锂离子电池

锂离子电池还是铅酸电池?

铅酸电池化学的优点

电池是奇怪的设备。 没有人想要他们,但每个人都需要他们。 它们仅仅在需要时购买。 有多少人计划去当地的购物中心买电池? 他们是一种怨恨的购买,只有在绝对必要的时候才购买。 一个好的推销员可以卖给你两双鞋,两辆车,也许两栋房子,如果你有钱,但他不能卖给你两个SLI汽车电池。 当你买电池时,无论是太阳能电池板的太阳能电池,电动自行车或UPS和逆变电池备份系统或叉车牵引电池,你不希望你知道更多吗?

铅酸电池是如何工作的,类型和型号之间有什么不同,不同的化学成分如何? 它们可能很贵。 在商业或国内应用中,回报是多少,更换铅酸电池的使用寿命和成本是多少? 您需要的大小、可用空间、铅酸电池的能效和充电时间? 然后是安全、处置和碳足迹的隐性成本。 本文将铅酸电池与锂离子电池进行对比,并解决了与这两种化学品相关的许多误解。

锂离子电池

公共领域的看法是铅酸电池是老技术。 锂离子电池有不同的感知,它是现代的,更清洁的,它有3或4倍的能量密度和更长的循环寿命。 有了这一切,150岁的铅酸技术能带来哪些可能的优势? 实际上,一切都不像看起来那样,看看标题后面用于营销声明的数据,然后应用一些常识,基础研究和一些基本的科学。 你会发现真实的故事是完全不同的。

第一个误解涉及体积和特定能量密度。 4 到 5 倍的头条值仅与特定能量密度和数量有限的锂离子电池化学相关,其中一些尚未用于商业用途。 图。 2 比较锂离子电池的多个阴极,这些范围从最安全的 Li-FePO4 化学约 100Wh/kg 到镍钴-氧化铝变型的 200Wh/kg 以上。 铅酸电池图如下:

锂离子电池的能量密度
图 2 电池电平中各种电池化学成分的能量密度
锂离子电池在电池电量上的比较
图3 锂离子电池和铅酸电池在电池和系统级别的比较

这些值仅适用于单单元级别,不适用于包或在用状态。 图。 3 显示电池和系统级别不同电池化学成分的能量密度。 当所有连接、冷却、安全和电池管理设备完全安装时,锂离子电池的能量密度几乎减半。

细胞电平优势为3至5倍,具体能量密度降低至2至3倍。 根据锂阴极化学,我们几乎可以研究锂离子电池和铅酸电池能量密度之间的奇偶校验,在某些应用中,完全安装的电池系统。
另一个因素,即循环寿命,也是混乱的根源。 锂离子电池在容量降至铭牌额定值的 80% 以下之前,可以执行多少个循环? 两三千? 表1总结了不同的锂离子阴极材料的性能和循环寿命。

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

可以看到,所有都属于800至2000周期范围内。 相比之下,精心设计的铅酸电池可以轻松实现超过 1600 次循环到 80% DOD。 那么,在考虑拥有成本时,这一切是如何加起来的呢? 这给我们带来了下一个点,即铅酸电池的价格。 与铅酸电池相比,锂离子电池的成本是多少? 锂离子电池制造厂成本? 当然,锂离子电池更贵,但多少。 同样,这取决于所考虑的水平。 新闻稿将告诉我们,锂离子价格正在下降,现在在2-3倍的铅酸范围内。

真? 最近英国互联网搜索的均值,以获得12V和100 Ah的商用休闲电池的锂离子电池和铅酸电池的价格:
锂离子电池 $960 或 $800/kwh
铅酸电池 $215 或 $180/kwh
显然,锂离子电池的使用寿命必须为铅酸电池的4倍才能获得相同的价值。 正如我们所看到的,情况并非如此。

从摇篮到门排放锂离子电池
图 6 不同电池化学品的底座到门 CO2 排放
摇篮到格拉的原理图
图 5 电池制造的从摇篮到门原理的示意图

在所有情况下,即使安装了更大的铅酸电池,以提供更好的充电接受度和更长的循环寿命,铅酸电池结构也是最具成本效益的。 在此示例中,该应用程序是印度的电信塔。 同样的原理在大多数应用和地域中适用,在较冷的气候中更是如此。 另一个误解是,锂离子是一种更清洁的技术,污染比铅酸少。 不同电池化学品的从摇篮到门排放图中给出。 5 和 6。

此图显示了电池制造操作的边界。 从原材料的提取和运输到所有加工步骤,到电池随时可以装运。

表2是比较使用锂离子电池和铅酸电池在不同使用寿命内工作的经济性的真实情况。

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

来自阿贡国家实验室的数据表明,包括锂离子电池原料的提取和运输在内的整个制造工艺是铅酸值的4倍以上。 在材料提取方面,钴、锰、锂等基本阴极材料的供应不完全确定。 开采和回收过程存在,但如果需求显著增加,矿场和制造场的数量可能会限制供应。 地缘政治地图还预测了这些材料某些来源的不确定性。

这些化学品的可回收性和安全性是重要因素。 众所周知,铅酸电池中的几乎所有组件都是 100% 回收的,而锂离子电池的回收没有商业流程。 如果您认为锂电池、Co、Mn 等更昂贵的组件只占锂离子电池总数的一小部分,这种情况是可以理解的。 例如,锂大约占细胞总重量的4%。 此外,锂是高反应性(其高能量密度的基础),这可以理解地使得从废物中提取成本高昂。

在结构中,许多不同材料的复杂性附加因素使得回收工作在技术上和经济上都很困难。 结果如何? 回收这些电池根本就没有商业动机。 因此,回收设施仍处于试点阶段,大部分由政府资助。
目前,绝大多数报废的锂离子电池都储存起来,等待技术突破或立法强制回收。 如果实施后者,那么将耗资,最终要消耗。 与铅酸电池类型相比,这将进一步提高锂离子电池的价格。

最后,我们有安全。 据我们所知,铅酸电池应用从未进行过安全召回,因为我们知道锂离子电池在便携式电子设备甚至电动汽车中的情况就是如此。 图。 7 显示了几周前在撰写本文时,英国新混合动力沃尔沃的所发生的情况。 在这种情况下,其锂离子电池在充电时着火。

图7 沃尔沃混合动力电动汽车锂离子电池引起的火灾:2018年4月-英国住宅

锂离子电池导致新沃尔沃EV汽车起火
锂电池引起的沃尔沃汽车火灾燃烧
锂离子电池引起的火灾
消防员用锂电池引起的火灾

即使储存或运输锂离子电池,也一直是造成严重危险火灾的原因。 虽然这些场合很少,但必须得到承认,并且必须安装适当的安全设备和电池管理软件。 例如,纽约消防部门仍在决定如何处理锂离子电池火灾。 这将有力地表明,需要审查全球锂离子电池的现有安全措施。

以下是纽约消防局的观点:

新闻文章引用: AWS 实用程序驱动器 2016 年 11 月 15 日 “火灾不是最大的问题,” 罗杰斯说。 消防员受过处理火灾的训练,但他们需要知道他们正在处理什么。 锂离子电池可以释放有毒酸和易燃蒸汽。 其中一些蒸汽被火吞噬,但如果不是,它们可能会点燃或成为消防员的问题。 最大的问题是”手术后”会发生什么,即大火被扑灭之后。 罗杰斯说,即使电池关闭,它也可能重新燃起长达72小时。 -中尉 保罗·罗杰斯 纽约危险材料运营部保罗·罗杰斯消防队”

锂离子电池摘要

锂离子电池的性能特性肯定比铅酸好。 但是,与安全和管理要求相关的附加硬件严重降低了这些优势。 最终结果是铅酸电池具有明显的优势,尤其是在考虑不受重量或电荷接受限制的应用时。 铅酸电池制造厂成本较低;铅酸的采购价格低、摊销成本低,加上对环境的影响低,具有内在安全性,具有以下优点:

  • 更低的购买价格。 价格约为锂离子等价物的四分之一。 降低运营成本,降低大多数应用程序的总拥有成本。
  • 可回收性。 几乎 100% 的铅酸电池材料都回收利用。 报废值可提供高达电池材料成本 20% 的额外收入。 锂电池没有用于回收的基础设施或商业流程
  • 安全。 铅酸的化学成分本质上比锂离子电池更安全
  • 可 持续 性。 铅酸有许多成熟的供应来源,特别是来自回收设施。 锂和其他阴极材料可能来自政治敏感区域。 目前的全球材料提取和制造能力都不支持锂离子电池的迅速增长。
  • 碳足迹。 铅酸电池制造具有底座到门的碳足迹的三分之一的锂离子电池。

在那里,我们拥有一切。 与锂离子电池公司所画的图不同。 虽然不能认为铅酸在能量密度上有劣势,但可以指出,铅酸仍然是一项极具竞争力的技术,在许多应用中仍然是最佳选择。

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