству литий-ионных аккумуляторов? Естественно, литий-ионный аккумулятор дороже, но сколько больше. Опять же, это зависит от уровня рассматривается. В пресс-релизах говорится, что цены на Li-ion падают и сейчас находятся в диапазоне в 2-3 раза больше, чем свинцовая кислота.

Действительно? Средние цены на недавний поиск в Интернете Великобритании, чтобы получить цены на коммерчески доступные батареи отдыха 12V и 100 Ah для литий-ионных батарей и свинцовых батарей кислоты:
литий-ионный аккумулятор $960 или $800/кВт/ч
Свинцовая кислотная батарея $215 или $180/кВт/ч
Очевидно, что срок службы литий-ионной батареи должен быть в 4 раза больше, чем у свинцовой кислотной батареи, эквивалентной, чтобы получить такое же значение. Как мы видели, это не так.

От колыбели до ворот выбросов литий-ионных аккумуляторов
Рисунок 6 Колыбели до ворот co2 выбросов для различных химий батареи
Схема колыбели до гра
Рисунок 5 Схема от колыбели до ворот принцип для производства батареи

Во всех случаях конструкция свинцовой кислоты была наиболее рентабельной даже тогда, когда более крупный свинцовой кислотной батареи был установлен, чтобы дать лучшее принятие заряда и более длительный срок службы цикла. В этом примере приложением была телекоммуникационная башня в Индии. Тот же принцип существует в большинстве приложений и географических регионов, в большей степени в более холодном климате. Другое заблуждение состоит в том, что Ли-ион является более чистой технологией и менее загрязняет окружающую среду кислоты. Колыбель к выбросам ворот для различных химий батареи дается в фигах. 5 и 6.

На этом рисунке показана граница операций по производству аккумуляторов. От добычи и транспортировки сырья вплоть до всех перерабатывающих ступеней до точки, где батареи готовы к отправке.

Таблица 2 представляет собой реальную ситуацию, сравнивая экономику использования литий-ионной батареи и свинцовой кислотной батареи, работающей в течение разных периодов жизни.

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

Эти данные Аргоннской национальной лаборатории показывают, что общий производственный процесс, включая добычу и транспортировку сырья для литий-ионных батарей, более чем в 4 раза превышает стоимость свинцовой кислоты. Что касается добычи материалов, то поставки основных катодных материалов, таких как кобальт и марганец и литий, не являются полностью определенными. Процессы добычи и рекуперации существуют, однако количество шахт и производственных площадок может ограничить предложение, если спрос значительно возрастет. Геополитическая карта также предсказывает неопределенность для некоторых источников этих материалов.

Переработка и безопасность этих химических веществ являются важными факторами. Известно, что почти все компоненты свинцовых кислотных батарей на 100% перерабатываются, в то время как нет коммерческих процессов по переработке литий-ионных аккумуляторов. Эта ситуация понятна, если учесть, что более дорогие компоненты Li, Co, Mn и т.д. являются лишь небольшой долей от общего количества литий-ионных батарей. Например, литий составляет около 4% от общего веса клеток. Добавьте к этому очевидный факт, что литий является высокореактивным (основа его высокой плотности энергии), что по понятным причинам делает его дорогим для извлечения из отходов.

Дополнительный фактор сложности с большим количеством различных материалов в его строительстве затрудняет переработку, как технически, так и экономически. В результате? Существует просто нет коммерческих стимулов для переработки этих батарей. По этой причине предприятия по переработке отходов все еще находятся на экспериментальном этапе и в основном финансируются государством.
В настоящее время подавляющее большинство утилизированных литий-ионных аккумуляторов накапливаются в ожидании либо технологического прорыва, либо законодательства, чтобы заставить их рециркуляции. Если последние будут реализованы, то это будет издержки, в конечном счете, для потребления. Это приведет к дальнейшему увеличению цен на ли-ионные ячейки по сравнению с типами свинцово-кислотных батарей.

Наконец, у нас есть безопасность. Нет свинца кислоты батареи приложений к нашим знаниям никогда не было безопасности напомнить, как мы знаем, это в случае с Li-ионной батареи в портативных электронных устройств и даже электрических транспортных средств. Рис. 7 показывает, что случилось с новым гибридным Volvo в Великобритании всего пару недель назад, на момент написания этой статьи. В этом случае его литий-ионные батареи загорелись при зарядке.

Рисунок 7 Пожар, вызванный ли-ионной батареей в гибридном электромобиле Volvo: резиденция в апреле 2018 года в Великобритании

литий-ионный аккумулятор стал причиной пожара в новом автомобиле Volvo EV
Сгоревший автомобиль Volvo пожар, вызванный литиевой батареей
Пожар, вызванный литий-ионной батареей
Пожарные обить огонь, вызванный литиевой батареи

Даже при хранении или транспортировке литий-ионных батарей были причиной серьезно опасных пожаров. Хотя эти случаи редки, они должны быть признаны, и подходящее оборудование безопасности и программное обеспечение для управления батареей должны быть установлены. Нью-йоркские пожарные, например, все еще находятся в процессе принятия решения о том, как бороться с пожарами литий-ионных батарей. Это убедительно свидетельствует о необходимости пересмотра существующих мер безопасности литий-ионных аккумуляторов во всем мире.

Ниже приводится мнение из Нью-йоркского пожарного департамента:

Новости статьи цитатой: AWS утилита диск 15 ноября 2016 «Огонь не самая большая проблема», сказал Роджерс. Пожарные обучены бороться с пожарами, но они должны знать, что они имеют дело с. Ли-ионные батареи могут выделять токсичные кислоты и легковоспламеняющиеся пары. Некоторые из этих паров потребляются в результате пожара, но если они не являются, они могут воспламениться или быть проблемой для пожарных. Самая большая проблема заключается в том, что происходит «после операции», то есть после пожара потушен. Даже если батарея выключена, она может возродиться на срок до 72 часов, сказал Роджерс. -Lt. Пол Роджерс пожарной службы в Нью-йорке опасных материалов операций отдела «

Литий-ионный аккумулятор резюме

Литий-ионный аккумулятор, безусловно, имеют лучшие характеристики производительности, чем свинцовая кислота. Однако эти преимущества значительно сокращаются за счет дополнительного оборудования, связанного с требованиями безопасности и управления. Конечным результатом является то, что свинцовые кислотные батареи имеют явные преимущества, особенно при рассмотрении приложений, которые не ограничены весом или заряда принятия. Более низкая начальная стоимость свинцово-кислотных аккумуляторов; низкая закупочная цена и низкая стоимость амортизации свинцовой кислоты в сочетании с ее низким воздействием на окружающую среду и внутренней безопасностью обеспечивают следующие преимущества:

  • Более низкая закупочная цена. Цена составляет около четверти эквивалента Li-ion. Более низкие эксплуатационные расходы, чтобы дать более низкую общую стоимость владения в большинстве приложений.
  • Утилизация. Почти 100% всех материалов свинцовой кислоты батареи перерабатываются. Стоимость лома может обеспечить дополнительный доход до 20% от стоимости материала батареи. Литий-батарейки не имеют инфраструктуры или коммерческого процесса для переработки
  • Безопасности. Химия свинцовой кислоты по своей сути безопаснее, чем у литий-ионной батареи
  • Устойчивости. Существует много хорошо заочный источник снабжения свинцовой кислотой, особенно на предприятиях по переработке отходов. Литий и другие катодные материалы могут поставляться из политически чувствительных районов. Как нынешняя глобальная добыча, так и производственные возможности не будут поддерживать быстрый рост производства литий-ионных аккумуляторов.
  • Углеродный след. Производство свинцовой кислотной батареи имеет колыбель для выхода на выбросы углекислого газа в одну треть от объема литий-ионных батарей.

Там у нас есть все. Другая картина, нарисованная компаниями литий-ионных аккумуляторов. Хотя нельзя утверждать, что свинцовая кислота имеет недостаток в плотности энергии, можно отметить, что она по-прежнему является высококонкурентной технологией и остается лучшим выбором во многих приложениях.

Оставьте свои комментарии ниже. Мы ценим ваши мысли.

Пролистать наверх