Trong bối cảnh ngành vận tải toàn cầu theo đuổi sự phát triển xanh và hiệu quả, pin lithium - ion, với những lợi thế độc đáo của họ, đang dần trở thành một sự chuyển đổi công nghiệp thúc đẩy lực lượng chính. Tiến hành phân tích kỹ thuật độ sâu của lithium - pin ion giúp hiểu toàn diện về tình trạng phát triển và tiềm năng của nguồn năng lượng mới nổi này.

I. Các thành phần kỹ thuật cốt lõi của lithium biển - pin ion

(I) Công nghệ vật liệu điện cực

Vật liệu catốt

Vật liệu ternary (lithium niken cobalt mangan oxit li (Nicomn) o₂ hoặc lithium niken cobalt nhôm oxit li (nicoal) o₂): vật liệu ternary có mật độ năng lượng cao, cho phép chúng cung cấp đầu ra năng lượng mạnh hơn và phạm vi tàu dài hơn cho các tàu. Trên một số tàu nghiên cứu đại dương và du thuyền cao với các yêu cầu nghiêm ngặt đối với phạm vi bay, pin lithium - ion có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng của tàu trong các chuyến đi dài hạn và dài hạn do lợi thế mật độ năng lượng cao của chúng. Tuy nhiên, vật liệu ternary có độ ổn định nhiệt kém trong môi trường nhiệt độ cao và an toàn tương đối thấp. Trong môi trường biển, cần có hệ thống quản lý pin chính xác và phức tạp (BMS) để đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định của chúng, làm tăng chi phí và độ khó kỹ thuật ở một mức độ nhất định.

Lithium Iron Phosphate (LifePo₄): Vật liệu phosphate sắt lithium có mức độ trưởng thành kỹ thuật cao và được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực đóng tàu. Nó có nhiệt độ chạy nhiệt cao và hiệu suất an toàn tốt. Ngay cả trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, nó có thể tránh các tai nạn an toàn nghiêm trọng như hỏa hoạn và vụ nổ, khiến nó đặc biệt phù hợp để sử dụng trong nhân sự - các tàu chuyên sâu như tàu du lịch nội địa và phà chở khách ngắn. Đồng thời, pin lithium - sắt - phốt phát có tuổi thọ dài. Trong quá trình sạc và xả, cấu trúc pin ổn định và sự phân rã công suất chậm. Hơn nữa, nguyên liệu thô của nó rất phong phú, và chi phí tương đối thấp, cho thấy những lợi thế đáng kể về chi phí - hiệu quả.

Vật liệu cực dương

Vật liệu cực dương dựa trên than chì: Vật liệu cực dương than chì truyền thống có công suất cụ thể về lý thuyết tương đối cao (khoảng 372 mAh/g) và có chi phí tương đối thấp và trưởng thành trong công nghệ, thường được sử dụng trong pin lithium - ion. Nó có thể cung cấp một số lượng lớn các vị trí chèn cho các ion lithium, đảm bảo sự chuyển giao nhanh chóng và ổn định của các ion lithium trong quá trình sạc và xả pin. Tuy nhiên, với việc cải thiện liên tục các yêu cầu về hiệu suất pin, việc cải thiện mật độ năng lượng của vật liệu anode than chì đã gặp phải tắc nghẽn.

Khám phá các vật liệu cực dương mới: Để vượt qua những hạn chế của cực dương than chì, các nhà nghiên cứu đang tích cực khám phá các vật liệu cực dương mới, như vật liệu cực dương dựa trên silicon. Khả năng cụ thể về mặt lý thuyết của silicon cao tới 4200 mAh/g, hơn mười lần so với than chì. Tuy nhiên, các vật liệu dựa trên silicon sẽ trải qua sự mở rộng khối lượng đáng kể trong quá trình sạc và xả, dẫn đến sự phá hủy cấu trúc điện cực và giảm hiệu suất chu kỳ. Hiện tại, việc cải thiện hiệu suất của các vật liệu cực dương dựa trên silicon thông qua các phương tiện như công nghệ nano và công nghệ composite đã trở thành một điểm nóng nghiên cứu và dự kiến ​​sẽ được áp dụng cho pin lithium - ion trong tương lai, cải thiện rất nhiều mật độ năng lượng của pin.

(Ii) Công nghệ điện giải

Chất điện phân lỏng

Các chất điện giải hữu cơ: Hiện tại, hầu hết các loại pin ion - ion sử dụng chất điện giải hữu cơ và các thành phần chính của chúng bao gồm dung môi hữu cơ và muối lithium. Các dung môi hữu cơ phổ biến bao gồm cacbonat, như ethylene cacbonat (EC), dimethyl cacbonat (DMC), v.v. Chúng có độ hòa tan tốt đối với muối lithium và độ dẫn ion cao, đảm bảo sự di chuyển nhanh của các ion lithium giữa các điện cực dương và âm của pin. Lithium hexafluorophosphate (LIPF₆) thường được chọn là muối lithium, có thể phân tách hiệu quả các ion lithium trong dung môi hữu cơ và cung cấp các chất mang điện cho sạc pin và xả. Tuy nhiên, chất điện giải hữu cơ có các mối nguy hiểm an toàn như dễ cháy và biến động. Trong môi trường biển, một khi pin rò rỉ, nó có thể gây ra các vụ tai nạn nghiêm trọng như hỏa hoạn.

Điện phân rắn

Các chất điện phân rắn polymer: chất điện phân rắn polymer sử dụng polyme polymer làm ma trận, như polyetylen oxide (PEO), v.v., và tạo thành một hệ thống điện phân với độ dẫn ion thông qua hợp chất với muối lithium. Nó có tính linh hoạt tốt và có thể tuân thủ chặt chẽ vật liệu điện cực, cải thiện độ ổn định của giao diện của pin. Đồng thời, các chất điện giải rắn polymer không dễ cháy và không có nguy cơ rò rỉ, điều này có thể cải thiện đáng kể sự an toàn của pin. Tuy nhiên, độ dẫn ion của nó tương đối thấp, đặc biệt là trong môi trường nhiệt độ thấp, tốc độ vận chuyển ion bị hạn chế, ảnh hưởng đến hiệu suất của pin.

Các chất điện phân rắn vô cơ: Các chất điện giải rắn vô cơ như garnet - loại và loại Nasicon - có độ dẫn ion cao và độ ổn định hóa học tốt. Trong số đó, garnet - các chất điện giải rắn loại có khả năng tương thích tốt với kim loại lithium và dự kiến ​​sẽ được áp dụng cho pin lithium - mật độ cao - mật độ - pin kim loại. Tuy nhiên, quá trình chuẩn bị các chất điện phân rắn vô cơ rất phức tạp, chi phí cao và điện trở tiếp xúc giao diện với vật liệu điện cực lớn. Những vấn đề này giới hạn ứng dụng quy mô lớn của họ. Hiện tại, các nhà nghiên cứu cam kết thúc đẩy quá trình ứng dụng các chất điện giải rắn vô cơ trong pin lithium - ion bằng cách tối ưu hóa quá trình chuẩn bị và cải thiện hiệu suất giao diện.

(Iii) Công nghệ hệ thống quản lý pin (BMS)

Giám sát trạng thái pin

Giám sát điện áp: BMS sử dụng các cảm biến điện áp chính xác cao để theo dõi điện áp của mỗi pin pin trong thời gian thực. Do các loại pin ion - Ion thường bao gồm một số lượng lớn các tế bào pin được kết nối theo chuỗi và song song, tính nhất quán điện áp giữa các tế bào có tác động đáng kể đến hiệu suất của bộ pin. Khi một điện áp tế bào được tìm thấy quá cao hoặc quá thấp, BMS sẽ thực hiện các biện pháp kịp thời, chẳng hạn như cân bằng sạc và xả, để tránh sạc quá mức hoặc quá mức - xả các tế bào và đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định của bộ pin. Ví dụ, trong chuyến đi của tàu, nếu một tế bào pin gặp phải điện áp bất thường do các mạch ngắn - ngắn hoặc các lý do khác, BMS có thể nhanh chóng phát hiện nó và điều chỉnh chiến lược sạc và xả để tránh thiệt hại thêm cho tế bào và ảnh hưởng đến hiệu suất của toàn bộ pin.

Giám sát hiện tại: Theo dõi chính xác mức sạc và xả dòng pin là rất quan trọng để đánh giá trạng thái sạc (SOC) và trạng thái sức khỏe (SOH) của pin. BMS sử dụng các cảm biến hiện tại để thu thập dữ liệu sạc và xả dữ liệu hiện tại của pin theo thời gian thực và tính toán điện tích và khả năng xả của pin theo cường độ và hướng của dòng điện. Đồng thời, dựa trên các tham số như tốc độ thay đổi hiện tại, BMS có thể xác định xem pin có ở trạng thái hiện tại hay không. Sau khi phát hiện ra dòng điện, nó ngay lập tức kích hoạt cơ chế bảo vệ và cắt mạch để ngăn pin bị hỏng do tác động lớn hiện tại.

Giám sát nhiệt độ: Môi trường biển rất phức tạp và thay đổi, và nhiệt độ pin bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác nhau như nhiệt độ môi trường và tốc độ sạc và xả. Nhiệt độ quá mức hoặc quá thấp sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất và tuổi thọ của pin, và thậm chí có thể gây ra tai nạn an toàn. BMS sử dụng nhiều cảm biến nhiệt độ được phân phối ở các vị trí khác nhau của bộ pin để theo dõi nhiệt độ pin theo thời gian thực. Khi nhiệt độ quá cao, nó bắt đầu các thiết bị làm mát như quạt làm mát và hệ thống làm mát chất lỏng; Khi nhiệt độ quá thấp, nó bật các yếu tố sưởi ấm để duy trì nhiệt độ pin trong phạm vi làm việc thích hợp. Ví dụ, vào mùa hè nóng bỏng, khi một con tàu đang đi trong vùng nước nhiệt đới, nhiệt độ của bộ pin có khả năng tăng lên. BMS có thể tự động điều khiển hệ thống làm mát chất lỏng để tăng tốc độ dòng làm mát để giảm nhiệt độ pin và đảm bảo hiệu suất pin ổn định.

Quản lý cân bằng pin

Cân bằng hoạt động: Công nghệ cân bằng hoạt động sử dụng các thành phần lưu trữ - các thành phần lưu trữ như cuộn cảm và tụ điện để truyền năng lượng từ các tế bào pin với điện tích cao cho những người có điện tích thấp, đạt được sự cân bằng điện tích giữa các tế bào pin. Phương pháp cân bằng này có thể làm giảm sự khác biệt nhanh chóng và hiệu quả giữa các ô, cải thiện hiệu suất tổng thể và tuổi thọ dịch vụ của bộ pin. Ví dụ, trong quá trình sạc của bộ pin, hệ thống cân bằng hoạt động có thể theo dõi điện tích của từng ô trong thời gian thực. Khi phát hiện ra rằng một tế bào nhất định gần với điện tích đầy đủ trong khi các điện tích của các tế bào khác thấp, nó chủ động chuyển một phần năng lượng của tế bào này sang các tế bào khác, cho phép tất cả các tế bào được sạc đầy đủ và tránh quá mức của một số tế bào.

Cân bằng thụ động: Cân bằng thụ động là kết nối một điện trở song song với mỗi pin pin. Khi điện áp của một tế bào nhất định cao hơn ngưỡng đặt, điện tích dư của tế bào này được tiêu thụ dưới dạng nhiệt thông qua điện trở, do đó đạt được sự cân bằng điện áp. Công nghệ cân bằng thụ động rất đơn giản và chi phí thấp, nhưng nó tiêu thụ một lượng lớn năng lượng và có tốc độ cân bằng tương đối chậm, phù hợp với hệ thống pin ion - ion với chi phí - độ nhạy và quy mô gói nhỏ.

Chức năng bảo vệ an toàn

Bảo vệ quá mức: Khi điện áp pin đạt đến ngưỡng bảo vệ quá mức, BMS ngay lập tức cắt đứt mạch sạc để ngăn pin gặp phải các vụ tai nạn nghiêm trọng như sưng, lửa và thậm chí cả vụ nổ do quá tải. Ví dụ, trong quá trình sạc bên bờ của tàu, nếu thiết bị sạc không thành công, dẫn đến sự gia tăng liên tục trong điện áp sạc, chức năng bảo vệ quá mức của BMS sẽ được kích hoạt nhanh chóng để đảm bảo an toàn cho pin và tàu.

Bảo vệ xuất viện: Một khi điện áp pin giảm xuống ngưỡng bảo vệ phóng điện, BMS cắt bỏ mạch phóng điện để tránh quá mức của pin. Bởi vì việc xả quá mức sẽ dẫn đến sự phân rã công suất không thể đảo ngược của pin và rút ngắn thời lượng pin. Trong chuyến đi của tàu, khi năng lượng pin gần với sự cạn kiệt, BMS sẽ phát hành báo động và hạn chế sức mạnh của thiết bị điện của tàu, ưu tiên đảm bảo hoạt động của thiết bị chính. Đồng thời, nó sẽ kịp thời cắt bỏ các tải trọng không cần thiết để ngăn pin bị kết thúc - được thải ra.

Bảo vệ hiện tại hơn: Như đã đề cập ở trên, khi phát hiện ra dòng điện và xả của pin để vượt quá ngưỡng an toàn, BMS nhanh chóng cắt mạch để ngăn pin bị hỏng do chạy nhiệt do dòng chảy lớn. Ngoài ra, BMS cũng có chức năng bảo vệ mạch ngắn. Khi một mạch ngắn bên trong hoặc bên ngoài xảy ra trong pin, nó có thể cắt mạch trong một thời gian cực ngắn để tránh các tai nạn an toàn do dòng điện ngắn gây ra.

Ii. Những thách thức và biện pháp đối phó trong công nghệ pin hàng hải - ion

(I) Cải thiện mật độ năng lượng

Mặc dù mật độ năng lượng của pin lithium hàng hải hiện tại đã đạt được tiến bộ đáng kể, so với nhu cầu ngày càng tăng đối với việc bay tầm xa trong ngành vận tải, vẫn còn chỗ để cải thiện. Để vượt qua nút cổ chai này, một mặt, nghiên cứu và phát triển liên tục các vật liệu điện cực mới, chẳng hạn như vật liệu cực dương dựa trên silicon và các vật liệu catốt ternary Niken cao được đề cập ở trên, là cần thiết. Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc và hiệu suất vật liệu, công suất cụ thể của các điện cực có thể được tăng lên. Mặt khác, sự đổi mới trong thiết kế cấu trúc pin nên được thực hiện. Nên áp dụng các sơ đồ thiết kế gói nhỏ gọn và hiệu quả hơn để giảm tỷ lệ vật liệu không hoạt động bên trong bộ pin và cải thiện việc sử dụng không gian, từ đó đạt được lưu trữ năng lượng cao hơn trong không gian hạn chế của con tàu.

(Ii) Nguy cơ an toàn

Môi trường biển rất phức tạp và khắc nghiệt, và các yếu tố như nhiệt độ cao, độ ẩm cao, độ rung và tác động đều có thể gây ra các mối đe dọa cho sự an toàn của pin lithium - ion. Để cải thiện sự an toàn, ngoài việc chọn vật liệu điện cực an toàn hơn (như lithium sắt phosphate) và chất điện giải (như chất điện phân rắn), cũng cần phải cải thiện hơn nữa chức năng bảo vệ an toàn của BMS, cải thiện độ chính xác và tốc độ phản ứng của nó trong việc theo dõi trạng thái pin. Đồng thời, cần phải kiểm soát nghiêm ngặt trong quy trình sản xuất pin để đảm bảo cấu trúc bên trong ổn định và kết nối đáng tin cậy của pin, giảm các mối nguy hiểm an toàn do khiếm khuyết sản xuất. Ngoài ra, bằng cách thiết lập mô hình cảnh báo an toàn pin sớm và sử dụng các công nghệ như dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo, các vấn đề an toàn tiềm năng của pin có thể được dự đoán trước và các biện pháp phòng ngừa có thể được thực hiện để đảm bảo điều hướng an toàn của tàu.

(Iii) Chi phí cao

Chi phí cao của lithium biển - pin ion giới hạn việc thúc đẩy và ứng dụng quy mô lớn của chúng. Giảm chi phí có thể đạt được từ nhiều khía cạnh. Về nguyên liệu thô, chi phí của nguyên liệu thô có thể được giảm bằng cách phát triển nguyên liệu thô mới hoặc tối ưu hóa chuỗi cung ứng mua sắm nguyên liệu thô. Trong quá trình sản xuất và sản xuất, việc tăng mức độ tự động hóa sản xuất và mở rộng quy mô sản xuất có thể làm giảm chi phí sản xuất trên mỗi đơn vị sản phẩm. Đồng thời, cải thiện tuổi thọ và độ tin cậy của pin, giảm tần suất thay thế pin và giảm đầu tư chung của các chủ tàu từ góc độ chi phí sử dụng dài hạn. Ngoài ra, với sự tiến bộ về công nghệ, sự phát triển của ngành tái chế pin cũng sẽ giúp giảm toàn bộ chi phí vòng đời của pin. Bằng cách tái chế các kim loại có giá trị trong pin đã qua sử dụng, tái chế tài nguyên có thể được thực hiện, giảm chi phí mua sắm nguyên liệu thô.

Iii. Xu hướng phát triển của lithium biển - Công nghệ pin ion

(I) Sự gia tăng của công nghệ pin Solid - trạng thái

Solid - Pin trạng thái, với những lợi thế về mật độ năng lượng cao và an toàn cao, đã trở thành một hướng quan trọng để phát triển công nghệ pin ion lithium biển. Với các đột phá liên tục trong công nghệ điện phân trạng thái rắn, chẳng hạn như tăng độ dẫn ion của các chất điện phân rắn polymer và giảm chi phí chuẩn bị và điện trở giao diện của các chất điện phân rắn vô cơ, pin trạng thái rắn dự kiến ​​sẽ được thương mại hóa và áp dụng dần dần trong lĩnh vực đóng tàu trong 5 năm tiếp theo. Sau khi nhận ra, nó sẽ cải thiện đáng kể phạm vi bay và an toàn của tàu và thúc đẩy ngành vận tải phát triển theo hướng hiệu quả và thân thiện với môi trường hơn.

(Ii) Ứng dụng sâu hơn của các hệ thống quản lý pin thông minh

Với sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ như Internet vạn vật, dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo, BMS của pin lithium biển sẽ phát triển sâu sắc theo hướng thông minh. BMS trong tương lai sẽ không chỉ có thể đạt được giám sát trạng thái pin chính xác, quản lý cân bằng và bảo vệ an toàn mà còn thông qua kết nối và giao tiếp với các hệ thống tàu khác, nhận ra việc quản lý tối ưu năng lượng tổng thể của tàu. Ví dụ, theo trạng thái điều hướng của tàu, nhu cầu tải và thông tin khác, chiến lược sạc và xả pin có thể được điều chỉnh một cách thông minh để cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng. Đồng thời, sử dụng phân tích dữ liệu lớn và thuật toán thông minh - tình báo, tình trạng sức khỏe của pin có thể được dự đoán chính xác và các kế hoạch bảo trì có thể được sắp xếp trước để giảm rủi ro hoạt động của tàu.

(Iii) Phát triển tích hợp với các công nghệ lưu trữ năng lượng khác

Để đáp ứng nhu cầu năng lượng phức tạp của tàu trong các điều kiện làm việc khác nhau, pin lithium biển - ION sẽ được tích hợp với các công nghệ lưu trữ năng lượng khác, như siêu tụ điện và lưu trữ năng lượng bánh đà. Supercapacitor có các đặc điểm như mật độ công suất cao và sạc và xả nhanh. Chúng có thể làm việc phối hợp với pin lithium - ion trong các kịch bản với nhu cầu năng lượng cao ngay lập tức như khởi động và tăng tốc của tàu, giảm áp suất xả lớn - hiện tại đối với pin lithium và kéo dài tuổi thọ của pin lithium. Lưu trữ năng lượng bánh đà có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng được tạo ra trong quá trình phanh và giảm tốc của tàu, nhận ra phục hồi năng lượng và tái sử dụng. Thông qua việc tích hợp hữu cơ của nhiều công nghệ lưu trữ, một hệ thống lưu trữ tích hợp hiệu quả, ổn định hơn và đáng tin cậy hơn có thể được xây dựng, cải thiện hiệu suất tổng thể và hiệu quả sử dụng năng lượng của tàu.

Hàng hải - Công nghệ pin ion đang trong giai đoạn phát triển và chuyển đổi nhanh chóng. Mặc dù phải đối mặt với nhiều thách thức, với sự tiến bộ liên tục của đổi mới công nghệ, triển vọng ứng dụng của nó trong ngành vận tải sẽ ngày càng trở nên rộng lớn và dự kiến ​​sẽ trở thành công nghệ năng lượng cốt lõi thúc đẩy sự chuyển đổi xanh của ngành vận tải toàn cầu.