В контексте стремления глобальной судоходной промышленности к зеленому и эффективному развитию, морские литий -литии ионные батареи с их уникальными преимуществами постепенно становятся ключевой силой в отрасли. Проведение технического анализа в глубине морских литий -лития помогает всесторонне понять состояние развития и потенциал этого нового источника энергии.

I. Основные технические компоненты морских лития - ионные батареи

(I) Технология электродного материала

Катодные материалы

Тернарные материалы (литий -никелевый оксид марганца кобальта Li (nicomn) O₂ или литий -никелевый оксид алюминия Li (Nicoal) O₂): Торнальные материалы имеют высокую плотность энергии, что позволяет им обеспечить более мощную выходную мощность и более длительные круги для судов. На некоторых океанах - исследовательских судах и высоких - конечных яхт с строгими требованиями к крейсерскому диапазону, тройные литий -ионные батареи могут соответствовать потребностям мощности кораблей в течение длительного и длительного расстояния из -за их высоких преимуществ плотности энергии. Тем не менее, тройные материалы имеют плохую тепловую стабильность в средах с высокой температурой и относительно низкой безопасности. В морских средах необходима точная и сложная система управления аккумуляторами (BMS) для обеспечения их безопасной и стабильной работы, что в определенной степени увеличивает стоимость и техническую сложность.

Литий -железо фосфат (LifePo₄): литий -фосфатные материалы лития имеют высокую степень технической зрелости и широко используются в поле судостроения. Он имеет высокую тепловую температуру с бегемой и хорошей эффективностью безопасности. Даже в суровых условиях окружающей среды он может эффективно избегать серьезных несчастных случаев безопасности, таких как пожар и взрыв, что делает его особенно подходящим для использования в персонале - интенсивные суда, такие как внутренние круизные суразовые сураза и пассажирские паромы с коротким расстоянием. В то же время, литий - железо - фосфатные батареи имеют длинный велосипедный срок службы. Во время процесса зарядки и разрядки структура батареи стабильна, а распад емкости медленный. Более того, его сырье много, и стоимость относительно низкая, что демонстрирует значительные преимущества в области стоимости - эффективности.

Анодные материалы

Графитовые анодные материалы: традиционные графитовые анодные материалы имеют относительно высокую теоретическую удельную вместимость (около 372 мАч/г) и имеют относительно низкую стоимость и зрелые технологии, обычно используются в морских литий -литий -батареях. Он может обеспечить большое количество участков вставки для ионов лития, обеспечивая быструю и стабильную перенос ионов лития во время процесса зарядки и сброса батареи. Однако с непрерывным улучшением требований к производительности батареи улучшение плотности энергии материалов графитового анода сталкивалось с узкими местами.

Исследование новых анодных материалов: чтобы прорваться через ограничения графитовых анодов, исследователи активно изучают новые анодные материалы, такие как анодные материалы на основе кремния. Теоретическая специфическая способность кремния достигает 4200 мАч/г, что более чем в десять раз больше, чем у графита. Тем не менее, материалы на основе кремния будут испытывать значительное расширение объема во время процесса зарядки и разрядки, что приведет к разрушению структуры электродов и снижению производительности цикла. В настоящее время повышение производительности анодных материалов, основанных на кремниевых веществах, за счет таких средств, как нанотехнология и композитная технология, стали исследовательской точкой и, как ожидается, будут применены к морским литий -ионным батареям, что значительно улучшит плотность энергии батарей.

(Ii) Технология электролита

Жидкие электролиты

Органические электролиты: в настоящее время большинство морских литий -ионных батарей используют органические электролиты, а их основные компоненты включают органические растворители и соли лития. Обычные органические растворители включают карбонаты, такие как этилен карбонат (EC), диметилбонат (DMC) и т. Д. Гексафторофосфат лития (LIPF₆), как правило, выбирается в качестве литий -соли, которая может эффективно диссоциации ионов лития в органических растворителях и обеспечивать зарядные носители для зарядки аккумулятора и сброса. Тем не менее, органические электролиты имеют опасность безопасности, такие как воспламеняемость и волатильность. В морской среде, когда батарея протекает, это может вызвать серьезные несчастные случаи, такие как пожары.

Твердые электролиты

Сплошные электролиты полимеров: полимерные твердые электролиты используют полимерные полимеры в качестве матрицы, такие как полиэтиленоксид (PEO) и т. Д., И образуют электролитную систему с ионной проводимостью посредством соединения с солями лития. Он обладает хорошей гибкостью и может внимательно придерживаться материала электрода, улучшая стабильность интерфейса аккумулятора. В то же время полимерные твердые электролиты не являются воспламеняющимися и не имеют риска утечки, что может значительно повысить безопасность батареи. Тем не менее, его ионная проводимость относительно низкая, особенно в условиях низкой температуры, скорость переноса ионов ограничена, что влияет на производительность батареи.

Неорганические твердые электролиты: неорганические твердые электролиты, такие как гранат - тип и тип Nasicon - имеют высокую ионную проводимость и хорошую химическую стабильность. Среди них гранат - тип твердых электролитов имеет хорошую совместимость с литием -металлом и, как ожидается, будут применены к высокой энергии - плотности лития - металлические батареи. Тем не менее, процесс приготовления неорганических твердых электролитов является сложным, стоимость высока, а сопротивление контакта с интерфейсом с электродными материалами велика. Эти проблемы ограничивают их крупномасштабное применение. В настоящее время исследователи стремятся продвигать процесс применения неорганических твердых электролитов в морских литий -ионных батареях путем оптимизации процесса подготовки и улучшения производительности интерфейса.

(Iii) Технология системы управления батареями (BMS)

Мониторинг аккумулятора

Мониторинг напряжения: BMS использует датчики с высокой точностью напряжения для мониторинга напряжения каждой ячейки батареи в реальное время. Поскольку морские литиевые батареи обычно состоят из большого количества батарейных ячеек, соединенных последовательно и параллельно, консистенция напряжения среди ячеек оказывает значительное влияние на производительность аккумулятора. Как только напряжение ячейки оказывается слишком высоким или слишком низким, BMS примет своевременные меры, такие как выравнивание зарядки и разряда, чтобы избежать перегрузки или более высоких ячеек и обеспечить безопасную и стабильную работу аккумулятора. Например, во время путешествия корабля, если батарейная ячейка испытывает аномальное падение напряжения из -за внутреннего микро - короткометражного схема или других причин, BMS может быстро обнаружить его и регулировать стратегию зарядки и сброса для предотвращения дальнейшего повреждения ячейки и повлиять на производительность всего аккумулятора.

Текущий мониторинг: точное мониторинг зарядного и сброса тока аккумулятора имеет решающее значение для оценки состояния заряда (SOC) и состояния здоровья (SOH) батареи. BMS использует датчики тока для сбора зарядных и разгрузочных данных тока аккумулятора в реальном времени и вычисляет зарядную и разрядную емкость батареи в соответствии с величиной и направлением тока. В то же время, основываясь на таких параметрах, как текущая скорость изменения, BMS может определить, находится ли аккумулятор в превышении текущего состояния. Оказавшись - обнаружено ток, он сразу же запускает механизм защиты и отключает цепь, чтобы предотвратить повреждение аккумулятора при воздействии большого тока.

Мониторинг температуры: морская среда сложна и изменчива, а на температуру аккумулятора влияют различные факторы, такие как температура окружающей среды, а также скорость зарядки и сброса. Чрезмерная или слишком низкая температура будет серьезно повлиять на производительность и срок службы батареи и может даже вызвать несчастные случаи на безопасности. BMS использует несколько датчиков температуры, распределенных в разных положениях аккумулятора для контроля температуры батареи в реальном времени. Когда температура слишком высока, она начинает охлаждающие устройства, такие как охлаждающие вентиляторы и жидкие системы охлаждения; Когда температура слишком низкая, она включает нагревательные элементы, чтобы поддерживать температуру батареи в соответствующем рабочем диапазоне. Например, в жаркое лето, когда корабль плывет в тропических водах, температура аккумулятора, вероятно, поднимется. BMS может автоматически управлять системой охлаждения жидкости - для увеличения скорости потока охлаждающей жидкости, чтобы снизить температуру аккумулятора и обеспечить стабильные характеристики аккумулятора.

Управление выравниванием батареи

Активное выравнивание: Активная технология выравнивания использует компоненты энергии - хранилище, такие как индукторы и конденсаторы, для передачи энергии из батарейных ячеек с высоким зарядом к с низким зарядом, достигая выравнивания заряда среди батарейных ячеек. Этот метод выравнивания может быстро и эффективно уменьшить разницу в заряде между ячеями, улучшая общую производительность и срок службы аккумулятора. Например, во время процесса зарядки аккумуляторной системы активная система выравнивания может контролировать заряд каждой ячейки в реальное время. Когда обнаруживается, что определенная ячейка близка к полному заряду, в то время как заряды других клеток низкие, она активно передает часть энергии этой ячейки в другие клетки, что позволяет полностью заряжать все клетки синхронно и избежать заряжения некоторых клеток.

Пассивное выравнивание: пассивное выравнивание - это подключение резистора параллельно каждой батарейке. Когда напряжение определенной ячейки выше, чем установленное порог, избыточный заряд этой ячейки потребляется в форме тепла через резистор, тем самым достигая выравнивания напряжения. Технология пассивного выравнивания является простой и низкой стоимостью, но она потребляет большое количество энергии и имеет относительно медленную скорость выравнивания, подходящая для систем морской литий -ионной батареи с стоимостью - чувствительностью и небольшой шкалой батареи.

Функции безопасности безопасности

Защита за перезарядки: когда напряжение аккумулятора достигает порога защиты за перезарядки, BMS немедленно отключает цепь зарядки, чтобы не допустить, чтобы аккумулятор не испытывал серьезных несчастных случаев, таких как отеки, пожар и даже взрыв из -за перезарядки. Например, во время процесса зарядки на берегу корабля, если оборудование для зарядки сбой, что приводит к постоянному увеличению напряжения зарядки, функция защиты от перезарядки будет быстро активирована для обеспечения безопасности батареи и корабля.

Через - защита от разряда: как только напряжение батареи падает до порога защиты от разряда, BMS отрезает схему разряда, чтобы избежать перегрузки аккумулятора. Потому что перегрузку приведет к необратимому распаду батареи и сокращению срока службы батареи. Во время путешествия корабля, когда питание аккумулятора находится близко к истощению, BMS выпустит тревогу и ограничивает мощность электрического оборудования корабля, что дает приоритет для обеспечения работы ключевого оборудования. В то же время, он быстро отрежет неосновные нагрузки, чтобы предотвратить перегрузку батареи.

Over - защита тока: как упоминалось выше, когда обнаружено зарядное и разгрузочное ток батареи, чтобы превышать порог безопасности, BMS быстро сокращает цепь, чтобы предотвратить повреждение аккумулятора из -за термического сбегала, вызванного большим током. Кроме того, BMS также имеет функцию защиты с короткой схемой. Когда в аккумуляторе возникает внутренняя или внешняя короткая схема, она может отключить цепь за очень короткое время, чтобы избежать несчастных случаев безопасности, вызванных коротким током цепи.

II Проблемы и контрмеры в технологии морской лития - ионная батарея

(I) узкое место в улучшении плотности энергии

Несмотря на то, что энергетическая плотность современных морских литий -лития - ионная батарея достигла значительного прогресса по сравнению с растущим спросом на долгосрочные круизы в судоходной промышленности, все еще есть место для улучшения. Чтобы прорваться через это узкое место, с одной стороны, непрерывные исследования и разработки новых электродных материалов, такие как анодные материалы на основе кремния и материалы с высоким никелевым тройным катодом, упомянутые выше. Оптимизируя структуру и производительность материала, особая емкость электродов может быть увеличена. С другой стороны, инновации в конструкции батареи должны быть выполнены. Более компактные и эффективные батареи - схемы проектирования упаковки должны быть приняты для сокращения доли нераспетительных материалов внутри аккумулятора и улучшения использования пространства, тем самым достигая более высокого хранения энергии в ограниченном пространстве корабля.

(Ii) Опасности безопасности

Морская среда является сложной и резкой, и такие факторы, как высокая температура, высокая влажность, вибрация и воздействие, могут предложить угрозы для безопасности литий -ионных батарей. Чтобы повысить безопасность, в дополнение к выбору более безопасных электродных материалов (таких как фосфат лития железа) и электролиты (такие как твердые электролиты), также необходимо улучшить функцию защиты безопасности BMS, повысить его точность и скорость отклика при мониторинге состояния аккумулятора. В то же время, строгий контроль должен быть осуществлен в процессе производства аккумуляторов, чтобы обеспечить стабильную внутреннюю структуру и надежное соединение батареи, снижая опасности безопасности, вызванные дефектами производства. Кроме того, путем раннего создания модели предупреждения о безопасности аккумуляторов и использования таких технологий, как большие данные и искусственный интеллект, потенциальные проблемы безопасности батареи могут быть предсказаны заранее, и могут быть предприняты профилактические меры для обеспечения безопасной навигации корабля.

(Iii) высокая стоимость

Высокая стоимость морских литий -ионных батарей ограничивает их масштабное продвижение и применение. Снижение затрат может быть достигнуто из нескольких аспектов. С точки зрения сырья, стоимость сырья может быть снижена путем разработки нового сырья или оптимизации цепочки поставок с сырьями - закупок. В процессе производства и производства увеличение степени автоматизации производства и расширение производственной шкалы может снизить стоимость производства на единицу продукта. В то же время улучшение срока службы цикла и надежность батареи, снижение частоты замены батареи и снижение общих инвестиций судовладельцев с точки зрения долгосрочных затрат на использование. Кроме того, благодаря технологическому прогрессу развитие индустрии утилизации батареи также поможет снизить полную стоимость батареи на срок службы. Утилизация ценных металлов в использованных батареях может быть реализована переработка ресурсов, что снижает стоимость закупок с сырым материалом.

Iii. Тенденции развития морской литий -технологии ионной батареи

(I) Рост технологии сплошной батареи

Сплошные батареи, с их преимуществами высокой плотности энергии и высокой безопасности, стали важным направлением для разработки технологии морских литий -литий -ионных аккумуляторов. С непрерывными прорывами в технологии электролита твердого вещества, таких как увеличение ионной проводимости полимерных твердых электролитов и снижение стоимости приготовления и сопротивление раздела неорганических твердых электролитов, ожидается, что аккумуляторы с твердыми состояниями будут постепенно коммерциализироваться и применяться на поле корабля в течение следующих 5 - 10 лет. После реализации это значительно улучшит крейсерский ассортимент и безопасность кораблей и способствует развитию судоходной промышленности в более эффективном и экологически чистом направлении.

(Ii) углубленное применение интеллектуальных систем управления аккумуляторами

Благодаря быстрому развитию таких технологий, как Интернет вещей, большие данные и искусственный интеллект, BMS морских литий -литий -ионных батарей будет глубоко развиваться в интеллектуальном направлении. Будущие BMS не только смогут достичь точного мониторинга состояний аккумулятора, управления выравниванием и защиты безопасности, но и посредством взаимодействия и связи с другими системами судов, реализуйте оптимальное управление общей энергией корабля. Например, в соответствии с статусом навигации судовой навигации, спросом на нагрузку и другой информации стратегия зарядки и сброса батареи может быть разумно скорректирована для повышения эффективности использования энергии. В то же время, используя алгоритмы большого анализа данных и искусственных интеллекта, состояние здоровья батареи может быть точно предсказано, а планы технического обслуживания могут быть организованы заранее, чтобы снизить риски эксплуатации корабля.

(Iii) Интегрированная разработка с другими технологиями хранения энергии -

Чтобы удовлетворить сложные энергетические требования судов в различных условиях труда, морские литийные батареи будут интегрированы с другими технологиями хранения, такими как суперконденсаторы и хранение энергии маховика. Суперконденсаторы обладают такими характеристиками, как высокая плотность мощности, быстрая зарядка и разрядка. Они могут работать в координации с литием - ионными батареями в сценариях с мгновенными потребностями в мощности, такими как начало и ускорение корабля, снижая большое давление сброса тока на литий -ионные батареи и продление срока службы литий -ионных батарей. Хранение энергии маховика может использоваться для хранения энергии, генерируемой во время процессов торможения и замедления корабля, реализации энергии и повторного использования. Благодаря органической интеграции технологий с несколькими энергией - хранением, более эффективной, стабильной и надежной комплексной комплексной энергопотребления - может быть построена система хранения, повышающая общую эффективность производительности и использования энергии корабля.

Морская литийная технология ионной батареи находится в стадии быстрого развития и трансформации. Несмотря на то, что они сталкиваются со многими проблемами, с постоянным развитием технологических инноваций, его перспективы применения в судоходной отрасли станут все более широкими, и ожидается, что она станет основной энергетической технологией, стимулирующей зеленую трансформацию глобальной судоходной отрасли.