Mit der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie und der Transformation der globalen Energiestruktur sind erneuerbare Energien zum Schlüssel für die zukünftige Energieentwicklung geworden. Lithium-Ionen-BatterienAls Sekundärbatteriequellen haben sich seit den 1990er Jahren rasant weiterentwickelt. Ihre Vorteile wie hohe Energiedichte, lange Lebensdauer und Umweltfreundlichkeit haben dazu geführt, dass sie in Fahrzeugen mit neuer Energie, elektronischen Produkten und Energiespeichersystemen weit verbreitet eingesetzt werden. Darüber hinaus haben sich Lithium-Ionen-Batterien nach und nach zu einem wichtigen Forschungsinstrument in der Branche der erneuerbaren Energien entwickelt und tragen dazu bei, den Aufstieg von Energiespeichersystemen für Privathaushalte voranzutreiben. Der Aufbau derartiger Systeme hat die Stabilität der Energiesysteme verbessert und Kosten eingespart.
Hier gehen wir näher auf die Vor- und Nachteile der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien für die Energiespeicherung in Privathaushalten ein, einschließlich Batterieleistung, Kosten, Sicherheit und Umweltauswirkungen.
Inhaltsverzeichnis
Lithium-Ionen-Batteriestruktur
Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien für die Heimspeicherung
Probleme mit haushaltsüblichen Lithium-Ionen-Batterien
Laufende Forschung zu Lithium-Ionen-Batterien
Aussichten für den inländischen Markt für Lithium-Ionen-Batterien
Anreize für Hausbesitzer, Lithium-Ionen-Batterien zu verwenden
Einige Tipps zum Batteriekauf
Lithium-Ionen-Batteriestruktur
Eine Lithium-Ionen-Batterie ist eine Art Sekundärbatterie (wiederaufladbare Batterie), die hauptsächlich auf der Bewegung von Lithiumionen zwischen den positiven und negativen Elektroden beruht. Lithium-Ionen-Batterien bestehen im Allgemeinen aus Zellen, einer Sicherung (oder PTC), Schutzplatinen, Gehäusen und einigen Zubehörteilen. Die Schutzplatine besteht hauptsächlich aus Schutzchips, MOS-Röhren, Widerständen, Kondensatoren und Leiterplatten. Mit der Zelle ist eine einzelne elektrochemische Zelle gemeint, die positive und negative Elektroden, Elektrolyte, ein Diaphragma usw. enthält. Die zur Herstellung positiver Elektroden verwendeten Wirkstoffe sind im Allgemeinen Lithiummanganat, Lithiumkobalt, Lithiumnickelkobaltmanganat oder Lithiumeisenphosphat. Für die negativen Elektroden wird Graphit oder Kohlenstoff mit einer ähnlichen Graphitstruktur verwendet. Der organische Elektrolyt ist ein in Lithiumhexafluorphosphat gelöstes Carbonatlösungsmittel; Polymer-Lithium-Ionen-Batterien verwenden einen gelartigen Elektrolyten.
Elektrofahrräder verwenden üblicherweise Lithium-Nickel-Kobalt-Manganat (auch als ternär bezeichnet) und eine kleine Menge Lithium-Manganat. Das Diaphragma ist ein geformter Polymerfilm mit einer mikroporösen Struktur, die Lithiumionen frei passieren lässt, Elektronen jedoch blockiert. Übliche Sorten werden aus Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder deren Verbundfolie, der dreischichtigen PP/PE/PP-Membran, hergestellt. Das Batteriegehäuse besteht normalerweise aus einem Stahlgehäuse, einem Aluminiumgehäuse, einem vernickelten Eisengehäuse, einer Aluminium-Kunststoff-Folie usw., während die Kappe die Plus- und Minuspole der Batterie aufweist.
Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien für die Heimspeicherung
Produkttechnologie
In den letzten Jahren haben heimische Lithium-Ionen-Batterien mit der schrittweisen Entwicklung und Reife der Lithium-Ionen-Batterietechnologie erhebliche technische Fortschritte in Bezug auf Kapazität, Sicherheit, Lebensdauer usw. gemacht. Derzeit beträgt die Energiedichte gängiger Lithium-Ionen-Haushaltsbatterien 200–300 Wh/kg, und einige High-End-Produkte überschreiten sogar 350 Wh/kg. Darüber hinaus führt die kontinuierliche Weiterentwicklung der Batteriemanagementsystem-Technologie (BMS) dazu, dass sich auch die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien verbessert.
Marktgröße
In den letzten Jahren zeigte die Größe des Marktes für Lithium-Ionen-Batterien einen rasanten Expansionstrend, wobei der weltweite Markt für Lithium-Ionen-Batterien für Privathaushalte von 1 Milliarde US-Dollar im Jahr 2010 auf 10 Milliarden US-Dollar im Jahr 2020 wuchs. Der Markt für Ionenbatterien konzentriert sich einschlägigen Berichten zufolge hauptsächlich auf China, Japan und Südkorea, wobei der asiatisch-pazifische Raum mehr als 70 % des Weltmarktanteils ausmacht. Mittlerweile macht die europäische Region nur 10–15 % des Weltmarktes aus, was zeigt, dass der europäische Markt über großes Entwicklungspotenzial verfügt.
Kostenreduktion
Die Reduzierung der Kosten von Lithium-Ionen-Batterien umfasst viele Aspekte, und die Hersteller verbessern weiterhin die Batterieleistung und senken die Batteriekosten durch Technologie, Materialverbesserung und Produktionsoptimierung. Mit der Vertiefung der Forschung und der Weiterentwicklung der Technologie werden in Zukunft auch die Produktionskosten von Lithium-Ionen-Batterien weiter sinken.
Probleme mit haushaltsüblichen Lithium-Ionen-Batterien
Kosten
Da die Lithium-Ionen-Batterietechnologie immer ausgereifter wird, sind die Produktionskosten von Jahr zu Jahr gesunken. Aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung der Rohstoffe können jedoch erhebliche Preisschwankungen auftreten, wodurch die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien höher sind als für herkömmliche Batterien, was ihre Wettbewerbsfähigkeit bei Großanwendungen einschränkt.
Langlebigkeit
Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien wird durch die Anzahl der Zyklen, die Lade- und Entladerate, die Temperatur und andere Faktoren bestimmt. Mit zunehmender Anzahl der Batteriezyklen können Kapazität und Leistungsabgabe einer Batterie abnehmen.
Umweltprobleme
Während Lithium-Ionen-Batterien für den Hausgebrauch viele Annehmlichkeiten bieten, bringen sie auch bestimmte Umweltprobleme mit sich. Und obwohl viele Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien umweltfreundliche Produktionsprozesse eingeführt haben, besteht bei der Behandlung von Lithium-Ionen-Altbatterien immer noch ein gewisses Umweltrisiko. Beispielsweise enthalten Altbatterien schädliche Schwermetalle, die bei unsachgemäßer Handhabung möglicherweise zu einer Kontamination von Böden, Wasserquellen und Ökosystemen führen können.
Sicherheitsrisiken
Bei Lithium-Ionen-Batterien, die übermäßigen Ladungen und Entladungen, hohen Temperaturen, Extrusion und anderen besonderen Bedingungen ausgesetzt sind, kann es zu thermischem Durchgehen, Feuer und anderen Sicherheitsunfällen kommen. Trotz kontinuierlicher Verbesserungen in der Batteriemanagementsystem-Technologie (BMS) wurde die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien erheblich verbessert; In extremen Fällen besteht jedoch immer noch die Möglichkeit von Sicherheitsunfällen.
Laufende Forschung zu Lithium-Ionen-Batterien
Als effizientes und relativ umweltfreundliches Energiespeichergerät haben Lithium-Ionen-Batterien in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit und Forschung erhalten. Die aktuelle Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf die Optimierung von Materialien, Struktur, Batteriemanagement, Schnellladetechnologie, Sicherheit und anderen Aspekten.
Materielle Innovation
Forscher haben neue positive und negative Elektrodenmaterialien erforscht, um die Energiedichte, Lebensdauer und Sicherheit von Batterien zu verbessern. Beispielsweise könnten Siliziummaterialien bald herkömmlichen Graphit für negative Elektroden ersetzen und so die Energiedichte von Batterien verbessern. Gleichzeitig erforschen Forscher auch neue Kathodenmaterialien, etwa lithiumreiche Materialien und geschichtete lithiumreiche Materialien, um die Energiedichte und Lebensdauer von Batterien zu verbessern.
Festelektrolyte
Festelektrolyte sind eine der Schlüsseltechnologien für Batterien der nächsten Generation. Im Vergleich zu den flüssigen Elektrolyten, die in herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden, weisen Festelektrolyte eine höhere Sicherheit und eine höhere Energiedichte auf. Derzeit untersuchen Forscher die Entwicklung kostengünstiger Festelektrolyte mit hoher Ionenleitfähigkeit als Ersatz für herkömmliche Flüssigelektrolyte.
Batteriemanagementsysteme
Das Batteriemanagementsystem ist eine wichtige Komponente für die Energienutzungsrate von Lithium-Ionen-Batterien, verlängert die Batterielebensdauer und verbessert die Sicherheit. Forscher arbeiten an intelligenteren Batteriemanagementsystemen, um eine genaue Steuerung und ein optimales Management von Batterien zu erreichen.
Schnellladetechnologien
Die Schnellladetechnologie kann die Ladezeit eines Akkus verkürzen und die Nutzungseffizienz verbessern. Forscher untersuchen effizientere Ladetechnologien wie Impulsladen und kabelloses Laden, um schnellere Ladegeschwindigkeiten und eine höhere Ladeeffizienz zu erreichen.
Aussichten für den inländischen Markt für Lithium-Ionen-Batterien
Anforderungen an die Energiewende: Mit der Weiterentwicklung der globalen Energiewende sind erneuerbare Energiequellen wie Solarenergie und Windenergie nach und nach zum Mainstream geworden. Heimische Lithium-Ionen-Batterien helfen bei der Speicherung dieser intermittierenden Energiequellen und ermöglichen so den Haushalten eine autarke Energieversorgung und verringern ihre Abhängigkeit von traditionellen fossilen Energiequellen.
Beliebtheit von Elektrofahrzeugen: Mit der rasanten Entwicklung des Marktes für Elektrofahrzeuge kann das Energiespeichersystem für Haushalts-Lithium-Ionen-Batterien so angepasst werden, dass es als unterstützende Einrichtung für Elektrofahrzeuge genutzt werden kann, Energiespeicherlösungen bereitstellt und deren Reichweite und Leistung weiter verbessert.
Strompreispolitik im Spitzental: Viele Länder und Regionen führen Strompreisrichtlinien für Spitzenzeiten ein, um die Nutzer dazu zu ermutigen, zu niedrigen Preisen zu laden und während der Spitzenzeiten Strom zu verbrauchen. Heim-Lithium-Ionen-Batterien können Benutzern dabei helfen, die Strompreispolitik in Spitzenzeiten voll auszunutzen und so die Energiekosten zu senken.
Förderung des CO2-Neutralitätsziels: Länder auf der ganzen Welt haben CO2-Neutralitätsziele vorgeschlagen, um die Anpassung der Energiestruktur zu fördern und die CO2-Emissionen zu reduzieren. Energiespeichersysteme mit Lithium-Ionen-Batterien für den Haushalt können die Energieeffizienz verbessern, den CO2-Ausstoß reduzieren und der Welt dabei helfen, CO2-Neutralität zu erreichen.
Technische Innovation: Durch kontinuierliche Fortschritte in der Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterietechnologie werden deren Kapazität, Sicherheit, Lebensdauer und andere Leistungsaspekte weiter verbessert, Kosten gesenkt und die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt verbessert.
Anreize für Hausbesitzer, Lithium-Ionen-Batterien zu verwenden
Japan
Das japanische Ministerium für Wirtschaft, Handel und Industrie (METI) stellt mit einem Budget von rund 98.3 Millionen US-Dollar 66 % Zuschüsse für Haushalte und Unternehmen bereit, die elektronische Lithiumbatterien installieren. Am Beispiel von Natrium-Schwefel-Batterien gewährt die japanische Regierung nicht nur kostenlose finanzielle Unterstützung in der frühen Forschung und Entwicklung (mehr als 50 % der Mittel), sondern leistet auch Unterstützung in den Bereichen Technologie, Markt, Demonstrationsprojekte und anderen Aspekten und wird fortgesetzt nach dem kommerziellen Betrieb Zuschüsse zu gewähren.
USA
Bundessteuergutschriften: Die US-Regierung bietet eine Reihe von Steuergutschriften an, um die Entwicklung erneuerbarer Energien und Speichersysteme zu fördern. Beispielsweise können die Investment Tax Credit (ITC) und Production Tax Credit (PTC) genutzt werden, um die Anschaffungskosten eines Energiespeichersystems für Privathaushalte zu senken. Mittlerweile bieten einige Staaten erhebliche Anreize und Subventionen an, um Investitionen in die Batterieproduktion anzuziehen, darunter Bargeldanreize, Steueranreize und Landnutzungsrechte. Einige Staaten senken auch die Stromrechnungen, indem sie „Net-Metering“-Richtlinien einführen, die es Eigentümern von Energiespeichern zu Hause ermöglichen, überschüssigen Solarstrom wieder in das Netz einzuspeisen.
Deutschland
Zwischen 2013 und 2018 stellte die deutsche Regierung bis zu 30 % direkte Darlehenszuschüsse für die Energiespeicherung in Haushalten bereit. Da der Energieverbrauch hauptsächlich mit der Photovoltaik in Haushalten zusammenhängt, hat Deutschland mit seiner vorteilhaften Photovoltaik-Politik für Haushalte die Installation von Energiespeichern in Haushalten gefördert.
Einige Tipps zum Batteriekauf
Verstehen Sie die chemische Zusammensetzung
Lithium-Ionen-Batterien bestehen normalerweise aus Metallelementen wie Lithium, Kobalt und Nickel. Für die Beurteilung der Umweltauswirkungen einer Batterie ist es wichtig, die Quelle und den Extraktionsprozess dieser Elemente zu verstehen. Käufer können Lieferanten um Informationen zu Batteriematerialien bitten und versuchen, Produkte aus nachhaltigen Quellen auszuwählen, die umweltfreundliche Extraktionsverfahren verwenden. Darüber hinaus sollten Käufer nach Marken suchen, die für den Umweltschutz zertifiziert sind, wie z. B. die RoHS-Zertifizierung der Europäischen Union und die Zertifizierung der Rückverfolgbarkeitsmanagementplattform für neue Energiefahrzeugbatterien in China.
Berücksichtigen Sie die Kapazität und Energiedichte
Käufer müssen die Kapazität und Energiedichte der Batterie verstehen, um die richtige Batterie für ihre Anwendungsanforderungen auszuwählen. Im Allgemeinen können Batterien mit hoher Kapazität und Energiedichte eine längere Batterielebensdauer bieten und sind leichter. Allerdings sollten Käufer auch Faktoren wie Ladezeit und Lebensdauer berücksichtigen.
Achten Sie auf die Sicherheit der Batterie
Lithium-Ionen-Batterien können bei unsachgemäßer Verwendung oder Handhabung zu Sicherheitsvorfällen führen. Daher sollten Käufer eine Batteriemarke wählen, die eine gute Sicherheitsbilanz aufweist und strengen Tests unterzogen wurde. Auch bei Transport und Lagerung hat der Käufer die einschlägigen Sicherheitsvorschriften und -normen zu beachten.
Berücksichtigen Sie die Ladegeschwindigkeit
Auch die Ladegeschwindigkeit von Lithium-Ionen-Akkus ist ein zu berücksichtigender Faktor. Die Schnellladetechnologie kann die Ladezeit eines Akkus verkürzen und die Effizienz verbessern, kann sich aber auch auf die Lebensdauer und Sicherheit des Akkus auswirken. Der Käufer sollte die passende Ladegeschwindigkeit entsprechend dem tatsächlichen Bedarf wählen.
Betrachten Sie die Lebensdauer des Zyklus
Die Zyklenlebensdauer eines Lithium-Ionen-Akkus gibt an, wie oft er unter bestimmten Lade- und Entladebedingungen verwendet werden kann. Eine Batterie mit einer langen Zyklenlebensdauer kann eine längere Lebensdauer bieten, was die Häufigkeit des Austauschs und die Abfallerzeugung verringert. Käufer können Batterien mit langer Zyklenlebensdauer entsprechend den tatsächlichen Anwendungsanforderungen wählen.
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