No contexto da busca pelo desenvolvimento verde e eficiente do setor de transporte global, as baterias de lítio marinho, com suas vantagens únicas, estão gradualmente se tornando uma transformação -chave da indústria de impulsionador de força. A realização de uma análise técnica de profundidade das baterias de lítio marinho ajuda a entender de maneira abrangente o status de desenvolvimento e o potencial dessa fonte de energia emergente.

I. Componentes técnicos centrais da marinha de lítio - baterias de íons

(I) Tecnologia do material do eletrodo

Materiais de cátodo

Materiais ternários (óxido de manganês de cobalto de níquel de lítio li (nicomn) o ₂ ou lítio níquel Óxido de alumínio cobalto Li (nicoal) o₂): os materiais ternários têm uma alta densidade de energia, permitindo que forneçam uma produção de energia mais poderosa e faixas de cruzeiro mais longas para navios. Em alguns vasos de pesquisa oceânicos e iates de ponta com requisitos rigorosos para a faixa de cruzeiro, as baterias ternárias de lítio - podem atender às demandas de energia dos navios durante viagens de longo e longo prazo devido às suas vantagens de alta densidade de energia. No entanto, os materiais ternários têm baixa estabilidade térmica em ambientes de alta temperatura e segurança relativamente baixa. Em ambientes marinhos, é necessário um sistema de gerenciamento de baterias preciso e complexo (BMS) para garantir sua operação segura e estável, o que aumenta o custo e a dificuldade técnica até certo ponto.

Fosfato de ferro de lítio (LIFEPO₄): Os materiais de fosfato de ferro lítio têm um alto grau de maturidade técnica e são amplamente utilizados no campo da construção naval. Possui uma alta temperatura em fuga térmica e um bom desempenho de segurança. Mesmo em condições ambientais adversas, pode efetivamente evitar acidentes graves de segurança, como incêndio e explosão, tornando -o especialmente adequado para uso em pessoal - navios intensivos, como navios de cruzeiro interior e ferrias de passageiros curtas. Ao mesmo tempo, as baterias de fosfato de lítio - ferro têm uma longa vida útil. Durante o processo de carregamento e descarga, a estrutura da bateria é estável e a decaimento da capacidade é lenta. Além disso, suas matérias -primas são abundantes e o custo é relativamente baixo, mostrando vantagens significativas na eficácia do custo.

Materiais de ânodo

Materiais de ânodo baseados em grafite: Os materiais tradicionais de ânodo de grafite têm uma capacidade específica teórica relativamente alta (cerca de 372 mAh/g) e são relativamente baixos em custo e maduro em tecnologia, sendo comumente usados ​​em baterias de íons de lítio marinho. Ele pode fornecer um grande número de locais de inserção para íons de lítio, garantindo a transferência rápida e estável de íons de lítio durante o processo de carregamento e descarga da bateria. No entanto, com a melhoria contínua dos requisitos para o desempenho da bateria, a melhoria da densidade de energia dos materiais de ânodo de grafite encontrou gargalos.

Exploração de novos materiais de ânodo: Para interromper as limitações dos ânodos de grafite, os pesquisadores estão explorando ativamente novos materiais de ânodo, como materiais de ânodo baseados em silício. A capacidade específica teórica do silício é tão alta quanto 4200 mAh/g, mais de dez vezes a da grafite. No entanto, os materiais baseados em silício experimentarão expansão significativa de volume durante o processo de carregamento e descarga, levando à destruição da estrutura do eletrodo e a um declínio no desempenho do ciclo. Atualmente, melhorar o desempenho dos materiais de ânodo baseado em silício por meio de meios como nanotecnologia e tecnologia composta tornou -se um ponto de acesso de pesquisa e deve ser aplicado a baterias de íons de lítio marinho no futuro, melhorando bastante a densidade de energia das baterias.

(Ii) Tecnologia de eletrólitos

Eletrólitos líquidos

Eletrólitos orgânicos: Atualmente, a maioria das baterias de lítio marinho - usa eletrólitos orgânicos, e seus principais componentes incluem solventes orgânicos e sais de lítio. Os solventes orgânicos comuns incluem carbonatos, como carbonato de etileno (CE), carbonato de dimetil (DMC), etc. Eles têm boa solubilidade para sais de lítio e alta condutividade iônica, garantindo a rápida migração de íons de lítio entre os eletrodos positivos e negativos da bateria. O hexafluorofosfato de lítio (LIPF₆) é geralmente selecionado como sal de lítio, que pode efetivamente dissociar íons de lítio em solventes orgânicos e fornecer portadores de carga para carregamento e descarga de bateria. No entanto, os eletrólitos orgânicos têm riscos de segurança, como inflamabilidade e volatilidade. Em um ambiente marinho, uma vez que a bateria vazar, pode desencadear acidentes graves, como incêndios.

Eletrólitos sólidos

Eletrólitos sólidos poliméricos: Os eletrólitos sólidos poliméricos usam polímeros de polímeros como matriz, como óxido de polietileno (PEO), etc., e formam um sistema de eletrólitos com condutividade iônica através da composição com sais de lítio. Tem boa flexibilidade e pode aderir intimamente ao material do eletrodo, melhorando a estabilidade da interface da bateria. Ao mesmo tempo, os eletrólitos sólidos poliméricos não são inflamáveis ​​e não têm risco de vazamento, o que pode melhorar significativamente a segurança da bateria. No entanto, sua condutividade iônica é relativamente baixa, especialmente em ambientes de baixa temperatura, a taxa de transporte de íons é limitada, afetando o desempenho da bateria.

Eletrólitos sólidos inorgânicos: eletrólitos sólidos inorgânicos, como o tipo Garnet e o tipo Nasicon, têm alta condutividade iônica e boa estabilidade química. Entre eles, os eletrólitos sólidos do tipo granada têm boa compatibilidade com o metal de lítio e devem ser aplicados a baterias de lítio de alta densidade de densidade alta. No entanto, o processo de preparação de eletrólitos sólidos inorgânicos é complexo, o custo é alto e a resistência ao contato da interface com materiais de eletrodo é grande. Esses problemas limitam sua aplicação em grande escala. Atualmente, os pesquisadores estão comprometidos em promover o processo de aplicação de eletrólitos sólidos inorgânicos nas baterias de lítio marinho, otimizando o processo de preparação e melhorando o desempenho da interface.

(Iii) Tecnologia do Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS)

Monitoramento do estado da bateria

Monitoramento de tensão: o BMS usa sensores de tensão de alta precisão para monitorar a tensão de cada célula da bateria em tempo real. Como as baterias de lítio marinho - Íon geralmente são compostas por um grande número de células de bateria conectadas em série e paralelas, a consistência da tensão entre as células tem um impacto significativo no desempenho da bateria. Depois que uma tensão celular é muito alta ou muito baixa, o BMS tomará medidas oportunas, como equalizar o carregamento e descarregamento, para evitar sobrecarga ou excesso de descarga de células e garantir a operação segura e estável da bateria. Por exemplo, durante a viagem do navio, se uma célula da bateria sofrer uma queda de tensão anormal devido ao micro - circuito curto - ou outros motivos, o BMS pode detectá -lo rapidamente e ajustar a estratégia de carregamento e descarga para evitar mais danos à célula e afetar o desempenho de toda a bateria.

Monitoramento atual: monitorar com precisão a corrente de carregamento e descarga da bateria é crucial para avaliar o estado de carga (SOC) e o estado de saúde (SOH) da bateria. O BMS usa sensores atuais para coletar os dados atuais de carregamento e descarga da bateria em tempo real e calcula a capacidade de carga e descarga da bateria de acordo com a magnitude e a direção da corrente. Ao mesmo tempo, com base em parâmetros como a taxa de alteração atual, o BMS pode determinar se a bateria está em um estado de corrente acima. Uma vez que a corrente é detectada, ela desencadeia imediatamente o mecanismo de proteção e corta o circuito para impedir que a bateria seja danificada por um grande impacto de corrente.

Monitoramento da temperatura: O ambiente marinho é complexo e mutável e a temperatura da bateria é afetada por vários fatores, como a temperatura ambiente e a taxa de carregamento e descarga. Temperatura excessiva ou muito baixa afetará seriamente o desempenho e a vida útil da bateria e podem até desencadear acidentes de segurança. O BMS usa vários sensores de temperatura distribuídos em diferentes posições da bateria para monitorar a temperatura da bateria em tempo real. Quando a temperatura está muito alta, ele inicia dispositivos de resfriamento, como ventiladores de resfriamento e sistemas de resfriamento líquido; Quando a temperatura está muito baixa, ela liga os elementos de aquecimento para manter a temperatura da bateria dentro de uma faixa de trabalho apropriada. Por exemplo, no verão quente, quando um navio está navegando em águas tropicais, é provável que a temperatura da bateria suba. O BMS pode controlar automaticamente o sistema de resfriamento líquido para aumentar a taxa de fluxo do líquido de arrefecimento para reduzir a temperatura da bateria e garantir o desempenho estável da bateria.

Gerenciamento de equalização da bateria

Equalização ativa: a tecnologia de equalização ativa usa componentes de energia - de armazenamento, como indutores e capacitores, para transferir a energia das células da bateria com alta carga para aqueles com baixa carga, atingindo a equalização de carga entre as células da bateria. Esse método de equalização pode reduzir de maneira rápida e efetiva a diferença de carga entre as células, melhorando o desempenho geral e a vida útil da bateria. Por exemplo, durante o processo de carregamento da bateria, o sistema de equalização ativo pode monitorar a carga de cada célula em tempo real. Quando se vê que uma certa célula está próxima da carga total, enquanto as cargas de outras células são baixas, transfere ativamente parte da energia dessa célula para outras células, permitindo que todas as células sejam totalmente carregadas de maneira síncrona e evitando sobrecarga de algumas células.

Equalização passiva: a equalização passiva é conectar um resistor em paralelo a cada célula da bateria. Quando a tensão de uma certa célula é maior que o limite definido, o excesso de carga dessa célula é consumido na forma de calor através do resistor, alcançando assim a equalização da tensão. A tecnologia de equalização passiva é simples e baixa - custo, mas consome uma grande quantidade de energia e possui uma velocidade de equalização relativamente lenta, sendo adequada para sistemas de bateria de íons de lítio marítimo com sensibilidade ao custo e uma pequena escala de bateria - pacotes.

Funções de proteção de segurança

Proteção de sobrecarga: quando a tensão da bateria atinge o limite de proteção sobre sobrecarga, o BMS interrompe imediatamente o circuito de carregamento para impedir que a bateria sofra acidentes graves, como inchaço, incêndio e até explosão devido à sobrecarga. Por exemplo, durante o processo de carregamento lateral da costa do navio, se o equipamento de carregamento falhar, resultando em um aumento contínuo na tensão de carregamento, a função de proteção contra sobrecarga do BMS será rapidamente ativada para garantir a segurança da bateria e do navio.

Excesso - Proteção de descarga: Uma vez que a tensão da bateria cai para o limite de proteção de descarga acima, o BMS corta o circuito de descarga para evitar o excesso de descarga da bateria. Porque o excesso de descarga levará a decaimento irreversível da capacidade da bateria e diminuirá a duração da bateria. Durante a viagem do navio, quando a energia da bateria estiver próxima do esgotamento, o BMS emitirá um alarme e limitará a potência do equipamento elétrico do navio, dando prioridade a garantir a operação dos principais equipamentos. Ao mesmo tempo, interromperá imediatamente cargas essenciais para impedir que a bateria seja exagerada - descarregada.

Sobre - Proteção atual: Como mencionado acima, quando a corrente de carregamento e descarga da bateria é detectada para exceder o limite de segurança, o BMS corta rapidamente o circuito para impedir que a bateria seja danificada por fuga térmica causada por uma grande corrente. Além disso, o BMS também possui uma função de proteção de circuito curta. Quando um circuito interno ou externo - ocorre na bateria, ele pode cortar o circuito em um tempo extremamente curto para evitar acidentes de segurança causados ​​por corrente curta - circuito.

Ii. Desafios e contramedidas no lítio marinho - tecnologia de bateria de íons

(I) gargalo na melhoria da densidade de energia

Embora a densidade de energia das atuais baterias de lítio marinho tenha feito um progresso significativo, em comparação com a crescente demanda por um cruzeiro de longo alcance no setor de transporte marítimo, ainda há espaço para melhorias. Para romper esse gargalo, por um lado, são necessárias pesquisas contínuas e desenvolvimento de novos materiais de eletrodo, como os materiais de ânodo baseados em silício e os materiais cátodo ternário de níquel alto mencionado acima. Ao otimizar a estrutura e o desempenho do material, a capacidade específica dos eletrodos pode ser aumentada. Por outro lado, a inovação no design da estrutura da bateria deve ser realizada. Esquemas de design de bateria mais compactos e eficientes devem ser adotados para reduzir a proporção de materiais não ativos dentro da bateria e melhorar a utilização do espaço, alcançando assim um armazenamento de energia mais alto no espaço limitado do navio.

(Ii) riscos de segurança

O ambiente marinho é complexo e duro, e fatores como alta temperatura, alta umidade, vibração e impacto podem representar ameaças à segurança das baterias de íon de lítio. Para melhorar a segurança, além de escolher materiais de eletrodo mais seguros (como fosfato de ferro de lítio) e eletrólitos (como eletrólitos sólidos), também é necessário melhorar ainda mais a função de proteção de segurança do BMS, melhorar sua precisão e velocidade de resposta no monitoramento do estado da bateria. Ao mesmo tempo, o controle rigoroso deve ser exercido no processo de fabricação de bateria para garantir a estrutura interna estável e a conexão confiável da bateria, reduzindo os riscos de segurança causados ​​por defeitos de fabricação. Além disso, ao estabelecer um modelo de aviso de segurança da bateria e usar tecnologias como big data e inteligência artificial, possíveis problemas de segurança da bateria podem ser previstos com antecedência e medidas preventivas podem ser tomadas para garantir a navegação segura do navio.

(Iii) alto custo

O alto custo das baterias marinhas de lítio - íon limita sua promoção e aplicação em grande escala. A redução de custos pode ser alcançada a partir de vários aspectos. Em termos de matérias -primas, o custo das matérias -primas pode ser reduzido ao desenvolver novas matérias -primas ou otimizar a cadeia de suprimentos de compras de material bruto. No processo de produção e fabricação, aumentar o grau de automação de produção e expandir a escala de produção pode reduzir o custo de produção por unidade de produto. Ao mesmo tempo, melhorando a vida útil do ciclo e a confiabilidade da bateria, reduzindo a frequência de substituição da bateria e reduzindo o investimento geral dos proprietários da perspectiva de custos de uso longo e longo. Além disso, com o progresso tecnológico, o desenvolvimento da indústria de reciclagem de baterias também ajudará a reduzir o custo total da vida das baterias. Ao reciclar metais valiosos em baterias usadas, a reciclagem de recursos pode ser realizada, reduzindo o custo da compra bruta de materiais.

Iii. Tendências de desenvolvimento de lítio marinho - tecnologia de bateria de íons

(I) A ascensão da tecnologia de bateria sólida - estadual

As baterias de estado sólidas, com suas vantagens de alta densidade de energia e alta segurança, tornaram -se uma direção importante para o desenvolvimento da tecnologia de bateria de lítio marinho - íon. Com os avanços contínuos na tecnologia sólida de eletrólitos de estado, como aumentar a condutividade iônica dos eletrólitos sólidos poliméricos e reduzir o custo de preparação e a resistência à interface de eletrólitos sólidos inorgânicos, as baterias sólidas - estados devem ser gradualmente comercializadas e aplicadas no campo de construção naval nos próximos 5 - 10 anos. Uma vez realizado, ele melhorará bastante a faixa de cruzeiro e a segurança dos navios e promoverá o setor de navegação para se desenvolver em uma direção mais eficiente e ecológica.

(Ii) A aplicação de aprofundamento de sistemas inteligentes de gerenciamento de baterias

Com o rápido desenvolvimento de tecnologias como a Internet das Coisas, Big Data e Inteligência Artificial, os BMs das baterias de íons de lítio marinho evoluirão profundamente na direção inteligente. O futuro BMS não só poderá obter monitoramento preciso do estado da bateria, gerenciamento de equalização e proteção de segurança, mas também, através da interconexão e comunicação com outros sistemas de navios, percebe o gerenciamento ideal da energia geral do navio. Por exemplo, de acordo com o status de navegação do navio, a demanda de carga e outras informações, a estratégia de carregamento e descarga da bateria pode ser ajustada de forma inteligente para melhorar a eficiência da utilização de energia. Ao mesmo tempo, usando algoritmos grandes - dados e artificiais - inteligência, o estado de saúde da bateria pode ser previsto com precisão e os planos de manutenção podem ser organizados com antecedência para reduzir os riscos de operação do navio.

(Iii) Desenvolvimento integrado com outras tecnologias de armazenamento de energia

Para atender às complexas demandas de energia dos navios sob diferentes condições de trabalho, as baterias marinhas de lítio - íon serão integradas a outras tecnologias de armazenamento de energia, como supercapacitores e armazenamento de energia do volante. Os supercapacitores têm características como alta densidade de potência e carga rápida e descarga. Eles podem trabalhar em coordenação com as baterias de íons de lítio em cenários com demandas instantâneas de alta - como inicialização e aceleração do navio, reduzindo a grande pressão de descarga de corrente sobre as baterias de íons de lítio e estendendo a vida útil das baterias de íons de lítio. O armazenamento de energia do volante pode ser usado para armazenar a energia gerada durante os processos de frenagem e desaceleração do navio, realizando a recuperação e a reutilização de energia. Através da integração orgânica de múltiplas tecnologias de armazenamento de energia, um sistema de armazenamento integrado de energia integrado mais eficiente, estável e confiável pode ser construído, melhorando o desempenho geral e a eficiência da utilização de energia do navio.

A tecnologia de bateria de lítio marinho - íon está em um estágio de rápido desenvolvimento e transformação. Embora enfrente muitos desafios, com o avanço contínuo da inovação tecnológica, suas perspectivas de aplicativos no setor de transporte se tornarão cada vez mais amplas, e espera -se que se torne a tecnologia principal de energia que impulsiona a transformação verde do setor de transporte global.