Dans le contexte de la poursuite de l'industrie du transport maritime mondial du développement vert et efficace, les batteries de lithium marine, avec leurs avantages uniques, deviennent progressivement une transformation clé de l'industrie. La réalisation d'une analyse technique en profondeur des batteries de lithium marine aide à comprendre de manière globale l'état de développement et le potentiel de cette source de puissance émergente.

I. Core Technical Composants des batteries de lithium marin - ion

(I) Technologie des matériaux d'électrode

Matériaux de cathode

Matériaux ternaires (lithium nickel cobalt manganèse oxyde li (nicomn) o₂ ou lithium nickel cobalt oxyde d'aluminium li (nicoal) o₂): les matériaux ternaires ont une densité énergétique élevée, leur permettant de fournir une puissance plus puissante et des gammes de croisière plus longues pour les navires. Sur certains navires de recherche sur l'océan et les yachts élevés avec des exigences strictes pour la gamme de croisière, les batteries au litrément au lithium-ion peuvent répondre aux exigences de puissance des navires pendant les voyages à long terme et à longue distance en raison de leurs avantages à forte densité d'énergie. Cependant, les matériaux ternaires ont une mauvaise stabilité thermique dans des environnements à haute température et une sécurité relativement faible. Dans les environnements marins, un système de gestion de batterie précis et complexe (BMS) est nécessaire pour assurer leur fonctionnement sûr et stable, ce qui augmente le coût et la difficulté technique dans une certaine mesure.

Le phosphate de fer au lithium (LifePo₄): les matériaux de phosphate de fer au lithium ont un degré élevé de maturité technique et sont largement utilisés dans le champ de construction navale. Il a une température aléatoire thermique élevée et de bonnes performances de sécurité. Même dans des conditions environnementales difficiles, il peut éviter efficacement des accidents de sécurité graves tels que les incendies et l'explosion, ce qui le rend particulièrement adapté à une utilisation dans le personnel - des navires intensifs tels que les navires de croisière intérieurs et les ferries de passagers à courte distance. Dans le même temps, les batteries au lithium - fer - phosphate ont une longue durée de vie du cycle. Pendant le processus de charge et de décharge, la structure de la batterie est stable et la désintégration de la capacité est lente. De plus, ses matières premières sont abondantes et le coût est relativement faible, montrant des avantages importants dans l'efficacité du coût.

Matériaux d'anode

Matériaux d'anode basés sur le graphite: les matériaux traditionnels des anodes en graphite ont une capacité spécifique théorique relativement élevée (environ 372 mAh / g) et sont relativement faibles en matière de coût et mature en technologie, étant couramment utilisés dans les batteries de lithium marine. Il peut fournir un grand nombre de sites d'insertion pour les ions lithium, assurant le transfert rapide et stable d'ions lithium pendant le processus de charge et de décharge de la batterie. Cependant, avec l'amélioration continue des exigences pour les performances de la batterie, l'amélioration de la densité d'énergie des matériaux d'anode en graphite a rencontré des goulots d'étranglement.

Exploration de nouveaux matériaux d'anode: pour franchir les limites des anodes de graphite, les chercheurs explorent activement de nouveaux matériaux d'anode, tels que les matériaux d'anode basés sur le silicium. La capacité spécifique théorique du silicium atteint 4200 mAh / g, plus de dix fois celle du graphite. Cependant, les matériaux basés sur le silicium connaîtront une expansion importante du volume pendant le processus de charge et de décharge, conduisant à la destruction de la structure des électrodes et à une baisse des performances du cycle. Actuellement, l'amélioration des performances des matériaux d'anodes basées sur le silicium par des moyens tels que la nanotechnologie et la technologie composite est devenue un hotspot de recherche et devrait être appliquée aux batteries de lithium-ion marins à l'avenir, améliorant considérablement la densité énergétique des batteries.

(Ii) Technologie des électrolytes

Électrolytes liquides

Électrolytes biologiques: Actuellement, la plupart des batteries de lithium-ion marins utilisent des électrolytes organiques, et leurs principaux composants comprennent des solvants organiques et des sels de lithium. Les solvants organiques courants comprennent des carbonates, tels que le carbonate d'éthylène (CE), le diméthyl carbonate (DMC), etc. Ils ont une bonne solubilité pour les sels de lithium et une conductivité ionique élevée, garantissant la migration rapide des ions lithiums entre les électrodes positives et négatives de la batterie. Le lithium hexafluorophosphate (LIPF₆) est généralement sélectionné comme sel de lithium, qui peut dissocier efficacement les ions lithiums dans des solvants organiques et fournir des porteurs de charge pour la charge et la décharge de batterie. Cependant, les électrolytes organiques ont des risques de sécurité tels que l'inflammabilité et la volatilité. Dans un environnement marin, une fois que la batterie fuit, elle peut déclencher des accidents graves tels que des incendies.

Électrolytes solides

Électrolytes solides en polymère: les électrolytes solides en polymère utilisent des polymères polymères comme matrice, tels que l'oxyde de polyéthylène (PEO), etc., et forment un système électrolytique avec une conductivité ionique par le composé avec des sels de lithium. Il a une bonne flexibilité et peut adhérer étroitement au matériau de l'électrode, améliorant la stabilité de l'interface de la batterie. Dans le même temps, les électrolytes solides en polymère ne sont pas inflammables et n'ont aucun risque de fuite, ce qui peut améliorer considérablement la sécurité de la batterie. Cependant, sa conductivité ionique est relativement faible, en particulier dans les environnements à basse température, le taux de transport des ions est limité, affectant les performances de la batterie.

Électrolytes solides inorganiques: les électrolytes solides inorganiques tels que le type grenat - type et nasicon - type ont une conductivité ionique élevée et une bonne stabilité chimique. Parmi eux, les électrolytes solides de type grenat ont une bonne compatibilité avec le lithium métal et devraient être appliqués à des batteries à haute densité au lithium et à la densité. Cependant, le processus de préparation des électrolytes solides inorganiques est complexe, le coût est élevé et la résistance de contact d'interface avec les matériaux d'électrode est grande. Ces problèmes limitent leur application à grande échelle. Actuellement, les chercheurs se sont engagés à promouvoir le processus d'application des électrolytes solides inorganiques dans les batteries au lithium marine en optimisant le processus de préparation et en améliorant les performances de l'interface.

(Iii) Technologie du système de gestion des batteries (BMS)

Surveillance de l'état de batterie

Surveillance de la tension: Le BMS utilise des capteurs de tension de précision élevés pour surveiller la tension de chaque cellule de batterie en temps réel. Étant donné que les batteries de lithium-ion marins sont généralement composées d'un grand nombre de cellules de batterie connectées en série et en parallèle, la cohérence de la tension entre les cellules a un impact significatif sur les performances de la batterie. Une fois qu'une tension cellulaire se révèle trop élevée ou trop faible, le BMS prendra des mesures opportunes, telles que l'égalisation de la charge et la décharge, pour éviter la surfacturation ou la décharge de cellules et assurer le fonctionnement sûr et stable de la batterie. Par exemple, pendant le voyage du navire, si une cellule de batterie subit une chute de tension anormale due à un micro-court-circuit interne ou à d'autres raisons, le BMS peut rapidement le détecter et ajuster la stratégie de charge et de décharge pour éviter d'autres dommages à la cellule et affecter les performances de l'ensemble de la batterie.

Surveillance du courant: surveillance avec précision du courant de charge et de décharge de la batterie est crucial pour évaluer l'état de charge (SOC) et l'état de santé (SOH) de la batterie. Le BMS utilise des capteurs de courant pour collecter la charge et la décharge de données de courant de la batterie en temps réel et calcule la charge et la capacité de décharge de la batterie en fonction de l'ampleur et de la direction du courant. Dans le même temps, sur la base de paramètres tels que le taux de changement de courant, le BMS peut déterminer si la batterie est dans un état de courant supérieur. Une fois terminé - le courant est détecté, il déclenche immédiatement le mécanisme de protection et coupe le circuit pour empêcher la batterie d'être endommagée par un impact de courant important.

Surveillance de la température: L'environnement marin est complexe et modifiable, et la température de la batterie est affectée par divers facteurs tels que la température ambiante et le taux de charge et de décharge. Une température excessive ou trop basse affectera sérieusement les performances et la durée de vie de la batterie, et peut même déclencher des accidents de sécurité. Le BMS utilise plusieurs capteurs de température distribués à différentes positions de la batterie pour surveiller la température de la batterie en temps réel. Lorsque la température est trop élevée, elle commence les appareils de refroidissement tels que les ventilateurs de refroidissement et les systèmes de refroidissement liquide; Lorsque la température est trop basse, il allume des éléments de chauffage pour maintenir la température de la batterie dans une plage de travail appropriée. Par exemple, en été chaud, lorsqu'un navire navigue dans les eaux tropicales, la température de la batterie devrait augmenter. Le BMS peut contrôler automatiquement le système de refroidissement liquide pour augmenter le débit de liquide de refroidissement pour réduire la température de la batterie et assurer des performances stables de la batterie.

Gestion de l'égalisation de la batterie

Égalisation active: la technologie de l'égalisation active utilise des composants d'énergie - de stockage tels que les inductances et les condensateurs pour transférer l'énergie des cellules de la batterie avec une charge élevée à celles avec une charge faible, atteignant l'égalisation de la charge entre les cellules de la batterie. Cette méthode d'égalisation peut réduire rapidement et efficacement la différence de charge entre les cellules, améliorant les performances globales et la durée de vie de la batterie. Par exemple, lors du processus de charge de la batterie, le système d'égalisation actif peut surveiller la charge de chaque cellule en temps réel. Lorsqu'il est constaté qu'une certaine cellule est proche de la pleine charge tandis que les charges d'autres cellules sont faibles, elle transfère activement une partie de l'énergie de cette cellule à d'autres cellules, permettant à toutes les cellules d'être pleinement chargées de manière synchrone et d'éviter la surcharge de certaines cellules.

Égalisation passive: l'égalisation passive consiste à connecter une résistance en parallèle à chaque cellule de batterie. Lorsque la tension d'une certaine cellule est supérieure au seuil défini, la charge excessive de cette cellule est consommée sous forme de chaleur à travers la résistance, atteignant ainsi l'égalisation de la tension. La technologie d'égalisation passive est simple et faible - coûte, mais elle consomme une grande quantité d'énergie et a une vitesse d'égalisation relativement lente, adaptée aux systèmes de batterie au lithium marin avec une sensibilité au coût et à une petite échelle de pack de batterie.

Fonctions de protection de la sécurité

Protection de surcharge: Lorsque la tension de la batterie atteint le seuil de protection contre les surcharges, le BMS coupe immédiatement le circuit de charge pour empêcher la batterie de subir des accidents graves tels que l'enflure, le feu et même l'explosion en raison de la surcharge. Par exemple, pendant le processus de charge de la rive du navire, si l'équipement de charge échoue, entraînant une augmentation continue de la tension de charge, la fonction de protection contre les surcharges du BMS sera rapidement activée pour garantir la sécurité de la batterie et du navire.

Over - Protection de décharge: Une fois que la tension de la batterie tombe au seuil de protection contre la décharge, le BMS coupe le circuit de décharge pour éviter - le déchargement de la batterie. Parce que la décharge entraînera une décroissance de capacité irréversible de la batterie et raccourcira la durée de vie de la batterie. Pendant le voyage du navire, lorsque l'alimentation de la batterie est proche de l'épuisement, le BMS émettra une alarme et limitera la puissance de l'équipement électrique du navire, donnant la priorité à la garantie du fonctionnement de l'équipement clé. Dans le même temps, il coupera rapidement des charges non essentielles pour empêcher la batterie de la batterie.

Sur la protection du courant: comme mentionné ci-dessus, lorsque le courant de charge et de décharge de la batterie est détecté pour dépasser le seuil de sécurité, le BMS coupe rapidement le circuit pour empêcher la batterie d'être endommagée par le ruissellement thermique causé par un courant important. De plus, le BMS a également une fonction de protection contre les circuits courts. Lorsqu'un circuit court ou externe interne ou externe se produit dans la batterie, il peut couper le circuit en un temps extrêmement court pour éviter les accidents de sécurité causés par un courant court-circuit.

Ii Défis et contre-mesures dans la technologie de batterie au lithium marin - Ion

(I) goulot d'étranglement dans l'amélioration de la densité énergétique

Bien que la densité énergétique des batteries actuelles de lithium marin et d'ions ait fait des progrès significatifs, par rapport à la demande croissante de croisière à longue portée dans l'industrie du transport maritime, il y a encore de la place à l'amélioration. Pour percer ce goulot d'étranglement, d'une part, la recherche continue et le développement de nouveaux matériaux d'électrodes, tels que les matériaux d'anode à base de silicium et les matériaux de cathode ternaire nickel mentionnés ci-dessus, sont nécessaires. En optimisant la structure et les performances du matériau, la capacité spécifique des électrodes peut être augmentée. D'un autre côté, l'innovation dans la conception de la structure de la batterie doit être effectuée. Des schémas de conception de batterie plus compacts et plus efficaces doivent être adoptés pour réduire la proportion de matériaux non actifs à l'intérieur du pack de batteries et améliorer l'utilisation de l'espace, réalisant ainsi un stockage d'énergie plus élevé dans l'espace limité du navire.

(Ii) les risques de sécurité

L'environnement marin est complexe et sévère, et des facteurs tels que une température élevée, une humidité élevée, des vibrations et un impact peuvent tous menacer la sécurité des batteries au lithium. Pour améliorer la sécurité, en plus de choisir des matériaux d'électrode plus sûrs (comme le phosphate de fer au lithium) et des électrolytes (tels que des électrolytes solides), il est également nécessaire d'améliorer davantage la fonction de protection contre la sécurité du BMS, améliore sa précision et sa vitesse de réponse dans la surveillance de l'état de la batterie. Dans le même temps, un contrôle strict doit être exercé dans le processus de fabrication de la batterie pour garantir la structure interne stable et la connexion fiable de la batterie, réduisant les risques de sécurité causés par les défauts de fabrication. En outre, en établissant un modèle d'alerte à la sécurité de la batterie et en utilisant des technologies telles que les mégadonnées et l'intelligence artificielle, les problèmes de sécurité potentiels de la batterie peuvent être prédits à l'avance, et des mesures préventives peuvent être prises pour assurer la navigation sûre du navire.

(Iii) coût élevé

Le coût élevé des batteries sur le lithium marin limite leur promotion et leur application à grande échelle. La réduction des coûts peut être réalisée à partir de plusieurs aspects. En termes de matières premières, le coût des matières premières peut être réduit en développant de nouvelles matières premières ou en optimisant la chaîne d'approvisionnement des matériaux bruts. Dans le processus de production et de fabrication, l'augmentation du degré d'automatisation de la production et de l'élargissement de l'échelle de production peut réduire le coût de production par produit unitaire. Dans le même temps, l'amélioration de la durée de vie du cycle et de la fiabilité de la batterie, réduisant la fréquence du remplacement de la batterie et réduisant l'investissement global des armateurs dans la perspective des coûts d'utilisation à long terme. De plus, avec les progrès technologiques, le développement de l'industrie du recyclage des batteries aidera également à réduire le coût complet des batteries du cycle. En recyclant les métaux précieux dans les batteries d'occasion, le recyclage des ressources peut être réalisé, réduisant le coût de l'achat de matériaux bruts.

Iii. Tendances de développement de la technologie de batterie au lithium marin - ion

(I) L'essor de la technologie de batterie solide - State

Les batteries solides - State, avec leurs avantages de densité élevée en énergie et de sécurité élevée, sont devenues une direction importante pour le développement de la technologie des batteries au lithium marin. Avec les percées continues dans la technologie d'électrolyte à l'état solide, comme l'augmentation de la conductivité ionique des électrolytes solides en polymère et la réduction du coût de préparation et de la résistance à l'interface des électrolytes solides inorganiques, les batteries solides - à l'état devraient être progressivement commercialisées et appliquées dans le champ de construction de la navigation dans les 5 à 10 prochaines années. Une fois réalisé, il améliorera considérablement la gamme de croisière et la sécurité des navires et promouvra l'industrie du transport maritime pour se développer dans une direction plus efficace et respectueuse de l'environnement.

(Ii) l'application d'approfondissement des systèmes de gestion de batterie intelligents

Avec le développement rapide de technologies telles que l'Internet des objets, les mégadonnées et l'intelligence artificielle, le BMS des batteries de lithium marine évoluera profondément dans la direction intelligente. Le futur BMS sera non seulement en mesure d'obtenir une surveillance précise de l'état de batterie, une gestion de l'égalisation et une protection contre la sécurité, mais aussi, grâce à l'interconnexion et à la communication avec d'autres systèmes de navires, réalisent la gestion optimale de l'énergie globale du navire. Par exemple, selon l'état de navigation du navire, la demande de charge et d'autres informations, la stratégie de charge et de décharge de la batterie peut être intelligente pour améliorer l'efficacité de l'utilisation de l'énergie. Dans le même temps, en utilisant l'analyse Big - Data et les algorithmes d'intelligence artificiels, l'état de santé de la batterie peut être prédit avec précision et les plans de maintenance peuvent être organisés à l'avance pour réduire les risques de fonctionnement du navire.

(Iii) Développement intégré à d'autres technologies d'énergie

Pour répondre aux exigences énergétiques complexes des navires dans différentes conditions de travail, les batteries de lithium marine seront intégrées à d'autres technologies de stockage énergétique, telles que les supercondensateurs et le stockage d'énergie du volant. Les supercondensateurs ont des caractéristiques telles qu'une densité de puissance élevée et une charge et une décharge rapide. Ils peuvent travailler en coordination avec des batteries au lithium-ion dans des scénarios avec des demandes de puissance élevées instantanées telles que le démarrage du navire et l'accélération, la réduction de la pression de décharge de grande envergure sur les batteries au lithium-ion et prolongeant la durée de vie des batteries au lithium-ion. Le stockage d'énergie du volant peut être utilisé pour stocker l'énergie générée pendant les processus de freinage et de décélération du navire, réalisant la récupération et la réutilisation d'énergie. Grâce à l'intégration organique des technologies d'énergie multiple, un système d'énergie intégré de stockage intégré de navire plus efficace, stable et fiable peut être construit, améliorant l'efficacité globale des performances et de l'énergie du navire.

La technologie de batterie de lithium marin - ion est à un stade de développement rapide et de transformation. Bien que face à de nombreux défis, avec l'avancement continu de l'innovation technologique, ses perspectives d'application dans l'industrie du transport maritime deviendront de plus en plus larges, et il devrait devenir la technologie de puissance de base stimulant la transformation verte de l'industrie du transport maritime mondial.