در زمینه دستیابی به صنعت جهانی حمل و نقل جهانی از توسعه سبز و کارآمد ، باتری های لیتیوم دریایی با مزایای منحصر به فرد خود ، به تدریج به یک تحول در صنعت اصلی رانندگی تبدیل می شوند. انجام تجزیه و تحلیل فنی در عمق باتری های لیتیوم دریایی - یونی به درک جامع وضعیت توسعه و پتانسیل این منبع تغذیه در حال ظهور کمک می کند.

I. اجزای فنی اصلی باتری های لیتیوم دریایی - یونی

(i) فناوری مواد الکترود

مواد کاتدی

مواد سه قلو (لیتیوم نیکل کبالت منگنز اکسید لی (NICOMN) O₂ یا لیتیوم نیکل کبالت اکسید اکسید Li (Nicoal) O₂): مواد سه گانه دارای چگالی انرژی بالایی هستند و این امکان را برای آنها فراهم می کند تا بتوانند قدرت قدرتمندتری را فراهم کنند و برای کشتی ها. در برخی از کشتی های تحقیقاتی اقیانوس و قایق بادبانی بالا با الزامات دقیق برای محدوده سفر ، باتری های لیتیوم سه گانه می توانند به دلیل مزایای بالای چگالی انرژی ، تقاضای قدرت کشتی ها را در طول سفرهای طولانی مدت و طولانی از راه دور برآورده کنند. با این حال ، مواد سه گانه از پایداری حرارتی ضعیفی در محیط های درجه حرارت بالا و ایمنی نسبتاً کم برخوردار هستند. در محیط های دریایی ، یک سیستم دقیق و پیچیده مدیریت باتری (BMS) برای اطمینان از عملکرد ایمن و پایدار آنها مورد نیاز است ، که باعث افزایش هزینه و مشکل فنی تا حدی می شود.

لیتیوم آهن فسفات (LifePo₄): مواد فسفات آهن لیتیوم از بلوغ فنی بالایی برخوردار هستند و به طور گسترده در زمینه کشتی سازی مورد استفاده قرار می گیرند. دارای دمای فراری حرارتی بالا و عملکرد ایمنی خوب است. حتی در شرایط سخت محیطی ، می تواند به طور موثری از تصادفات جدی ایمنی مانند آتش سوزی و انفجار جلوگیری کند ، و آن را به ویژه برای استفاده در پرسنل مناسب می کند - کشتی های فشرده مانند کشتی های مسافرتی داخلی و کشتی های مسافر از راه دور. در همان زمان ، باتری های لیتیوم - آهن - فسفات دارای چرخه طولانی هستند. در طی فرآیند شارژ و تخلیه ، ساختار باتری پایدار است و پوسیدگی ظرفیت کند است. علاوه بر این ، مواد اولیه آن فراوان است و هزینه آن نسبتاً کم است و مزایای قابل توجهی در هزینه - اثربخشی نشان می دهد.

مواد آندی

مواد آند مبتنی بر گرافیت: مواد آند گرافیتی سنتی دارای ظرفیت خاص نظری نسبتاً بالایی (حدود 372 میلی آمپر ساعتی در گرم) هستند و از نظر هزینه نسبتاً کم هستند و از نظر فناوری بالغ هستند و معمولاً در باتری های لیتیوم دریایی استفاده می شوند. این می تواند تعداد زیادی از سایت های درج را برای یون های لیتیوم فراهم کند و از انتقال سریع و پایدار یون های لیتیوم در طی فرآیند شارژ و تخلیه باتری اطمینان حاصل کند. با این حال ، با بهبود مداوم نیازهای عملکرد باتری ، بهبود چگالی انرژی مواد آند گرافیت با تنگناها روبرو شده است.

اکتشاف مواد جدید آند: برای از بین بردن محدودیت های آند گرافیت ، محققان به طور فعال در حال بررسی مواد آند جدید مانند مواد آند مبتنی بر سیلیکون هستند. ظرفیت خاص نظری سیلیکون به اندازه 4200 میلی آمپر ساعت در گرم ، بیش از ده برابر گرافیت است. با این حال ، مواد مبتنی بر سیلیکون در طی فرآیند شارژ و تخلیه ، گسترش حجم قابل توجهی را تجربه می کنند و منجر به تخریب ساختار الکترود و کاهش عملکرد چرخه می شوند. در حال حاضر ، بهبود عملکرد مواد آند مبتنی بر سیلیکون از طریق وسایل مانند فناوری نانو و فناوری کامپوزیت به یک کانون تحقیقاتی تبدیل شده است و انتظار می رود در آینده روی باتری های لیتیوم دریایی - یونی اعمال شود و چگالی انرژی باتری ها را تا حد زیادی بهبود بخشد.

(ب) فناوری الکترولیت

الکترولیتهای مایع

الکترولیتهای آلی: در حال حاضر ، بیشتر باتری های لیتیوم دریایی - یونی از الکترولیتهای آلی استفاده می کنند و اجزای اصلی آنها شامل حلال های آلی و نمک لیتیوم است. حلالهای آلی متداول شامل کربنات ها ، مانند کربنات اتیلن (EC) ، کربنات دی متیل (DMC) و غیره هستند. آنها حلالیت خوبی برای نمک های لیتیوم و هدایت یونی بالا دارند و از مهاجرت سریع یون های لیتیوم بین الکترودهای مثبت و منفی باتری اطمینان می دهند. لیتیوم هگزا فلوروفسفات (LIPF₆) به طور کلی به عنوان نمک لیتیوم انتخاب می شود ، که می تواند یون های لیتیوم را در حلال های آلی جدا کند و حامل های شارژ را برای شارژ و تخلیه باتری فراهم کند. با این حال ، الکترولیتهای آلی خطرات ایمنی مانند اشتعال و نوسانات دارند. در یک محیط دریایی ، پس از نشت باتری ، ممکن است تصادفات جدی مانند آتش سوزی را ایجاد کند.

الکترولیتهای جامد

الکترولیتهای جامد پلیمر: الکترولیتهای جامد پلیمری از پلیمرهای پلیمری به عنوان ماتریس مانند پلی اتیلن اکسید (PEO) و غیره استفاده می کنند و یک سیستم الکترولیت را با هدایت یونی از طریق ترکیب با نمک لیتیوم تشکیل می دهند. این انعطاف پذیری خوبی دارد و می تواند از نزدیک به مواد الکترود پایبند باشد و پایداری رابط باتری را بهبود بخشد. در عین حال ، الکترولیتهای جامد پلیمری غیر قابل اشتعال هستند و خطر نشت ندارند ، که می تواند ایمنی باتری را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد. با این حال ، هدایت یونی آن نسبتاً کم است ، به خصوص در محیط های درجه حرارت پایین ، میزان حمل و نقل یون محدود است و بر عملکرد باتری تأثیر می گذارد.

الکترولیتهای جامد معدنی: الکترولیتهای جامد معدنی مانند GARNET - نوع و NASICON - نوع رسانایی یونی بالا و ثبات شیمیایی خوبی دارند. در میان آنها ، الکترولیتهای جامد GARNET سازگاری خوبی با فلز لیتیوم دارند و انتظار می رود باتری های فلزی با لیتیوم با چگالی بالا - انرژی - استفاده شود. با این حال ، فرآیند آماده سازی الکترولیتهای جامد معدنی پیچیده ، هزینه زیاد است و مقاومت تماس رابط با مواد الکترود زیاد است. این مشکلات کاربرد مقیاس بزرگ آنها را محدود می کند. در حال حاضر ، محققان متعهد به ترویج فرآیند درخواست الکترولیتهای جامد معدنی در باتری های لیتیوم دریایی با بهینه سازی فرایند آماده سازی و بهبود عملکرد رابط هستند.

(iii) فناوری سیستم مدیریت باتری (BMS)

نظارت بر حالت باتری

نظارت ولتاژ: BMS از سنسورهای ولتاژ با دقت بالا برای نظارت بر ولتاژ هر سلول باتری در زمان واقعی استفاده می کند. از آنجا که باتری های لیتیوم دریایی معمولاً از تعداد زیادی از سلولهای باتری متصل به سری و موازی تشکیل شده اند ، قوام ولتاژ در بین سلول ها تأثیر قابل توجهی در عملکرد بسته باتری دارد. هنگامی که ولتاژ سلولی خیلی زیاد یا خیلی کم بود ، BMS اقدامات به موقع ، مانند برابر کردن شارژ و تخلیه ، برای جلوگیری از شارژ بیش از حد یا بیش از حد - تخلیه سلول ها و اطمینان از عملکرد ایمن و پایدار باتری انجام می شود. به عنوان مثال ، در طول سفر کشتی ، اگر یک سلول باتری به دلیل مدار میکرو - کوتاه - یا دلایل دیگر ، افت ولتاژ غیر طبیعی را تجربه کند ، BMS می تواند به سرعت آن را تشخیص دهد و استراتژی شارژ و تخلیه را تنظیم کند تا از آسیب بیشتر به سلول جلوگیری کند و بر عملکرد کل باتری تأثیر بگذارد.

نظارت فعلی: نظارت دقیق بر شارژ و تخلیه جریان باتری برای ارزیابی وضعیت شارژ (SOC) و وضعیت بهداشت (SOH) باتری بسیار مهم است. BMS از سنسورهای فعلی برای جمع آوری شارژ و تخلیه داده های فعلی باتری در زمان واقعی استفاده می کند و ظرفیت بار و تخلیه باتری را با توجه به بزرگی و جهت جریان محاسبه می کند. در عین حال ، بر اساس پارامترهایی مانند نرخ تغییر فعلی ، BMS می تواند تعیین کند که آیا باتری در حالت بیش از حد موجود است یا خیر. پس از تشخیص جریان ، بلافاصله مکانیسم محافظت را تحریک می کند و مدار را قطع می کند تا از آسیب دیدن باتری در اثر ضربه بزرگ جریان جلوگیری کند.

نظارت بر دما: محیط دریایی پیچیده و قابل تغییر است و دمای باتری تحت تأثیر عوامل مختلفی مانند دمای محیط و میزان شارژ و تخلیه قرار می گیرد. دمای بیش از حد یا بیش از حد پایین به طور جدی بر عملکرد و عمر باتری تأثیر می گذارد و حتی ممکن است باعث تصادفات ایمنی شود. BMS از سنسورهای دما متعدد توزیع شده در موقعیت های مختلف باتری برای نظارت بر دمای باتری در زمان واقعی استفاده می کند. هنگامی که درجه حرارت خیلی زیاد است ، دستگاه های خنک کننده مانند فن های خنک کننده و سیستم های خنک کننده مایع را شروع می کند. هنگامی که درجه حرارت خیلی کم است ، برای حفظ دمای باتری در یک محدوده کار مناسب ، عناصر گرمایش را روشن می کند. به عنوان مثال ، در تابستان گرم ، هنگامی که یک کشتی در آبهای گرمسیری قایقرانی می کند ، احتمالاً دمای باتری بسته می شود. BMS می تواند به طور خودکار سیستم خنک کننده مایع را کنترل کند تا سرعت جریان خنک کننده را افزایش دهد تا دمای باتری کاهش یابد و عملکرد باتری پایدار را تضمین کند.

مدیریت تساوی باتری

تساوی فعال: فناوری تساوی فعال از انرژی - اجزای ذخیره سازی مانند سلف و خازن برای انتقال انرژی از سلولهای باتری با بار زیاد به کسانی که بار کم دارند ، استفاده می کند و به تساوی بار در بین سلولهای باتری می رسد. این روش تساوی می تواند به سرعت و به طور مؤثر اختلاف بار در بین سلول ها را کاهش داده و باعث بهبود عملکرد کلی و عمر سرویس بسته باتری شود. به عنوان مثال ، در طی فرآیند شارژ بسته باتری ، سیستم تساوی فعال می تواند بار هر سلول را در زمان واقعی کنترل کند. هنگامی که مشخص شد که یک سلول خاص نزدیک به شارژ کامل است در حالی که بار سلولهای دیگر کم است ، به طور فعال بخشی از انرژی این سلول را به سلولهای دیگر منتقل می کند و این امکان را می دهد که تمام سلول ها به طور همزمان شارژ شوند و از شارژ بیش از حد برخی سلول ها جلوگیری کنند.

تساوی منفعل: تساوی منفعل اتصال یک مقاومت به موازات هر سلول باتری است. هنگامی که ولتاژ یک سلول خاص از آستانه تنظیم شده بالاتر است ، بار اضافی این سلول به صورت گرما از طریق مقاومت مصرف می شود و از این طریق به تساوی ولتاژ می رسد. فناوری تساوی منفعل ساده و کم هزینه است ، اما مقدار زیادی از انرژی را مصرف می کند و سرعت تساوی نسبتاً کند دارد ، مناسب برای سیستم های باتری لیتیوم دریایی - یون با حساسیت و باتری کوچک - در مقیاس بسته.

توابع حفاظت از ایمنی

محافظت از هزینه بیش از حد: هنگامی که ولتاژ باتری به آستانه محافظت بیش از حد می رسد ، BMS بلافاصله مدار شارژ را قطع می کند تا از بروز باتری در تصادفات جدی مانند تورم ، آتش و حتی انفجار به دلیل شارژ بیش از حد جلوگیری کند. به عنوان مثال ، در طی فرآیند شارژ ساحل کشتی ، در صورت عدم موفقیت تجهیزات شارژ ، در نتیجه افزایش مداوم ولتاژ شارژ ، عملکرد محافظت از هزینه بیش از حد BMS به سرعت فعال می شود تا از ایمنی باتری و کشتی اطمینان حاصل شود.

حفاظت از تخلیه بیش از حد: هنگامی که ولتاژ باتری به آستانه حفاظت از تخلیه کاهش می یابد ، BMS مدار تخلیه را قطع می کند تا از تخلیه باتری جلوگیری شود. از آنجا که بیش از - تخلیه منجر به پوسیدگی ظرفیت برگشت ناپذیر باتری و کوتاه شدن عمر باتری خواهد شد. در طول سفر کشتی ، هنگامی که باتری نزدیک به کاهش است ، BMS زنگ خطر را صادر می کند و قدرت تجهیزات الکتریکی کشتی را محدود می کند و اولویت را برای اطمینان از عملکرد تجهیزات کلیدی فراهم می کند. در عین حال ، سریعاً بارهای غیر ضروری را قطع می کند تا از اتمام باتری جلوگیری شود.

حفاظت از فعلی: همانطور که در بالا ذکر شد ، هنگامی که جریان شارژ و تخلیه باتری برای فراتر از آستانه ایمنی تشخیص داده می شود ، BMS به سرعت مدار را قطع می کند تا از آسیب دیدن باتری در اثر فراری حرارتی ناشی از جریان بزرگ جلوگیری شود. علاوه بر این ، BMS همچنین دارای عملکرد محافظت از مدار کوتاه است. هنگامی که یک مدار کوتاه داخلی یا خارجی در باتری رخ می دهد ، می تواند مدار را در مدت زمان بسیار کوتاهی قطع کند تا از تصادفات ایمنی ناشی از جریان مدار کوتاه جلوگیری شود.

ii. چالش ها و اقدامات متقابل در فناوری باتری لیتیوم دریایی - یون

(i) تنگنا در بهبود چگالی انرژی

اگرچه چگالی انرژی باتری های لیتیوم دریایی فعلی پیشرفت چشمگیری داشته است ، در مقایسه با تقاضای فزاینده برای مسافرتهای طولانی در صنعت حمل و نقل ، هنوز جایی برای بهبود وجود دارد. برای شکستن این تنگنا ، از یک طرف ، تحقیقات مداوم و توسعه مواد جدید الکترود ، مانند مواد آند مبتنی بر سیلیکون و مواد کاتدی سه گانه نیکل که در بالا ذکر شد ، مورد نیاز است. با بهینه سازی ساختار و عملکرد مواد ، می توان ظرفیت خاص الکترودها را افزایش داد. از طرف دیگر ، نوآوری در طراحی ساختار باتری باید انجام شود. برای کاهش نسبت مواد غیر فعال در داخل باتری و بهبود استفاده از فضا ، باید طرح های طراحی بسته و کارآمدتر - برنامه های طراحی بسته اتخاذ شود و از این طریق در فضای محدود کشتی به ذخیره انرژی بالاتر برسید.

(ب) خطرات ایمنی

محیط دریایی پیچیده و خشن است و عواملی مانند درجه حرارت بالا ، رطوبت بالا ، لرزش و ضربه می تواند تهدیداتی را برای ایمنی باتری های لیتیوم ایجاد کند. برای بهبود ایمنی ، علاوه بر انتخاب مواد الکترود ایمن تر (مانند فسفات آهن لیتیوم) و الکترولیت ها (مانند الکترولیتهای جامد) ، همچنین لازم است عملکرد محافظت از ایمنی BMS را بهبود بخشید ، دقت و سرعت پاسخ آن را در نظارت بر وضعیت باتری بهبود بخشید. در عین حال ، برای اطمینان از ساختار داخلی پایدار و اتصال قابل اعتماد باتری ، باید کنترل دقیق در فرآیند تولید باتری انجام شود و خطرات ایمنی ناشی از ایجاد نقص را کاهش می دهد. علاوه بر این ، با ایجاد یک مدل هشدار دهنده در اوایل باتری و استفاده از فناوری هایی مانند داده های بزرگ و هوش مصنوعی ، مشکلات ایمنی احتمالی باتری را می توان از قبل پیش بینی کرد و می توان اقدامات پیشگیرانه ای را برای اطمینان از ناوبری ایمن کشتی انجام داد.

(iii) هزینه بالا

هزینه بالای باتری های لیتیوم دریایی - یونی ، ارتقاء و کاربرد در مقیاس بزرگ آنها را محدود می کند. کاهش هزینه از جنبه های مختلف قابل دستیابی است. از نظر مواد اولیه ، با تهیه مواد اولیه جدید یا بهینه سازی زنجیره تأمین تهیه مواد اولیه ، می توان هزینه مواد اولیه را کاهش داد. در فرآیند تولید و تولید ، افزایش میزان اتوماسیون تولید و گسترش مقیاس تولید می تواند هزینه تولید را برای محصول واحد کاهش دهد. در عین حال ، بهبود عمر چرخه و قابلیت اطمینان باتری ، کاهش فرکانس جایگزینی باتری و کاهش سرمایه گذاری کلی صاحبان کشتی از منظر هزینه های استفاده طولانی مدت. علاوه بر این ، با پیشرفت تکنولوژیکی ، توسعه صنعت بازیافت باتری همچنین به کاهش هزینه چرخه کامل باتری ها کمک می کند. با بازیافت فلزات ارزشمند در باتری های استفاده شده ، می توان بازیافت منابع را تحقق بخشید و هزینه تهیه مواد خام را کاهش می دهد.

iii روند توسعه لیتیوم دریایی - فناوری باتری یون

(i) افزایش فن آوری باتری حالت جامد

باتری های حالت جامد ، با مزایای چگالی انرژی بالا و ایمنی زیاد ، به یک جهت مهم برای توسعه فناوری باتری لیتیوم دریایی - یون تبدیل شده اند. با پیشرفت های مداوم در فن آوری الکترولیت حالت جامد ، مانند افزایش هدایت یونی الکترولیتهای جامد پلیمری و کاهش هزینه آماده سازی و مقاومت رابط الکترولیتهای جامد معدنی ، باتری های حالت جامد پیش بینی می شود که به تدریج در 5 - 10 سال آینده در زمینه کشتی سازی استفاده شوند. پس از تحقق بخشیدن ، دامنه و ایمنی کشتی ها را به شدت بهبود می بخشد و صنعت حمل و نقل را ارتقا می بخشد تا در یک جهت کارآمدتر و سازگار با محیط زیست توسعه یابد.

(ب) استفاده عمیق در سیستم های مدیریت باتری هوشمند

با توسعه سریع فن آوری هایی مانند اینترنت اشیاء ، داده های بزرگ و هوش مصنوعی ، BMS باتری های لیتیوم دریایی - یون در جهت هوشمند عمیقاً تکامل می یابد. BMS آینده نه تنها قادر به دستیابی به نظارت دقیق در باتری ، مدیریت تساوی و محافظت از ایمنی خواهد بود بلکه از طریق اتصال و ارتباط با سایر سیستم های کشتی ، مدیریت بهینه انرژی کلی کشتی را تحقق می بخشد. به عنوان مثال ، با توجه به وضعیت ناوبری کشتی ، تقاضای بار و سایر اطلاعات ، استراتژی شارژ و تخلیه باتری را می توان به صورت هوشمندانه تنظیم کرد تا راندمان استفاده از انرژی را بهبود بخشد. در عین حال ، با استفاده از الگوریتم های BIG - DATA و ARTIFICIAL - اطلاعاتی ، وضعیت سلامت باتری را می توان به طور دقیق پیش بینی کرد و برنامه های نگهداری را می توان از قبل تنظیم کرد تا خطرات عملکرد کشتی را کاهش دهد.

(iii) توسعه یکپارچه با سایر فن آوری های ذخیره سازی -

برای برآورده کردن خواسته های پیچیده انرژی کشتی ها در شرایط مختلف کار ، باتری های لیتیوم دریایی - یونی با سایر فناوری های ذخیره سازی - مانند ابررسانا و ذخیره انرژی پرواز ، یکپارچه می شوند. ابررسانا دارای خصوصیاتی مانند چگالی قدرت بالا و شارژ سریع و تخلیه است. آنها می توانند با هماهنگی با باتری های لیتیوم - یون در سناریوهایی با تقاضای فوری - قدرت مانند شروع کشتی و شتاب ، کاهش فشار تخلیه بزرگ - فعلی بر روی باتری های لیتیوم - یون و گسترش عمر خدمت باتری های لیتیوم - یون کار کنند. از ذخیره انرژی Flywheel می توان برای ذخیره انرژی تولید شده در طی فرآیندهای ترمز و کاهش سرعت کشتی استفاده کرد و تحقق انرژی و استفاده مجدد از آن را تحقق بخشید. از طریق ادغام ارگانیک چندین فن آوری ذخیره سازی انرژی ، یک سیستم ذخیره سازی انرژی یکپارچه کشتی کارآمدتر ، پایدار و قابل اعتماد تر می تواند ساخته شود و عملکرد کلی و بهره وری استفاده از انرژی کشتی را بهبود بخشد.

فن آوری باتری لیتیوم دریایی - یون در مرحله توسعه و تحول سریع است. اگرچه با پیشرفت های زیادی روبرو شده است ، با پیشرفت مداوم نوآوری تکنولوژیکی ، چشم انداز کاربرد آن در صنعت حمل و نقل به طور فزاینده ای گسترده خواهد شد و انتظار می رود که به فناوری اصلی قدرت تبدیل شده به تحول سبز صنعت حمل و نقل جهانی تبدیل شود.