Литий-ионные аккумуляторы стали невидимой основой современного электрифицированного мира.. Их высокая плотность энергии, легкий дизайн, длительный цикл жизни, а возможность быстрой зарядки делает их незаменимыми во многих отраслях промышленности.. Хотя большинство людей признают их источниками энергии для мобильных телефонов и электромобилей., истинная сфера применения литий-ионных аккумуляторов выходит далеко за рамки этих применений., охватывающий широкий спектр специализированных и быстрорастущих секторов, каждый из которых имеет свои уникальные требования к производительности..
Для быстрого обзора:
Распространенные области применения литий-ионных аккумуляторов включают бытовую электронику. (смартфоны, ноутбуки, носимые устройства), электрические транспортные средства, электрические морские суда, беспилотники, системы хранения энергии (бытовые солнечные батареи, коммерческое и промышленное хранение), электроинструменты, медицинское оборудование (портативные вентиляторы, имплантируемые нейростимуляторы), промышленные роботы, и различные развивающиеся отрасли. Ниже мы рассмотрим эти конкретные отрасли более подробно..
Применение литий-ионных аккумуляторов: Бытовая электроника
Смартфоны и планшеты
Литий-полимерные батареи в настоящее время доминируют в этом типе приложений.. Производителям обычно требуются батареи с высокой плотностью энергии и тонким корпусом., легкий профиль, при соблюдении таких спецификаций, как температурный предел 45°C., срок службы, превышающий 800 циклы, и 80% сохранение емкости. Использование анодных материалов на основе кремния обеспечивает более высокую скорость зарядки без образования литиевого покрытия..
Ноутбуки и ультрабуки
Обычно используются 2–4 цилиндрических 18650 или 21700 элементы батареи, или специальные ячейки мешочка. Требования включают обеспечение устойчивой высокой мощности разряда процессора., поддержка сквозной подачи электроэнергии, и соответствие строгим сертификатам безопасности (UL 2054, МЭК 62133).
Носимые устройства
Носимые устройства обычно включают умные часы., фитнес-трекеры, и AR-очки.
В этом секторе применения требуются изогнутые, сверхкомпактные микролитий-полимерные аккумуляторы емкостью от 30 к 300 мАч. Ключевые приоритеты включают работу при низких температурах. (подходит для контакта с кожей), твердотельные прототипы для безопасности, и интеграция беспроводной зарядки.
Беспроводные наушники
Типичные литий-ионные аккумуляторы-таблетки или небольшие аккумуляторы-сумочки можно разместить в держателях наушников или зарядном чехле.. В самом зарядном чехле находится литий-ионный аккумулятор повышенной емкости., обеспечивая общее время работы более 20 часы. Поскольку наушники часто остаются бездействующими по несколько дней, строгое ограничение напряжения и низкий саморазряд имеют решающее значение..
Цифровые камеры и портативные игровые устройства
Зеркальные и беззеркальные камеры требуют высоких импульсных токов для непрерывной съемки и записи видео 4K/8K.. Обычно в них используются специальные аккумуляторные блоки 7,2 В/7,4 В, рассчитанные на высокую скорость разряда. 18650 или 18500 клетки.
В портативных игровых устройствах обычно используются ячейки симметричной формы., которые оптимизированы для того, чтобы выдерживать длительную игровую нагрузку мощностью 15 Вт без перегрева..
Портативный банк питания
Эта категория варьируется от карманных, в стиле помады 5,000 Зарядные устройства мАч для блоков питания ноутбука USB-C, обеспечивающие мощность более 100 Вт.. Несколько 21700 или полимерные элементы упакованы в последовательно-параллельных конфигурациях., требуются сложные двунаправленные повышающе-понижающие преобразователи и строгий контроль температуры..
Применение литий-ионных аккумуляторов: Электрическая мобильность
Литий-ионные аккумуляторы для мобильных устройств уделяют приоритетное внимание плотности энергии, цикл жизни, безопасность, и стоимость за киловатт-час. Сектор распадается на узкоспециализированные сегменты рынка..
Аккумуляторный электромобиль (БЭВ)
Компании по производству электромобилей обычно используют призматические или крупноформатные 4680 цилиндрические ячейки на основе НМК, ЛФП, или будущая химия твердого тела. Аккумуляторные батареи обычно работают при напряжении 400 В или 800 В., обеспечивая пиковую выходную мощность в диапазоне от 200 кВт до более 500 кВт. Конечная цель — добиться 10-минутной быстрой зарядки без образования дендритов., подвиг, который требует активного управления температурным режимом.
Электробусы и коммерческие грузовики
Литий-железо-фосфат (ЛФП) аккумуляторы доминируют в секторах электробусов и коммерческих грузовиков из-за их более низкой стоимости., отличная термическая стабильность, и срок службы, превышающий 6,000 циклы. В этих автобусах обычно используются сменные аккумуляторные батареи или аккумуляторные батареи, устанавливаемые на крыше.. Они заряжаются в ночное время на складах и проходят возможность зарядки через пантографы во время работы., повышение напряжения аккумуляторной батареи выше 600 В.
Электрические двухколесные транспортные средства
Электрические велосипеды, электрические скутеры, и электрические мотоциклы относятся к этому сектору применения..
Электрические велосипеды: 36Аккумуляторные блоки V–48 В на нижней трубе или в задней стойке, обычно используя 18650 или 21700 элементы емкостью 10–20 Ач.
Общие электрические скутеры: Обычно оснащены аккумуляторными батареями на 36 В с возможностью горячей замены и усиленной защитой от несанкционированного доступа., GPS, и возможности блокировки BMS.
Электрические мотоциклы: Обычно используются высоковольтные аккумуляторные батареи. (100В+) способен обеспечить пиковую выходную мощность до 100 кВт., требующее жидкостного охлаждения.
Низкоскоростные электромобили
К тихоходным электромобилям обычно относятся гольф-кары., общественные электромобили, и трансфер из аэропорта.
В этих приложениях часто используется литий-железо-фосфат глубокого цикла напряжением 48 В. (ЛФП) аккумуляторы или залитые свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Ключевые требования включают простую систему управления батареями. (БМС), высокая виброустойчивость, и широкий статус заряда (СОЦ) рабочий диапазон. Эти аккумуляторные блоки, как правило, обслуживаются пользователем и недороги..
Электрические корабли
Морские литий-ионные аккумуляторы должны соответствовать водонепроницаемости IP67., противостоять коррозии солевого тумана, и пройти испытания на удар. Высокопроизводительные системы (превышающий 500 кВтч) использовать призматический литий-железо-фосфат (ЛФП) ячейки со встроенными возможностями пожаротушения. Такие батареи обычно используются на таких судах, как яхты и паромы..
Электрическая авиация и электрический вертикальный взлет и посадка (эВВП) Самолет
Для самолетов eVTOL требуются батареи с плотностью энергии, превышающей 300 Втч/кг, постоянная скорость разряда выше 3C, и пиковая скорость выброса 5С при вертикальном взлете и посадке.. Безопасность превыше всего; любой сбой может привести к катастрофическим последствиям. Полутвердотельные батареи и литий-металлические батареи в настоящее время проходят испытания.. В аккумуляторных блоках используются высокоэффективные технологии жидкостного охлаждения и изоляции на уровне ячеек..
Применение литий-ионного аккумулятора: Система хранения энергии (ЭСС)
Подключенные к сети и накопители энергии на стороне пользователя представляют собой многомиллиардный сегмент рынка литий-ионных аккумуляторов., обусловлено прежде всего возобновляемыми источниками энергии.
Жилое хранилище солнечной энергии
Обычно, переменного тока- или фосфат лития-железа, связанный с постоянным током (ЛФП) используются аккумуляторные блоки емкостью 5–15 кВтч.. Они требуют длительного жизненного цикла., возможность работы с ежедневной ездой на велосипеде, и возможность плавного изолированного разделения. Аккумуляторы должны выдерживать температуру гаража. (от -10°C до 50°C) и быть совместимым с гибридными инверторами.
Коммерческое и промышленное хранение энергии
Системы переключения нагрузки и снижения пиковых нагрузок (начиная от 50 кВтч до нескольких мегаватт-часов) устанавливается на заводах, супермаркеты, и офисные здания. Контейнерный фосфат лития-железа (ЛФП) аккумуляторные блоки работают при напряжении постоянного тока, превышающем 1000 В.. Усовершенствованная система управления батареями (БМС) балансирует сотни последовательно соединенных ячеек и обменивается данными с системой управления зданием через шину Modbus/CAN..
Сетевое хранилище энергии коммунального масштаба
Крупномасштабные хранилища энергии мощностью более 1 ГВтч. На этих предприятиях используется литий-железо-фосфат. (ЛФП) батареи размещены в 20-футовых контейнерах для обеспечения регулирования частоты, резерв мощности, и стабилизация возобновляемых источников энергии. Системы пожаротушения (например, аэрозоль или водяной туман) и сверхбыстрые алгоритмы оценки состояния являются важнейшими компонентами.
Батареи для базовых станций телекоммуникаций
В отдаленных или отключенных от сети районах, 48Шкафы с литий-ионными аккумуляторами V заменили свинцово-кислотные батареи.. Они предлагают более длительный срок службы, более компактный размер, и интеллектуальные возможности удаленного мониторинга. Для развертывания сетей 5G, аккумуляторные блоки, установленные на опорах с малыми элементами, должны быть способны выдерживать экстремальные внешние условия и вандализм..
Источник бесперебойного питания для дата-центра (UPS)
Литий-ионные батареи в системах ИБП легче, заряжайте быстрее, и имеют более длительный срок службы, чем батареи VRLA. Централизованные стойки литий-ионных ИБП обычно устанавливаются в аппаратных центрах обработки данных., с непрерывным тепловым контролем и защитой на основе изоляции в соответствии с требованиями NFPA 855 стандарты безопасности.
Использование литий-ионного аккумулятора: Промышленное и профессиональное применение
Электроинструменты
К электроинструментам обычно относятся электрические дрели., Электрические пилы, ударные гайковерты, и тому подобное.
Эти приложения обычно используют высокоскоростную 18650 или 21700 аккумуляторные элементы, способные выдавать постоянный ток силой 20–40 А.. Выдвижные аккумуляторные блоки 18–36 В должны быть пыленепроницаемыми., влагостойкий, и устойчив к падению. Связь между инструментом и аккумулятором позволяет регулировать мощность в зависимости от типа материала., тем самым предотвращая перегрев.
Наружное силовое оборудование
Наружное силовое оборудование обычно включает в себя такие предметы, как газонокосилки., бензопилы, и воздуходувки для листьев.
Для такого оборудования требуются ранцевые аккумуляторы большой емкости или аккумуляторные блоки с напряжением 56 В или выше.. Эти пакеты оснащены внутренними каналами принудительного воздушного охлаждения., что позволяет им выдерживать постоянную нагрузку 2 кВт — даже при скашивании мокрой травы.
Роботы и автоматизированные управляемые транспортные средства (AGV)
Заводские AGV и складские роботы обычно используют литий-железо-фосфат напряжением 24 В или 48 В. (ЛФП) аккумуляторные блоки, взимается через контакты возможности зарядки. Поскольку замена батареи является обычным явлением, требуются возможности горячей замены и сверхнадежные системы разъемов..
Погрузочно-разгрузочные работы
Обычное погрузочно-разгрузочное оборудование включает вилочные погрузчики и тележки с поддонами..
Вилочные погрузчики с противовесом используют напряжение 80 В., 400–800 Ач литий-железо-фосфат (ЛФП) аккумуляторные блоки. Хотя вес аккумулятора действует как противовес (экономя место по сравнению с другими конфигурациями), иногда может потребоваться дополнительный противовес.. Быстрая возможность зарядки во время перерывов устраняет необходимость замены аккумулятора., что приводит к значительной экономии эксплуатационных расходов.
Портативные контрольно-измерительные приборы
Тепловизионные камеры, ультразвуковые дефектоскопы и анализаторы спектра требуют литий-ионных аккумуляторов с низким саморазрядом, которые можно оставить в грузовике на несколько месяцев и сразу же запустить.
Сельскохозяйственный Дрон
Дроны, используемые для распыления пестицидов или картирования сельскохозяйственных угодий, обычно используют литий-полимерные или литий-ионные аккумуляторы 6S–12S.. Они имеют скорость разряда 10°С на взлете и 3–5°С на крейсерском режиме.. Эти аккумуляторы с возможностью горячей замены оснащены светодиодными индикаторами питания., возможность непрерывного опрыскивания на больших площадях.
Скважинный инструмент для нефтяных и газовых скважин
Литий-ионные аккумуляторные батареи, рассчитанные на температуру 175°C и 20,000 psi также подходят для бурения и каротажа. В них используются гибридные литий-тионилхлоридные элементы или специально стабилизированные литий-ионные элементы и обычно используются корпуса из титанового сплава..
Применение литий-ионных аккумуляторов: Медицинское и медицинское оборудование
Портативные медицинские устройства
Медицинские устройства, такие как аппараты искусственной вентиляции легких, концентраторы кислорода, и портативным инфузионным насосам требуются интеллектуальные литий-ионные аккумуляторы напряжением 14,4 В или 25,2 В, соответствующие стандарту IEC. 60601-1 стандарт и обеспечивают точность указателя уровня топлива лучше, чем 1%. Эти упаковки должны выдерживать частую дезинфекцию и резкие колебания нагрузки., а также обеспечивает немедленные оповещения, если состояние здоровья устройства ухудшается..
Электрическая инвалидная коляска
24Аккумуляторы V глубокого разряда LiFePO4 (50–100 Ач) заменить тяжелые свинцово-кислотные аккумуляторы. Они легче, обеспечить стабильное питание во время зарядки, и оснащен системой управления батареями (БМС) что предотвращает выход агрегата из строя из-за глубокого разряда. Многие продукты теперь поддерживают подключение Bluetooth., возможность передачи данных телеметрии лицам, осуществляющим уход.
Портативное диагностическое оборудование
В портативных ультразвуковых устройствах и транспортных мониторах обычно используются тонкие аккумуляторные блоки 2S или 3S, рассчитанные на четыре часа непрерывного сканирования.. В условиях отделения неотложной помощи, возможность горячей замены имеет важное значение; устройство использует буферизацию мощности на основе конденсатора во время замены батареи.
Имплантируемые и носимые медицинские устройства
В современных имплантируемых нейростимуляторах используются перезаряжаемые литий-ионные батареи.. Эти аккумуляторы имеют герметичную конструкцию., разрешить беспроводную трансдермальную зарядку, и должен сохранять 15-летний срок службы без набухания. Во внешних портативных инсулиновых помпах и непрерывных мониторах уровня глюкозы используются миниатюрные полимерные батареи, оснащенные слоями безопасности медицинского уровня..
Новые приложения
Морской и подводный транспорт (АНПА, ROV)
В автономных подводных аппаратах, используемых для исследований морского дна, используются либо устойчивые к давлению корпуса литий-ионных батарей. (рассчитан на 1 атмосфера) или аккумуляторные блоки с компенсацией давления. Каждая сфера давления обеспечивает 10 кВтч энергии, поддержка 48-часовых миссий на глубине 3,000 метры.
Портативная электростанция, Подходит для кемпинга и чрезвычайных ситуаций
Производители обычно включают фосфат лития-железа. (ЛФП) или никель-кобальт-марганец (НМЦ) аккумуляторы в блоки в виде чемодана, оснащенные инверторами переменного тока и системой отслеживания максимальной мощности солнечной энергии. (МПРТ) возможности. Мощности варьируются от 200 к 3,600 ватт-часы. Спрос на такую продукцию растет в секторах автодомов и аварийного резервного электроснабжения., обусловлено необходимостью получения чистой синусоидальной волны и быстрой зарядки от солнечной энергии..
Портативное холодильное оборудование и логистика холодовой цепи
Транспортные средства для перевозки вакцин и активные транспортные контейнеры используют литий-ионные аккумуляторные батареи напряжением 12 В/24 В для питания компрессоров., позволяющая работать более 48 часов без внешнего источника питания. Система управления батареями (БМС) сообщает местоположение GPS, температура, и состояние батареи через сеть IoT.
Носимые экзоскелеты (Промышленность и медицина)
В экзоскелетах с электроприводом для заводских рабочих или пациентов с параличом нижних конечностей используется литий-железо-фосфатный источник питания 48 В, установленный сзади. (ЛФП) аккумуляторные блоки. Этим системам требуется возможность высокоскоростного разряда для поддержки подъемной силы и рекуперации энергии во время спуска по лестнице.. Функции резервирования безопасности включают механизм отключения двухканального контактора..
Беспилотные летательные аппараты (Беспилотники)
В дополнение к квадрокоптерам потребительского уровня, дронам, используемым для защиты и инспекции, требуются интеллектуальные аккумуляторные блоки 14S–22S, оснащенные возможностью самонагрева, чтобы противостоять холодной погоде и обеспечивать баллистическую защиту в случае термического выхода из-под контроля.. Долговечные дроны на солнечных батареях сочетают в себе литий-ионные батареи и солнечные элементы, позволяющая продолжительность полета до нескольких месяцев.
Заключение
Литий-ионные аккумуляторы — это не отдельная технология, а платформа., с приложениями от микронного масштаба, ультратонкие носимые устройства для хранения энергии в сети в масштабе гигаватт-часа. Каждое конкретное применение определяет химию, форм-фактор, и техника безопасности литий-ионных аккумуляторов по разным направлениям.