Análisis de perspectivas de las baterías de litio que sustituyen al plomo-ácido en el campo de las baterías de automoción

Las baterías de plomo-ácido son actualmente la principal fuente de energía para SLI en vehículos de motor, y también se les ha dado muchas otras aplicaciones. Las ventajas de las baterías de litio como baterías SLI en lugar de las baterías de plomo-ácido radican principalmente en su mayor vida útil y mayor densidad de energía. En términos de seguridad, se consideran las nuevas regulaciones europeas de baterías sobre el uso de materiales restrictivos en vehículos, así como las especificaciones de costo, diseño y prueba. También se tiene en cuenta el ciclo de vida y el reciclaje de las dos baterías.

1. Reemplazo de la batería

A lo largo de los años, los estándares químicos y de fabricación de las baterías de plomo-ácido se han adaptado a los nuevos requisitos y desafíos de energía con relativa rapidez mediante el ajuste de aditivos y la mejora de los procesos de fabricación existentes, en lugar de intentar rediseñar un sistema de batería completamente nuevo. En la década de 1960, la vida útil de una batería SLI de plomo-ácido era de aproximadamente 3 años, y para 2015, a medida que aumentan los requisitos de energía y aplicaciones, la batería puede durar hasta cinco años o más.

Las baterías de plomo-ácido han mantenido su participación en el mercado, principalmente porque pueden cumplir con la alta corriente requerida para el arranque de ICE en frío, la durabilidad del ciclo de alta temperatura, la seguridad relativamente alta y el costo relativamente bajo. Si planea participar en este mercado, estos son los desafíos que debe enfrentar cualquier nueva tecnología de baterías. En los últimos años, la estabilidad de las baterías de litio en términos de química y fabricación se ha mejorado significativamente, el costo se ha reducido continuamente y el rendimiento se ha mejorado continuamente. En un sentido más amplio, en comparación con las baterías de plomo-ácido, las principales ventajas actuales de las baterías SLI de iones de litio son su alta densidad de energía y su larga vida útil.

Las baterías SLI de iones de litio tienen un rendimiento similar al de las baterías SLI de plomo-ácido existentes, y se han introducido pruebas adicionales para evaluar la estabilidad de las baterías SLI de iones de litio. Incluyendo estrictas medidas de seguridad, como protección contra sobrecarga, pruebas de destrucción de tipo aplastamiento o perforación, descarga y carga continua a baja temperatura y evaluación del impacto de la deposición de litio.

2. Diseño de seguridad de la batería de iones de litio

El principal desafío en el desarrollo de baterías SLI de iones de litio es qué tan segura es la batería en condiciones de abuso o envejecimiento, y si se producirá una fuga térmica. Se han realizado muchas pruebas para prevenir esta situación, pero no todas las situaciones son predecibles. Como el accidente causó un daño excesivo al interior del vehículo, lo que puede hacer que la batería se queme debido a incendios externos o internos, las precauciones tomadas garantizarán que la batería dañada no cause más chispas, reduciendo así la propagación del fuego después de la accidente. Además, un factor único de la batería es el cortocircuito interno (ISC) que puede ocurrir debido a su envejecimiento. Algunas condiciones comunes, como la formación de dendritas de litio, penetran en el diafragma y provocan un cortocircuito, lo que hace que el diafragma se contraiga debido al calor y provoque un cortocircuito en un área grande. Otro desafío para las pruebas de baterías estandarizadas es que la estructura externa de las baterías de iones de litio puede ser cilíndrica, de bolsa (paquete blando) o cuadrada. Por lo tanto, cada tipo de batería requiere un procedimiento de prueba mecánico diferente. Estas técnicas se pueden utilizar para guiar la comprensión de la correlación entre las pruebas de seguridad y las baterías SLI de iones de litio.

3. Diseño de batería SLI

En el diseño de las baterías SLI, hay una variedad de materiales de electrodos y combinaciones de baterías para elegir. Sin embargo, cuando el voltaje total de la batería se limita a un voltaje típico de 12 V, es posible reemplazar la batería de plomo-ácido existente en este caso. Actualmente, solo unas pocas baterías conectadas en serie pueden alcanzar el voltaje de batería correcto.

Además del requisito de obtener un voltaje de batería cercano a los 12V, se deben considerar otros factores como la fácil disponibilidad en el mercado de consumo. En comparación con las baterías estándar de plomo-ácido, estos materiales pueden producir baterías SLI competitivas en costos. Los materiales del cátodo de las baterías de iones de litio se pueden dividir en capas, espinela y olivino. El material del ánodo es principalmente carbono. Además de considerar la compatibilidad de los materiales del cátodo y el ánodo para proporcionar el voltaje y la capacidad de energía correctos de la batería, la primera de las baterías de iones de litio. Los tres componentes importantes son su electrolito. Para la mayoría de las baterías comerciales, se utilizan electrolitos líquidos orgánicos junto con sales de litio solubles, que pueden proporcionar la conductividad de iones de litio requerida. La sal más utilizada actualmente es LiPF6.

En BEV, la batería SLI de iones de litio de 12 V se puede usar para mantener el sistema electrónico a bordo del vehículo&cuando el vehículo no está conduciendo. El uso de baterías SLI de plomo-ácido en esta aplicación no es ideal porque generalmente está diseñado para alta potencia y no es necesariamente adecuado para escenarios de aplicación de descarga profunda de baja corriente. En este sentido, las baterías SLI de iones de litio simplemente compensan las deficiencias de las baterías SLI de plomo-ácido.

4. Diseño del equilibrio de la batería y del sistema de gestión de la batería (BMS)

A diferencia de las baterías SLI de plomo-ácido, el desafío para la tecnología de baterías de iones de litio es que tienen una alta eficiencia de recarga cercana al 95% y deben funcionar estrictamente dentro de la ventana de voltaje de la batería. Cuando las baterías de iones de litio se ensamblan en serie y se cargan, pueden salirse fácilmente de la ventana de voltaje de la batería, el material activo puede comenzar a experimentar cambios de fase irreversibles y el electrolito puede comenzar a descomponerse. Esto, a su vez, aumenta la resistencia interna de la batería, aumentando así el efecto de desequilibrio de la batería. Por lo tanto, la gestión de baterías y el monitoreo de paquetes de baterías individuales se han convertido en prácticas estándar para los módulos de iones de litio y, por lo general, están integrados en la carcasa de la caja de baterías. Hay una gran cantidad de sistemas BMS en el mercado, muchos de los cuales están hechos a medida para productos químicos específicos para baterías de iones de litio. El método de carga más simple y rentable es limitar la carga del paquete de baterías en serie. Un método mejor es permitir la redistribución de energía entre las baterías una vez que la batería alcanza su límite de voltaje superior, evitando que una sola batería se sobrecargue y causando problemas de seguridad.

5. El costo de la batería

En comparación con las tecnologías existentes, uno de los principales desafíos de las baterías SLI de iones de litio es ofrecer a los consumidores un precio competitivo. Los investigadores están trabajando arduamente para estudiar los problemas de la cadena de valor en la fabricación de baterías de iones de litio. En la actualidad, se considera que casi el 60% de los costes de las baterías están compuestos por materiales inactivos como colectores de corriente, separadores y carcasas de baterías. El costo adicional proviene de la interfase de electrolitos sólidos (SEI). ) El tiempo y la energía invertidos en el proceso de formación.

6. Políticas y legislación

Los principales impulsores de la tecnología suelen ir acompañados de determinadas políticas nacionales e internacionales relacionadas con la salud y la seguridad, seguidas de la legislación. Suelen implicar el uso de determinados productos químicos o accesorios químicos que se consideran nocivos para los seres humanos y el medio ambiente. Especialmente cuando estas sustancias nocivas se utilizan en vehículos, su concepto de diseño debe poder lograr" reciclaje verde" ;, es decir, se pueden Desmontar para que varios materiales se puedan reutilizar, reciclar o eliminar de forma segura. de sin causar ninguna contaminación al medio ambiente.

7.Normas y especificaciones

A lo largo de las décadas, las especificaciones y los estándares han surgido y se han desarrollado gradualmente para adaptarse al rendimiento y la seguridad de casi todas las aplicaciones de baterías, incluidas las baterías SLI para vehículos. Por otro lado, la legislación de determinados países o regiones puede hacer referencia a normas cuando se trata de determinados requisitos que suelen tener un impacto directo en la seguridad y salud de la comunidad y el medio ambiente. La Alianza Avanzada de Baterías de Estados Unidos (USABC) ha compilado un manual de prueba de baterías (Revisión 2) para el Departamento de Energía de Estados Unidos (DoE).

8. Reciclaje de baterías

Actualmente una empresa con cierta fortaleza en el reciclaje de baterías de iones de litio.

Lo anterior resume que algunas grandes empresas están participando activamente en el proceso de reciclaje a escala industrial establecido de baterías de iones de litio. La capacidad de reciclaje de la industria del reciclaje emergente aumentará al menos cinco veces en los próximos 7 a 10 años.

9. Conclusiones y perspectivas

Este artículo resume algunos factores del reemplazo de baterías SLI de plomo-ácido por baterías SLI de iones de litio, que será un proceso gradual en los próximos años. Con el uso masivo del almacenamiento del sistema de energía renovable, el uso de baterías de plomo-ácido seguirá creciendo, y el enfoque de las baterías SLI de iones de litio se utilizará en vehículos ICE de gama media a alta ubicados en Europa, algunos de los cuales que se encuentran en Asia y Estados Unidos. Para muchos vehículos ICE pequeños y baratos, la batería SLI de plomo-ácido seguirá utilizándose, porque el costo de reemplazar la batería siempre será el factor decisivo. Además, el mercado de consumo global aumentará el uso de" economía circular" productos, que se centrarán en reducir los residuos ambientales y aumentar el reciclaje de materias primas. Aunque el reciclaje de baterías de iones de litio aún está en pañales, China, Japón y otros países ya han llevado a cabo importantes iniciativas. Estados Unidos, Australia y países europeos han demostrado las nuevas funciones del reciclaje de materiales en baterías de iones de litio. Estos procesos de reciclaje se llevarán a cabo en los próximos cinco a cinco años. Perfecto en diez años.