Con il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia e la trasformazione della struttura energetica globale, l’energia rinnovabile è diventata la chiave per il futuro sviluppo energetico. Le batterie al litio, come fonti di batterie secondarie, si sono sviluppate rapidamente a partire dagli anni '1990. I vantaggi derivanti dall’elevata densità energetica, dal lungo ciclo di vita e dal rispetto dell’ambiente li hanno visti diventare ampiamente utilizzati nei nuovi veicoli energetici, nei prodotti elettronici e nei sistemi di stoccaggio dell’energia. Inoltre, le batterie agli ioni di litio sono gradualmente diventate un importante strumento di ricerca nel settore delle energie rinnovabili, contribuendo ad alimentare l’aumento dei sistemi di accumulo dell’energia domestica. L’istituzione di questi tipi di sistemi ha migliorato la stabilità dei sistemi energetici e ha consentito di risparmiare sui costi.
Qui, approfondiremo ulteriormente i vantaggi e gli svantaggi dell'utilizzo delle batterie agli ioni di litio per l'accumulo di energia residenziale, comprese le prestazioni della batteria, i costi, la sicurezza e l'impatto ambientale.
Sommario
Struttura della batteria agli ioni di litio
Sviluppo di batterie agli ioni di litio per l'archiviazione domestica
Problemi con le batterie domestiche agli ioni di litio
Ricerca in corso sulle batterie agli ioni di litio
Prospettive del mercato nazionale delle batterie agli ioni di litio
Incentivi per i proprietari di case per l’utilizzo di batterie agli ioni di litio
Alcuni consigli sull'acquisto delle batterie
Struttura della batteria agli ioni di litio
Una batteria agli ioni di litio è un tipo di batteria secondaria (batteria ricaricabile) che si basa principalmente sugli ioni di litio che si muovono tra gli elettrodi positivo e negativo. Le batterie agli ioni di litio sono generalmente composte da celle, un fusibile (o PTC), schede di protezione, gusci e alcuni accessori. La scheda di protezione è composta principalmente da chip di protezione, tubi MOS, resistori, condensatori e schede PCB. La cella, invece, si riferisce ad una singola cella elettrochimica contenente elettrodi positivi e negativi, elettroliti, un diaframma e così via. Le sostanze attive utilizzate per creare elettrodi positivi sono generalmente manganato di litio, litio cobalto, manganato di litio nichel cobalto o fosfato di litio ferro. Per gli elettrodi negativi viene utilizzata la grafite, o carbonio con una struttura simile alla grafite. L'elettrolita organico è un solvente carbonato disciolto in esafluorofosfato di litio; Le batterie polimeriche agli ioni di litio utilizzano un elettrolita gelatinoso.
Le biciclette elettriche utilizzano comunemente manganato di litio nichel cobalto (noto anche come ternario) più una piccola quantità di manganato di litio. Il diaframma è una pellicola polimerica sagomata con struttura microporosa che consente agli ioni di litio di passare liberamente ma blocca gli elettroni. Le varietà comuni sono realizzate in polietilene (PE), polipropilene (PP) o nel suo film composito, diaframma a tre strati PP/PE/PP. Il guscio della batteria è solitamente costituito da un guscio di acciaio, un guscio di alluminio, un guscio di ferro nichelato, una pellicola di alluminio-plastica, ecc., Mentre il cappuccio presenta i terminali positivo e negativo della batteria.
Sviluppo di batterie agli ioni di litio per l'archiviazione domestica
Tecnologia del prodotto
Negli ultimi anni, con il graduale sviluppo e maturità della tecnologia delle batterie agli ioni di litio, le batterie domestiche agli ioni di litio hanno compiuto progressi tecnici significativi in termini di capacità, sicurezza, ciclo di vita e così via. Attualmente, la densità energetica delle tradizionali batterie domestiche agli ioni di litio è di 200-300 Wh/kg, e alcuni prodotti di fascia alta superano addirittura i 350 Wh/kg. Inoltre, il continuo aggiornamento della tecnologia del sistema di gestione della batteria (BMS) significa che anche la sicurezza delle batterie agli ioni di litio sta migliorando.
Scala di mercato
Negli ultimi anni, le dimensioni del mercato delle batterie agli ioni di litio hanno mostrato un trend di rapida espansione, con il mercato globale delle batterie agli ioni di litio per uso domestico cresciuto da 1 miliardo di dollari nel 2010 a 10 miliardi di dollari nel 2020. Secondo i rapporti pertinenti, il mercato delle batterie agli ioni è concentrato principalmente in Cina, Giappone e Corea del Sud, con la regione Asia-Pacifico che rappresenta oltre il 70% della quota di mercato globale. Nel frattempo, la regione europea rappresenta solo il 10-15% del mercato globale, il che dimostra che il mercato europeo ha un grande potenziale di sviluppo.
riduzione dei costi
La riduzione del costo delle batterie agli ioni di litio coinvolge molti aspetti e i produttori continuano a migliorare le prestazioni delle batterie e a ridurne i costi attraverso la tecnologia, il miglioramento dei materiali e l’ottimizzazione della produzione. In futuro, con l’approfondimento della ricerca e il maturare della tecnologia, anche il costo di produzione delle batterie agli ioni di litio si ridurrà ulteriormente.
Problemi con le batterie domestiche agli ioni di litio
Costo
Con la continua maturità della tecnologia delle batterie agli ioni di litio, i costi di produzione sono diminuiti di anno in anno. Ma a causa della distribuzione non uniforme delle materie prime, le fluttuazioni dei prezzi possono essere significative, rendendo il costo delle batterie agli ioni di litio più elevato di quello delle batterie tradizionali, il che ne limita la competitività nelle applicazioni su larga scala.
La durabilità
La durata delle batterie agli ioni di litio è determinata dal numero di cicli, dalla velocità di carica e scarica, dalla temperatura e da altri fattori. All'aumentare del numero di cicli della batteria, la capacità della batteria e la potenza erogata potrebbero diminuire.
Questioni ambientali
Sebbene le batterie agli ioni di litio per uso domestico offrano molti vantaggi, comportano anche alcuni problemi ambientali. E sebbene molti produttori di batterie agli ioni di litio abbiano adottato processi di produzione ecologici, esiste ancora un certo rischio ambientale nel trattamento delle batterie agli ioni di litio usate. Ad esempio, le batterie usate contengono metalli pesanti dannosi che, se non gestiti correttamente, possono causare la contaminazione del suolo, delle fonti d’acqua e degli ecosistemi.
Pericoli per la sicurezza
Le batterie agli ioni di litio sottoposte a cariche e scariche eccessive, temperature elevate, estrusione e altre condizioni speciali possono subire instabilità termica, incendi e altri incidenti legati alla sicurezza. Nonostante i continui miglioramenti nella tecnologia del sistema di gestione della batteria (BMS), la sicurezza delle batterie agli ioni di litio è stata notevolmente migliorata; ma in casi estremi esiste ancora la possibilità di incidenti legati alla sicurezza.
Ricerca in corso sulle batterie agli ioni di litio
Essendo un dispositivo di accumulo di energia efficiente e relativamente rispettoso dell’ambiente, le batterie agli ioni di litio hanno ricevuto ampia attenzione e ricerca negli ultimi anni. La ricerca attuale è principalmente diretta all’ottimizzazione dei materiali, della struttura, della gestione della batteria, della tecnologia di ricarica rapida, della sicurezza e di altri aspetti.
Innovazione materiale
I ricercatori hanno esplorato nuovi materiali per elettrodi positivi e negativi per migliorare la densità energetica, la durata e la sicurezza delle batterie. Ad esempio, i materiali in silicio potrebbero presto sostituire la tradizionale grafite per gli elettrodi negativi, migliorando così la densità energetica delle batterie. Allo stesso tempo, i ricercatori stanno anche esplorando nuovi materiali catodici, come materiali ricchi di litio e materiali ricchi di litio stratificato, per migliorare la densità energetica e la durata delle batterie.
Elettroliti solidi
Gli elettroliti solidi sono una delle tecnologie chiave nelle batterie di prossima generazione. Rispetto agli elettroliti liquidi utilizzati nelle tradizionali batterie agli ioni di litio, gli elettroliti solidi hanno una maggiore sicurezza e una maggiore densità di energia. Attualmente, i ricercatori stanno studiando lo sviluppo di elettroliti solidi a basso costo e ad alta conduttività ionica per sostituire i tradizionali elettroliti liquidi.
Sistemi di gestione della batteria
Il sistema di gestione della batteria è un componente importante nel tasso di utilizzo dell'energia delle batterie agli ioni di litio, prolungandone la durata e migliorando la sicurezza. I ricercatori stanno lavorando su sistemi di gestione delle batterie più intelligenti per ottenere un controllo accurato e una gestione ottimale delle batterie.
Tecnologie di ricarica rapida
La tecnologia di ricarica rapida può ridurre il tempo di ricarica della batteria e migliorare l'efficienza d'uso. I ricercatori stanno studiando tecnologie di ricarica più efficienti, come la ricarica a impulsi e la ricarica wireless, per ottenere velocità di ricarica più elevate e una maggiore efficienza di ricarica.
Prospettive del mercato nazionale delle batterie agli ioni di litio
Esigenze di trasformazione energetica: Con l’avanzamento della trasformazione energetica globale, le fonti energetiche rinnovabili come l’energia solare ed eolica sono gradualmente diventate mainstream. Le batterie domestiche agli ioni di litio aiutano a immagazzinare queste fonti energetiche intermittenti, consentendo alle famiglie di raggiungere un approvvigionamento energetico autosufficiente e di ridurre la loro dipendenza dalle tradizionali fonti energetiche fossili.
Popolarità dei veicoli elettrici: Con il rapido sviluppo del mercato dei veicoli elettrici, il sistema di accumulo di energia delle batterie domestiche agli ioni di litio può essere adattato per essere utilizzato come struttura di supporto per i veicoli elettrici, fornendo soluzioni di accumulo di energia e migliorandone ulteriormente l’autonomia e le prestazioni.
Politica dei prezzi dell’elettricità di punta: Molti paesi e regioni attuano politiche di prezzo dell’elettricità di punta per incoraggiare gli utenti a caricare a prezzi bassi e a utilizzare l’elettricità nelle ore di punta. Le batterie domestiche agli ioni di litio possono aiutare gli utenti a sfruttare appieno le politiche dei prezzi dell’elettricità di picco-valle per ridurre i costi energetici.
Promozione dell’obiettivo della neutralità del carbonio: I paesi di tutto il mondo hanno proposto obiettivi di neutralità del carbonio per promuovere l’adeguamento della struttura energetica e ridurre le emissioni di carbonio. I sistemi domestici di accumulo dell’energia tramite batterie agli ioni di litio possono migliorare l’efficienza energetica, ridurre le emissioni di carbonio e aiutare il mondo a raggiungere la neutralità del carbonio.
Innovazione tecnologica: Con i continui progressi nello sviluppo della tecnologia delle batterie agli ioni di litio, la loro capacità, sicurezza, durata e altri aspetti delle prestazioni saranno ulteriormente migliorati, ridurranno i costi e miglioreranno la competitività sul mercato.
Incentivi per i proprietari di case per l’utilizzo di batterie agli ioni di litio
Giappone
Il Ministero dell'Economia, del Commercio e dell'Industria (METI) del Giappone, con un budget di circa 98.3 milioni di dollari, fornisce sussidi per il 66% alle famiglie e alle imprese che installano batterie elettroniche al litio. Prendendo come esempio le batterie al sodio-zolfo, il governo giapponese non solo fornisce sostegno finanziario gratuito nelle prime fasi di ricerca e sviluppo, fornendo oltre il 50% dei fondi, ma fornisce anche supporto che include tecnologia, mercato, progetti dimostrativi e altri aspetti, e continua concedere sussidi dopo la sua operazione commerciale.
Stati Uniti
Crediti d’imposta federali: il governo degli Stati Uniti offre una serie di crediti d’imposta per promuovere lo sviluppo delle energie rinnovabili e dei sistemi di stoccaggio. Ad esempio, il credito d’imposta sugli investimenti (ITC) e il credito d’imposta sulla produzione (PTC) possono essere utilizzati per ridurre il costo di acquisizione di un sistema di accumulo energetico domestico. Nel frattempo, alcuni stati offrono incentivi e sussidi sostanziali per attrarre investimenti nella produzione di batterie, compresi incentivi in denaro, incentivi fiscali e diritti di utilizzo del territorio. Alcuni stati riducono anche le bollette elettriche implementando politiche di “scambio sul posto” che consentono ai proprietari di sistemi di stoccaggio energetico domestico di rivendere l’energia solare in eccesso nella rete.
Germania
Tra il 2013 e il 2018, il governo tedesco ha concesso finanziamenti diretti fino al 30% per lo stoccaggio di energia domestica e, poiché l’uso di energia è principalmente legato al fotovoltaico domestico, le politiche benefiche della Germania sul fotovoltaico domestico hanno promosso impianti di stoccaggio dell’energia domestica.
Alcuni consigli sull'acquisto delle batterie
Comprendere la composizione chimica
Le batterie agli ioni di litio sono generalmente composte da elementi metallici come litio, cobalto e nichel. Comprendere la fonte e il processo di estrazione di questi elementi è importante per valutare l'impatto ambientale di una batteria. Gli acquirenti possono chiedere ai fornitori di fornire informazioni sui materiali delle batterie e provare a scegliere prodotti provenienti da fonti sostenibili che utilizzano processi di estrazione rispettosi dell’ambiente. Inoltre, gli acquirenti dovrebbero cercare marchi che siano stati certificati per la protezione ambientale, come la certificazione RoHS dell'Unione Europea e la certificazione della piattaforma di gestione della tracciabilità delle batterie dei veicoli energetici della Cina.
Considera la capacità e la densità di energia
Gli acquirenti devono comprendere la capacità e la densità di energia della batteria per poter selezionare la batteria giusta per le loro esigenze applicative. In generale, le batterie con capacità e densità di energia elevate possono garantire una maggiore durata della batteria e sono più leggere. Tuttavia, gli acquirenti dovrebbero considerare anche fattori come il tempo di ricarica e la durata.
Prestare attenzione alla sicurezza della batteria
Le batterie agli ioni di litio possono causare problemi di sicurezza se utilizzate o maneggiate in modo improprio. Pertanto, gli acquirenti dovrebbero scegliere un marchio di batterie che abbia un buon livello di sicurezza e sia stato rigorosamente testato. Durante il trasporto e lo stoccaggio, l'acquirente deve inoltre seguire le norme e gli standard di sicurezza pertinenti.
Considera la velocità di ricarica
Anche la velocità di ricarica delle batterie agli ioni di litio è un fattore da considerare. La tecnologia di ricarica rapida può ridurre il tempo di ricarica della batteria e migliorarne l'efficienza, ma può anche avere un impatto sulla durata e sulla sicurezza della batteria. L'acquirente deve scegliere la velocità di ricarica adeguata in base alla domanda effettiva.
Considera il ciclo di vita
La durata di ciclo di una batteria agli ioni di litio si riferisce al numero di volte in cui può essere utilizzata in determinate condizioni di carica e scarica. Una batteria con un ciclo di vita lungo può garantire una durata di servizio più lunga, riducendo la frequenza di sostituzione e la generazione di rifiuti. Gli acquirenti possono scegliere batterie con un ciclo di vita lungo in base alle effettive esigenze applicative.
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