In de context van het streven van de wereldwijde scheepvaartindustrie naar groene en efficiënte ontwikkeling, worden marien lithium -ionbatterijen, met hun unieke voordelen, geleidelijk een belangrijke transformatie van de industrie in de industrie. Het uitvoeren van een in - diepte technische analyse van marien lithium - ionbatterijen helpt de ontwikkelingsstatus en het potentieel van deze opkomende stroombron volledig te begrijpen.

I. Kerntechnische componenten van marien lithium - ionbatterijen

(I) Elektrode materiaaltechnologie

Kathodematerialen

Ternaire materialen (lithium nikkel kobalt mangaan oxide li (nicomn) o₂ of lithium nikkel kobalt aluminium oxide li (Nicoal) o₂): ternaire materialen hebben een hoge energiedichtheid, waardoor ze een krachtiger vermogen en langere cruises kunnen bieden voor schepen. Op sommige oceaan - gaande onderzoeksschepen en hoge eindjachten met strenge vereisten voor cruisebereik, kunnen ternaire lithium - ionbatterijen voldoen aan de stroomvereisten van schepen tijdens lange - termijn en lange - afstandsreizen vanwege hun voordelen van hoge energiedichtheid. Ternaire materialen hebben echter een slechte thermische stabiliteit in omgevingen met hoge temperatuur en relatief lage veiligheid. In mariene omgevingen is een nauwkeurig en complex batterijbeheersysteem (BMS) vereist om hun veilige en stabiele werking te garanderen, wat de kosten en technische moeilijkheid tot op zekere hoogte verhoogt.

Lithium -ijzerfosfaat (LifePo₄): lithium -ijzerfosfaatmaterialen hebben een hoge mate van technische volwassenheid en worden veel gebruikt in het scheepsbouwveld. Het heeft een hoge thermische weggelopen temperatuur en goede veiligheidsprestaties. Zelfs in harde omgevingscondities kan het effectief ernstige veiligheidsongevallen zoals brand en explosie vermijden, waardoor het vooral geschikt is voor gebruik in personeel - intensieve schepen zoals binnenlandse cruiseschepen en korte passagiersveerboten. Tegelijkertijd hebben lithium - ijzer - fosfaatbatterijen een lange levensduur. Tijdens het oplaad- en ontlaadproces is de batterijstructuur stabiel en is het capaciteitsverval traag. Bovendien zijn de grondstoffen overvloedig overvloedig en zijn de kosten relatief laag, wat aanzienlijke voordelen vertoont in kosten - effectiviteit.

Anodematerialen

Grafiet -gebaseerde anodematerialen: traditionele grafietanodematerialen hebben een relatief hoge theoretische specifieke capaciteit (ongeveer 372 mAh/g) en zijn relatief laag in kosten en volwassen in technologie, die vaak worden gebruikt in mariene lithiumbatterijen. Het kan een groot aantal invoegplaatsen voor lithiumionen bieden, waardoor de snelle en stabiele overdracht van lithiumionen wordt gewaarborgd tijdens het laad- en lozingsproces van de batterij. Met de continue verbetering van de vereisten voor batterijprestaties, is de energiedichtheidsverbetering van grafietanodematerialen echter gebleken knelpunten.

Verkenning van nieuwe anodematerialen: om de beperkingen van grafietanodes door te breken, onderzoeken onderzoekers actief nieuwe anodematerialen, zoals op silicium gebaseerde anodematerialen. De theoretische specifieke siliciumcapaciteit is zo hoog als 4200 mAh/g, meer dan tien keer die van grafiet. Op silicium gebaseerde materialen zullen echter een aanzienlijke volume -expansie ervaren tijdens het laad- en ontlaadproces, wat leidt tot de vernietiging van de elektrodestructuur en een daling van de cyclusprestaties. Momenteel is het verbeteren van de prestaties van op silicium gebaseerde anodematerialen door middel van middelen zoals nanotechnologie en composiettechnologie een onderzoekshotspot geworden en zal naar verwachting in de toekomst worden toegepast op marien lithiumbatterijen, waardoor de energiedichtheid van batterijen aanzienlijk wordt verbeterd.

(Ii) Elektrolyttechnologie

Vloeibare elektrolyten

Organische elektrolyten: momenteel gebruiken de meeste mariene lithium - ionbatterijen organische elektrolyten en hun belangrijkste componenten omvatten organische oplosmiddelen en lithiumzouten. Gemeenschappelijke organische oplosmiddelen omvatten carbonaten, zoals ethyleencarbonaat (EC), dimethylcarbonaat (DMC), enz. Ze hebben een goede oplosbaarheid voor lithiumzouten en hoge ionische geleidbaarheid, waardoor de snelle migratie van lithiumionen tussen de positieve en negatieve elektroden van de batterij wordt gewaarborgd. Lithium hexafluorofosfaat (LIPF₆) wordt in het algemeen geselecteerd als het lithiumzout, dat lithiumionen in organische oplosmiddelen effectief kan dissociëren en ladingsdragers kan bieden voor het opladen en ontladen van batterijen. Organische elektrolyten hebben echter veiligheidsrisico's zoals ontvlambaarheid en volatiliteit. In een mariene omgeving, zodra de batterij lekt, kan deze ernstige ongevallen zoals branden veroorzaken.

Vaste elektrolyten

Polymeer vaste elektrolyten: polymeer vaste elektrolyten gebruiken polymeerpolymeren als de matrix, zoals polyethyleenoxide (PEO), enz., En vormen een elektrolytensysteem met ionische geleidbaarheid door samenstelling met lithiumzouten. Het heeft een goede flexibiliteit en kan nauw aan het elektrodenmateriaal houden, waardoor de interface -stabiliteit van de batterij wordt verbeterd. Tegelijkertijd zijn polymeer vaste elektrolyten niet -brandbaar en hebben geen lekrisico, wat de veiligheid van de batterij aanzienlijk kan verbeteren. De ionische geleidbaarheid is echter relatief laag, vooral in lage temperatuuromgevingen, de ionentransportsnelheid is beperkt, wat de batterijprestaties beïnvloedt.

Anorganische vaste elektrolyten: anorganische vaste elektrolyten zoals granaat -type en nasicon - Type hebben een hoge ionische geleidbaarheid en goede chemische stabiliteit. Onder hen hebben granaat - type vaste elektrolyten hebben een goede compatibiliteit met lithiummetaal en worden verwacht dat ze worden toegepast op hoge - energie - dichtheid lithium - metalen batterijen. Het bereidingsproces van anorganische vaste elektrolyten is echter complex, de kosten zijn hoog en de interface -contactweerstand met elektrodematerialen is groot. Deze problemen beperken hun grootschalige toepassing. Momenteel zijn onderzoekers toegewijd aan het promoten van het aanvraagproces van anorganische vaste elektrolyten in marien lithium -ionbatterijen door het bereidingsproces te optimaliseren en de interface -prestaties te verbeteren.

(Iii) Batterijbeheersysteem (BMS) technologie

Monitoring van de batterijstaat

Spanningsbewaking: het BMS gebruikt hoge precisiespanningssensoren om de spanning van elke batterijcel in reële tijd te controleren. Aangezien mariene lithium - ionbatterijen meestal zijn samengesteld uit een groot aantal batterijcellen die in serie en parallel zijn aangesloten, heeft de spanningsconsistentie tussen cellen een significante invloed op de prestaties van het batterij. Zodra een celspanning te hoog of te laag blijkt te zijn, zullen de BMS tijdige maatregelen nemen, zoals het egaliseren van laad en ontladen, om overladen of over te voorkomen - cellen te ontladen en de veilige en stabiele werking van het batterij te waarborgen. Tijdens de reis van het schip bijvoorbeeld, als een batterijcel een abnormale spanningsval ervaart vanwege interne micro -kort - kort - circuit of andere redenen, kan het BMS het snel detecteren en de oplaad- en ontlaadstrategie aanpassen om verdere schade aan de cel te voorkomen en de prestaties van de gehele batterij te beïnvloeden.

Huidige monitoring: het nauwkeurig bewaken van de laad- en loweringstroom van de batterij is cruciaal voor het evalueren van de toestand van de lading (SOC) en de gezondheidstoestand (SOH) van de batterij. De BMS gebruikt huidige sensoren om de laad- en lowering van de huidige gegevens van de batterij in reële tijd te verzamelen en berekent de lading- en ontladingscapaciteit van de batterij volgens de grootte en richting van de stroom. Tegelijkertijd kan het BMS op basis van parameters zoals de huidige wijzigingssnelheid bepalen of de batterij zich in een over -huidige status bevindt. Eenmaal voorbij - stroom wordt gedetecteerd, activeert het onmiddellijk het beschermingsmechanisme en snijdt het circuit af om te voorkomen dat de batterij wordt beschadigd door een grote huidige impact.

Temperatuurbewaking: de mariene omgeving is complex en veranderlijk en de batterijtemperatuur wordt beïnvloed door verschillende factoren zoals de omgevingstemperatuur en de laad- en ontlaadsnelheid. Overmatige of te lage temperatuur zal de prestaties en levensduur van de batterij ernstig beïnvloeden en kan zelfs veiligheidsongevallen veroorzaken. De BMS gebruikt meerdere temperatuursensoren die op verschillende posities van het batterij worden verdeeld om de batterijtemperatuur in reële tijd te bewaken. Wanneer de temperatuur te hoog is, begint het koelapparatuur zoals koelventilatoren en vloeistofkoelsystemen; Wanneer de temperatuur te laag is, wordt verwarmingselementen ingeschakeld om de batterijtemperatuur binnen een geschikt werkbereik te behouden. In hete zomer, wanneer een schip bijvoorbeeld in tropisch water vaart, zal de temperatuur van het batterijpakket waarschijnlijk stijgen. De BMS kan het vloeistof -koelsysteem automatisch regelen om de stroomsnelheid van de koelvloeistof te verhogen om de batterijtemperatuur te verlagen en de prestaties van de stabiele batterij te waarborgen.

Batterij -egalisatiebeheer

Actieve egalisatie: Actieve egalisatietechnologie maakt gebruik van energie -opslagcomponenten zoals inductoren en condensatoren om de energie van de batterijcellen met hoge lading over te dragen naar die met lage lading, waardoor lading -egalisatie tussen batterijcellen wordt bereikt. Deze egalisatiemethode kan het ladingsverschil tussen cellen snel en effectief verminderen, waardoor de algehele prestaties en de levensduur van het batterijpakket worden verbeterd. Tijdens het laadproces van het batterijpakket kan het actieve egalisatiesysteem bijvoorbeeld de lading van elke cel in reële tijd controleren. Wanneer wordt vastgesteld dat een bepaalde cel dicht bij volledige lading is, terwijl de ladingen van andere cellen laag zijn, draagt ​​het actief een deel van de energie van deze cel over naar andere cellen, waardoor alle cellen volledig synchroon kunnen worden geladen en het voorkomen van overladen van sommige cellen.

Passieve egalisatie: passieve egalisatie is om een ​​weerstand parallel aan elke batterijcel aan te sluiten. Wanneer de spanning van een bepaalde cel hoger is dan de ingestelde drempel, wordt de overtollige lading van deze cel verbruikt in de vorm van warmte door de weerstand, waardoor spanningsvergelijking wordt bereikt. Passieve egalisatietechnologie is eenvoudig en lage kosten, maar het verbruikt een grote hoeveelheid energie en heeft een relatief langzame egalisatiesnelheid, die geschikt is voor marien lithium - ionenbatterijsystemen met kosten - gevoeligheid en een kleine batterij - pack -schaal.

Veiligheidsbeschermingsfuncties

Bescherming over overbelasting: wanneer de batterijspanning de overbelastingsbeveiligingsdrempel bereikt, snijdt het BMS onmiddellijk het laadcircuit af om te voorkomen dat de batterij ernstige ongevallen ervaart, zoals zwelling, brand en zelfs explosie als gevolg van overladen. Bijvoorbeeld, tijdens het kust van het schip - zijlaadproces, als de laadapparatuur faalt, wat resulteert in een continue toename van de laadspanning, wordt de overbelastingsbeveiligingsfunctie van het BMS snel geactiveerd om de veiligheid van de batterij en het schip te waarborgen.

Over - ontladingsbeveiliging: zodra de batterijspanning naar de over - ontladingsbeveiligingsdrempel valt, snijdt het BMS het ontladingscircuit af om over te voorkomen - het laden van de batterij. Omdat over - ontladen zal leiden tot onomkeerbare capaciteit verval van de batterij en de levensduur van de batterij verkort. Tijdens de reis van het schip, wanneer het batterijvermogen bijna uitputting is, zal het BMS een alarm afgeven en het vermogen van de elektrische apparatuur van het schip beperken, wat prioriteit geeft aan het waarborgen van de werking van belangrijke apparatuur. Tegelijkertijd snijdt het onmiddellijk niet -essentiële belastingen af ​​om te voorkomen dat de batterij voorbij is - ontladen.

Over - Huidige bescherming: zoals hierboven vermeld, wanneer de oplaad- en ontlaadingsstroom van de batterij wordt gedetecteerd om de veiligheidsdrempel te overschrijden, snijdt de BMS snel het circuit af om te voorkomen dat de batterij wordt beschadigd door thermische wegloper veroorzaakt door een grote stroom. Bovendien heeft het BMS ook een korte -circuitbeschermingsfunctie. Wanneer een interne of externe korte circuit in de batterij plaatsvindt, kan het het circuit in een extreem korte tijd afsnijden om veiligheidsongevallen veroorzaakt door korte circuitstroom te voorkomen.

II. Uitdagingen en tegenmaatregelen in Marine Lithium - Ion Battery Technology

(I) Knelpunt in verbetering van de energiedichtheid

Hoewel de energiedichtheid van de huidige mariene lithium -ionbatterijen aanzienlijke vooruitgang heeft geboekt, vergeleken met de groeiende vraag naar langdurige cruises in de scheepvaartindustrie, is er nog ruimte voor verbetering. Om dit knelpunt te doorbreken, enerzijds, zijn continu onderzoek en ontwikkeling van nieuwe elektrodematerialen, zoals de op silicium gebaseerde anodematerialen en hoog - nikkel ternaire kathodematerialen die hierboven worden genoemd, nodig. Door de materiaalstructuur en prestaties te optimaliseren, kan de specifieke capaciteit van de elektroden worden verhoogd. Aan de andere kant moet innovatie in het ontwerp van de batterijstructuur worden uitgevoerd. Meer compacte en efficiënte batterij - pack -ontwerpschema's moeten worden aangenomen om het aandeel niet -actieve materialen in het batterijpakket te verminderen en het ruimtegebruik te verbeteren, waardoor een hogere energieopslag in de beperkte ruimte van het schip wordt bereikt.

(Ii) Veiligheidsrisico's

De mariene omgeving is complex en hard en factoren zoals hoge temperatuur, hoge luchtvochtigheid, trillingen en impact kunnen allemaal bedreigingen vormen voor de veiligheid van lithium -ionbatterijen. Om de veiligheid te verbeteren, naast het kiezen van veiligere elektrodenmaterialen (zoals lithiumijzerfosfaat) en elektrolyten (zoals vaste elektrolyten), is het ook noodzakelijk om de veiligheidsbeveiligingsfunctie van het BMS verder te verbeteren, de nauwkeurigheid en responssnelheid bij het bewaken van de batterijstaat te verbeteren. Tegelijkertijd moet strikte controle worden uitgeoefend in het productieproces van de batterij om de stabiele interne structuur en betrouwbare verbinding van de batterij te waarborgen, waardoor veiligheidsrisico's worden veroorzaakt door de productie -defecten. Bovendien kunnen door een batterijveiligheid een batterijveiligheid op te zetten en technologieën zoals big data en kunstmatige intelligentie te gebruiken, potentiële veiligheidsproblemen van de batterij vooraf worden voorspeld en kunnen preventieve maatregelen worden genomen om de veilige navigatie van het schip te waarborgen.

(Iii) Hoge kosten

De hoge kosten van marien lithium - ionbatterijen beperken hun grote schaalpromotie en toepassing. Kostenreductie kan worden bereikt vanuit meerdere aspecten. Wat grondstoffen betreft, kunnen de kosten van grondstoffen worden verlaagd door nieuwe grondstoffen te ontwikkelen of de supply chain van de ruwe materiaal te optimaliseren. In het productie- en productieproces kan het vergroten van de mate van productieautomatisering en het uitbreiden van de productieschaal de productiekosten per eenheidsproduct verminderen. Tegelijkertijd verbeteren de levensduur van de cyclus en de betrouwbaarheid van de batterij, het verminderen van de frequentie van batterijvervanging en het verminderen van de totale investering van reders vanuit het perspectief van langdurige gebruikskosten. Bovendien zal met technologische vooruitgang de ontwikkeling van de batterijrecyclingindustrie ook helpen de volledige - levensduur - cycluskosten van batterijen te verlagen. Door waardevolle metalen in gebruikte batterijen te recyclen, kan resource recycling worden gerealiseerd, waardoor de kosten van inkoop van onbewerkte materiaal worden verlaagd.

Iii. Ontwikkelingstrends van marien lithium - ionbatterijtechnologie

(I) De opkomst van vaste batterijtechnologie voor vaste toestand

Solid - batterijen, met hun voordelen van hoge energiedichtheid en hoge veiligheid, zijn een belangrijke richting geworden voor de ontwikkeling van marien lithium - ionenbatterijtechnologie. Met de continue doorbraken in solid -state elektrolyttechnologie, zoals het vergroten van de ionische geleidbaarheid van polymeer vaste elektrolyten en het verminderen van de bereidingskosten en interfaceweerstand van anorganische vaste elektrolyten, wordt verwacht dat batterijen van vaste toestand geleidelijk worden opgerand en worden toegepast in het scheepsbouwveld binnen de volgende 5 - 10 jaar. Eenmaal gerealiseerd, zal het de cruisebereik en de veiligheid van schepen aanzienlijk verbeteren en de scheepvaartindustrie promoten om zich te ontwikkelen in een efficiëntere en milieuvriendelijke richting.

(Ii) De diepgaande toepassing van intelligente batterijbeheersystemen

Met de snelle ontwikkeling van technologieën zoals het internet der dingen, big data en kunstmatige intelligentie, zullen de BMS van marien lithium -ionbatterijen diep in de intelligente richting evolueren. De toekomstige BMS zal niet alleen in staat zijn om nauwkeurige batterijbewaking, egalisatiebeheer en veiligheidsbescherming te bereiken, maar ook, door interconnectie en communicatie met andere scheepssystemen, het optimale beheer van de algemene energie van het schip te realiseren. Volgens de navigatiestatus van het schip, de laadvraag en andere informatie bijvoorbeeld, kan de strategie voor laad- en ontladen van de batterij intelligent worden aangepast om de efficiëntie van het energieverbruik te verbeteren. Tegelijkertijd kan de gezondheidstoestand van de batterij met behulp van big -data -analyse en kunstmatige - intelligentie -algoritmen nauwkeurig worden voorspeld en kunnen onderhoudsplannen vooraf worden geregeld om de operationele risico's van het schip te verminderen.

(Iii) geïntegreerde ontwikkeling met andere energie -opslagtechnologieën

Om te voldoen aan de complexe energievereisten van schepen onder verschillende werkomstandigheden, zullen mariene lithium -ionbatterijen worden geïntegreerd met andere energie -opslagtechnologieën, zoals supercondensatoren en opslag van vliegwielenergie. Supercondensatoren hebben kenmerken zoals hoge vermogensdichtheid en snel opladen en ontladen. Ze kunnen in coördinatie werken met lithium - ionbatterijen in scenario's met onmiddellijke hoge stroomvereisten, zoals het starten en versnellen van het schip, waardoor de grote huidige ontladingsdruk op lithium - ionbatterijen wordt verminderd en de levensduur van lithiumbatterijen wordt verlengd. Flywheel Energy Storage kan worden gebruikt om de energie op te slaan die wordt gegenereerd tijdens de remmen en vertragingsprocessen van het schip, waardoor energieherstel en hergebruik worden gerealiseerd. Door de organische integratie van meerdere energie -opslagtechnologieën, kan een efficiënter, stabiel en betrouwbaar schip geïntegreerd energie - opslagsysteem worden geconstrueerd, waardoor de algehele prestaties en de efficiëntie van het energieverbruik van het schip worden verbeterd.

Marine Lithium - Ion Battery Technology bevindt zich in een stadium van snelle ontwikkeling en transformatie. Hoewel ze worden geconfronteerd met vele uitdagingen, met de voortdurende vooruitgang van technologische innovatie, zullen de toepassingsperspectieven in de scheepvaartindustrie steeds breeder worden, en wordt verwacht dat het de kernmacht technologie wordt die de groene transformatie van de wereldwijde scheepvaartindustrie stimuleert.