Nel contesto della ricerca del settore navale globale dello sviluppo verde ed efficiente, le batterie marine di litio - ioni, con i loro vantaggi unici, stanno gradualmente diventando una trasformazione chiave del settore della guida. Condurre un'analisi tecnica in profondità delle batterie di litio marino aiuta a comprendere in modo completo lo stato di sviluppo e il potenziale di questa fonte di energia emergente.

I. Componenti tecnici core di batterie al litio marino

(I) Tecnologia del materiale elettrodo

Materiali catodici

Materiali ternari (ossido di manganese cobalto di nichel di litio Li (nicomn) O₂ o litio nichel cobalto in alluminio ossido Li (nicoal) O₂): i materiali ternari hanno un'alta densità di energia, consentendo loro di fornire una potenza più potente e una più lunga categoria di crociera per le navi. Su alcuni vasi di ricerca sull'oceano e yacht di fine - end con rigorosi requisiti per la gamma di crociera, le batterie al litio ternario possono soddisfare le esigenze di potenza delle navi a lungo termine e a lungo termine a causa dei loro vantaggi ad alta densità di energia. Tuttavia, i materiali ternari hanno una scarsa stabilità termica in ambienti ad alta temperatura e una sicurezza relativamente bassa. Negli ambienti marini, è necessario un sistema di gestione delle batterie preciso e complesso (BMS) per garantire il loro funzionamento sicuro e stabile, che aumenta in una certa misura i costi e le difficoltà tecniche.

Fosfato di ferro al litio (LifePo₄): i materiali di fosfato di ferro al litio hanno un alto grado di maturità tecnica e sono ampiamente utilizzati nel campo della costruzione navale. Ha una temperatura di fuga termica elevata e buone prestazioni di sicurezza. Anche in dure condizioni ambientali, può effettivamente evitare gravi incidenti di sicurezza come il fuoco e l'esplosione, rendendolo particolarmente adatto per l'uso nel personale: navi intensive come navi da crociera interva e traghetti passeggeri a breve distanza. Allo stesso tempo, le batterie al litio - ferro - fosfato hanno una lunga durata del ciclo. Durante il processo di ricarica e scarico, la struttura della batteria è stabile e il decadimento della capacità è lento. Inoltre, le sue materie prime sono abbondanti e il costo è relativamente basso, mostrando significativi vantaggi nell'efficacia dei costi.

Materiali anodi

Materiali anodi a base di grafite: i tradizionali materiali anodi di grafite hanno una capacità specifica teorica relativamente elevata (circa 372 mAh/g) e hanno costi relativamente bassi e maturi nella tecnologia, essendo comunemente utilizzati nelle batterie del litio marino. Può fornire un gran numero di siti di inserimento per gli ioni di litio, garantendo il trasferimento rapido e stabile di ioni di litio durante il processo di ricarica e scarico della batteria. Tuttavia, con il continuo miglioramento dei requisiti per le prestazioni della batteria, il miglioramento della densità di energia dei materiali anodi di grafite ha riscontrato colli di bottiglia.

Esplorazione di nuovi materiali anodi: per sfondare i limiti degli anodi di grafite, i ricercatori stanno esplorando attivamente nuovi materiali anodi, come i materiali anodi a base di silicio. La capacità teorica specifica del silicio è alta fino a 4200 mAh/g, più di dieci volte quella della grafite. Tuttavia, i materiali a base di silicio sperimenteranno una significativa espansione del volume durante il processo di ricarica e scarico, portando alla distruzione della struttura dell'elettrodo e un calo delle prestazioni del ciclo. Attualmente, migliorando le prestazioni dei materiali anodi a base di silicio attraverso mezzi come la nanotecnologia e la tecnologia composita è diventato un hotspot di ricerca e dovrebbe essere applicato alle batterie del litio marino in futuro, migliorando notevolmente la densità energetica delle batterie.

(Ii) Tecnologia elettrolita

Elettroliti liquidi

Elettroliti organici: attualmente la maggior parte delle batterie al litio marine utilizzano elettroliti organici e i loro componenti principali includono solventi organici e sali di litio. I solventi organici comuni includono carbonati, come etitilene carbonato (EC), dimetil carbonato (DMC), ecc. Hanno una buona solubilità per i sali di litio e un'elevata conducibilità ionica, garantendo la rapida migrazione degli ioni di litio tra elettrodi positivi e negativi della batteria. Il litio esafluorofosfato (Lipf₆) è generalmente selezionato come sale di litio, che può dissociare efficacemente gli ioni di litio in solventi organici e fornire vettori di carica per la ricarica e lo scarico della batteria. Tuttavia, gli elettroliti organici hanno pericoli per la sicurezza come infiammabilità e volatilità. In un ambiente marino, una volta che la batteria perde, può innescare gravi incidenti come gli incendi.

Elettroliti solidi

Elettroliti solidi polimerici: gli elettroliti solidi polimerici usano polimeri polimerici come matrice, come ossido di polietilene (PEO), ecc., E formano un sistema di elettroliti con conduttività ionica attraverso la composizione con sali di litio. Ha una buona flessibilità e può aderire da vicino al materiale dell'elettrodo, migliorando la stabilità dell'interfaccia della batteria. Allo stesso tempo, gli elettroliti solidi polimerici non sono infiammabili e non hanno rischi di perdite, il che può migliorare significativamente la sicurezza della batteria. Tuttavia, la sua conducibilità ionica è relativamente bassa, specialmente negli ambienti a bassa temperatura, la velocità di trasporto degli ioni è limitata, influenzando le prestazioni della batteria.

Elettroliti solidi inorganici: elettroliti solidi inorganici come granato - tipo e tipo Nasicon hanno un'elevata conduttività ionica e una buona stabilità chimica. Tra questi, gli elettroliti solidi di tipo granato hanno una buona compatibilità con il metallo al litio e dovrebbero essere applicati a batterie al litio ad alta energia - densità. Tuttavia, il processo di preparazione degli elettroliti solidi inorganici è complesso, il costo è elevato e la resistenza al contatto dell'interfaccia con i materiali elettrodi è grande. Questi problemi limitano la loro applicazione su larga scala. Attualmente, i ricercatori si impegnano a promuovere il processo di candidatura degli elettroliti solidi inorganici nelle batterie di litio marino ottimizzando il processo di preparazione e migliorando le prestazioni dell'interfaccia.

(Iii) tecnologia del sistema di gestione delle batterie (BMS)

Monitoraggio dello stato della batteria

Monitoraggio della tensione: il BMS utilizza sensori di tensione ad alta precisione per monitorare la tensione di ciascuna cella della batteria in tempo reale. Poiché le batterie di litio marine sono generalmente composte da un gran numero di celle a batteria collegate in serie e parallele, la consistenza di tensione tra le celle ha un impatto significativo sulle prestazioni del pacco batteria. Una volta che una tensione cellulare è risultata troppo alta o troppo bassa, il BMS adotterà misure tempestive, come l'equalizzazione della ricarica e dello scarico, per evitare il sovraccarico o il massimo: scaricare le celle e garantire il funzionamento sicuro e stabile del pacco batteria. Ad esempio, durante il viaggio della nave, se una cella della batteria subisce una caduta di tensione anormale a causa del micro -corto interno o di altri motivi, il BMS può rilevarlo rapidamente e regolare la strategia di carica e scarica per prevenire ulteriori danni alla cella e influire sulle prestazioni dell'intero pacco batteria.

Monitoraggio corrente: il monitoraggio accuratamente la corrente di ricarica e scarica della batteria è cruciale per valutare lo stato di carica (SOC) e lo stato di salute (SOH) della batteria. Il BMS utilizza i sensori di corrente per raccogliere i dati di corrente di ricarica e scarico della batteria in tempo reale e calcola la capacità di carica e scarica della batteria in base all'entità e alla direzione della corrente. Allo stesso tempo, in base a parametri come il tasso di modifica corrente, il BMS può determinare se la batteria è in uno stato eccessivo. Una volta che viene rilevata la corrente, innesca immediatamente il meccanismo di protezione e taglia il circuito per evitare che la batteria venga danneggiata da un impatto di grande corrente.

Monitoraggio della temperatura: l'ambiente marino è complesso e mutevole e la temperatura della batteria è influenzata da vari fattori come la temperatura ambiente e la velocità di ricarica e scarica. La temperatura eccessiva o troppo bassa influenzerà seriamente le prestazioni e la durata della batteria e potrebbe persino innescare incidenti di sicurezza. Il BMS utilizza più sensori di temperatura distribuiti in diverse posizioni del pacco batteria per monitorare la temperatura della batteria in tempo reale. Quando la temperatura è troppo alta, inizia a raffreddamento di dispositivi come ventilatori di raffreddamento e sistemi di raffreddamento liquidi; Quando la temperatura è troppo bassa, accende gli elementi di riscaldamento per mantenere la temperatura della batteria all'interno di un intervallo di lavoro appropriato. Ad esempio, in calda estate, quando una nave naviga in acque tropicali, è probabile che la temperatura del pacco batteria aumenti. Il BMS può controllare automaticamente il sistema di raffreddamento liquido per aumentare la portata del liquido di raffreddamento per ridurre la temperatura della batteria e garantire prestazioni stabili della batteria.

Gestione dell'equalizzazione della batteria

Equalizzazione attiva: la tecnologia di equalizzazione attiva utilizza componenti di accumulo di energia come induttori e condensatori per trasferire l'energia dalle celle della batteria con una carica elevata a quelle con bassa carica, raggiungendo l'equalizzazione della carica tra le celle della batteria. Questo metodo di equalizzazione può ridurre rapidamente ed efficacemente la differenza di carica tra le celle, migliorando le prestazioni complessive e la durata del pacco batteria. Ad esempio, durante il processo di ricarica del pacco batteria, il sistema di equalizzazione attivo può monitorare la carica di ciascuna cella in tempo reale. Quando si scopre che una determinata cella è vicina alla carica completa mentre le cariche di altre cellule sono basse, trasferisce attivamente parte dell'energia di questa cellula ad altre cellule, consentendo a tutte le cellule di essere completamente caricate in modo sincrono ed evitando il sovraccarico di alcune cellule.

Equalizzazione passiva: l'equalizzazione passiva è quella di collegare un resistore in parallelo a ciascuna cella della batteria. Quando la tensione di una determinata cella è superiore alla soglia impostata, la carica in eccesso di questa cella viene consumata sotto forma di calore attraverso il resistore, raggiungendo così l'equalizzazione della tensione. La tecnologia di equalizzazione passiva è semplice e bassa - costi, ma consuma una grande quantità di energia e ha una velocità di equalizzazione relativamente lenta, essendo adatto per i sistemi di batterie al litio marino con costi - sensibilità e una piccola scala della batteria.

Funzioni di protezione della sicurezza

Protezione da sovraccarico: quando la tensione della batteria raggiunge la soglia di protezione da sovraccarico, il BMS taglia immediatamente il circuito di ricarica per impedire alla batteria di sperimentare gravi incidenti come gonfiore, incendio e persino esplosione a causa della sovraccarico. Ad esempio, durante il processo di ricarica laterale della nave della nave, se l'apparecchiatura di ricarica non riesce, risultando in un continuo aumento della tensione di ricarica, la funzione di protezione da sovraccarico del BMS verrà rapidamente attivata per garantire la sicurezza della batteria e della nave.

Protezione da scarico sopra: una volta che la tensione della batteria scende alla soglia di protezione da sovradimensionamento, il BMS interrompe il circuito di scarico per evitare la scarica eccessiva della batteria. Perché la scarica eccessiva porterà a un decadimento irreversibile della batteria e accorcia la durata della batteria. Durante il viaggio della nave, quando l'energia della batteria è vicina all'esaurimento, il BMS emetterà un allarme e limiterà la potenza delle apparecchiature elettriche della nave, dando la priorità a garantire il funzionamento delle attrezzature chiave. Allo stesso tempo, eliminerà prontamente carichi non essenziali per evitare che la batteria venga superato.

Protezione di corrente eccessiva: come menzionato sopra, quando viene rilevata la corrente di ricarica e scarica della batteria per superare la soglia di sicurezza, il BMS taglia rapidamente il circuito per evitare che la batteria venga danneggiata dalla fuga termica causata da una grande corrente. Inoltre, il BMS ha anche una funzione di protezione a circuito corto. Quando un circuito corto interno o esterno si verifica nella batteria, può tagliare il circuito in un tempo estremamente breve per evitare incidenti di sicurezza causati dalla corrente di circuito corto.

Ii. Sfide e contromisure nel litio marino - Tecnologia della batteria ionica

(I) collo di bottiglia nel miglioramento della densità di energia

Sebbene la densità energetica delle attuali batterie di litio marino abbia fatto progressi significativi, rispetto alla crescente domanda di crociera a lungo raggio nel settore navale, c'è ancora spazio per il miglioramento. Per sfondare questo collo di bottiglia, da un lato, sono necessarie ricerche continue e sviluppo di nuovi materiali elettrodi, come i materiali anodi a base di silicio e i materiali di catodo ternario ad alto nichel menzionati sopra. Ottimizzando la struttura e le prestazioni del materiale, è possibile aumentare la capacità specifica degli elettrodi. D'altra parte, è necessario effettuare l'innovazione nella progettazione della struttura della batteria. Dovrebbero essere adottati schemi di progettazione della batteria più compatti ed efficienti per ridurre la proporzione di materiali non attivi all'interno del pacco batteria e migliorare l'utilizzo dello spazio, raggiungendo così una maggiore conservazione di energia nello spazio limitato della nave.

(Ii) Rischi di sicurezza

L'ambiente marino è complesso e duro e fattori come l'alta temperatura, l'elevata umidità, le vibrazioni e l'impatto possono rappresentare minacce alla sicurezza delle batterie al litio. Per migliorare la sicurezza, oltre a scegliere materiali per elettrodi più sicuri (come fosfato di ferro al litio) ed elettroliti (come elettroliti solidi), è anche necessario migliorare ulteriormente la funzione di protezione della sicurezza del BMS, migliorare la sua precisione e velocità di risposta nel monitoraggio dello stato della batteria. Allo stesso tempo, è necessario esercitare un controllo rigoroso nel processo di produzione della batteria per garantire la struttura interna stabile e il collegamento affidabile della batteria, riducendo i rischi di sicurezza causati da difetti di produzione. Inoltre, stabilendo una sicurezza della batteria in anticipo - Modello di avvertimento e utilizzando tecnologie come i big data e l'intelligenza artificiale, è possibile prevedere potenziali problemi di sicurezza della batteria e si possono prendere misure preventive per garantire la navigazione sicura della nave.

(Iii) costo elevato

L'elevato costo delle batterie al litio marine limita la loro promozione e applicazione in scala larga. La riduzione dei costi può essere ottenuta da molteplici aspetti. In termini di materie prime, il costo delle materie prime può essere ridotto sviluppando nuove materie prime o ottimizzando la catena di approvvigionamento degli appalti di materiale crudo. Nel processo di produzione e produzione, aumentare il grado di automazione della produzione e espandere la scala di produzione può ridurre il costo di produzione per unità di prodotto. Allo stesso tempo, migliorando la durata del ciclo e l'affidabilità della batteria, riducendo la frequenza della sostituzione della batteria e riducendo l'investimento complessivo degli armatori dal punto di vista dei costi di utilizzo a lungo termine. Inoltre, con il progresso tecnologico, lo sviluppo del settore del riciclaggio della batteria contribuirà anche a ridurre il costo del ciclo completo delle batterie. Riciclando metalli preziosi nelle batterie usate, è possibile realizzare il riciclaggio delle risorse, riducendo il costo degli appalti di materiale grezzo.

Iii. Tendenze di sviluppo del litio marino - Tecnologia della batteria ionica

(I) L'ascesa della tecnologia Solid - State Battery

Le batterie a stato solido, con i loro vantaggi di alta densità di energia e alta sicurezza, sono diventate una direzione importante per lo sviluppo della tecnologia delle batterie al litio marino. Con le prime scoperte continue nella tecnologia elettrolitica a stato solido, come l'aumento della conduttività ionica degli elettroliti solidi polimerici e la riduzione dei costi di preparazione e la resistenza all'interfaccia degli elettroliti solidi inorganici, si prevede che le batterie a stato solido siano gradualmente commercializzate e applicate nel campo della costruzione navale entro i prossimi 5 - 10 anni. Una volta realizzato, migliorerà notevolmente la gamma di crociera e la sicurezza delle navi e promuoverà l'industria navale per svilupparsi in una direzione più efficiente ed ecologica.

(Ii) L'applicazione di approfondimento dei sistemi di gestione delle batterie intelligenti

Con il rapido sviluppo di tecnologie come l'Internet of Things, i big data e l'intelligenza artificiale, il BMS del litio marino batterie ioni si evolverà profondamente nella direzione intelligente. Il futuro BMS non sarà solo in grado di ottenere un accurato monitoraggio dello stato della batteria, una gestione dell'equalizzazione e della protezione della sicurezza, ma anche attraverso l'interconnessione e la comunicazione con altri sistemi di navi, realizzano la gestione ottimale dell'energia complessiva della nave. Ad esempio, secondo lo stato di navigazione della nave, la domanda di carico e altre informazioni, la strategia di ricarica e scarica della batteria può essere regolata in modo intelligente per migliorare l'efficienza dell'utilizzo dell'energia. Allo stesso tempo, utilizzando analisi dei dati grandi e algoritmi di intelligenza artificiale, lo stato di salute della batteria può essere previsto con precisione e i piani di manutenzione possono essere organizzati in anticipo per ridurre i rischi operativi della nave.

(Iii) Sviluppo integrato con altre tecnologie di accumulo di energia

Per soddisfare le complesse esigenze energetiche delle navi in ​​diverse condizioni di lavoro, le batterie marine al litio saranno integrate con altre tecnologie di accumulo di energia, come supercondensatori e accumulo di energia del volano. I supercondensatori hanno caratteristiche come ad alta densità di potenza e carica rapida e scarica. Possono lavorare in coordinamento con le batterie al litio in scenari con richieste di potenza alte istantanee come l'avvio e l'accelerazione delle navi, riducendo la pressione di scarica di grande attuale su batterie al litio e estendendo la durata delle batterie al litio. Lo stoccaggio di energia del volano può essere utilizzato per conservare l'energia generata durante i processi di frenata e decelerazione della nave, realizzando il recupero e il riutilizzo dell'energia. Attraverso l'integrazione organica di più energia - tecnologie di stoccaggio, è possibile costruire un sistema di stoccaggio integrato di energia più efficiente, stabile e affidabile, migliorando l'efficienza complessiva delle prestazioni e dell'utilizzo dell'energia della nave.

La tecnologia della batteria al litio marino è in una fase di rapido sviluppo e trasformazione. Sebbene affrontino molte sfide, con il continuo progresso dell'innovazione tecnologica, le sue prospettive di applicazione nel settore marittimo diventeranno sempre più ampie e si prevede che diventerà la tecnologia di energia principale che guida la trasformazione verde del settore navale globale.