Küresel nakliye endüstrisinin yeşil ve verimli gelişme arayışı bağlamında, benzersiz avantajları ile deniz lityum iyon pilleri, yavaş yavaş endüstri dönüşümünü yönlendiren temel bir güç haline geliyor. Deniz lityum -iyon pillerinin derinlemesine bir teknik analiz yapılması, ortaya çıkan güç kaynağının gelişim durumunu ve potansiyelini kapsamlı bir şekilde anlamaya yardımcı olur.

I. Deniz lityum - iyon pillerin çekirdek teknik bileşenleri

(İ) Elektrot malzeme teknolojisi

Katot malzemeleri

Üçlü malzemeler (lityum nikel kobalt manganez oksit Li (Nicomn) O₂ veya lityum nikel kobalt alüminyum oksit Li (Nicoal) O₂): Üçlü malzemeler, daha güçlü güç çıkışı ve daha uzun seyir aralıkları sağlamalarını sağlar. Bazı okyanuslarda - seyir aralığı için sıkı gereksinimlere sahip araştırma gemileri ve yüksek son yatlarda, üçlü lityum - iyon pilleri, yüksek enerji yoğunluk avantajları nedeniyle uzun vadeli ve uzun mesafe yolculukları sırasında gemilerin güç taleplerini karşılayabilir. Bununla birlikte, üçlü malzemeler yüksek sıcaklık ortamlarında zayıf termal stabiliteye ve nispeten düşük güvenliğe sahiptir. Deniz ortamlarında, güvenli ve istikrarlı işlemlerini sağlamak için kesin ve karmaşık bir pil yönetim sistemi (BMS) gereklidir, bu da maliyet ve teknik zorluğu belirli bir ölçüde artırır.

Lityum demir fosfat (Lifepo₄): Lityum demir fosfat malzemeleri yüksek derecede teknik olgunluğa sahiptir ve gemi inşa alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. Yüksek termal kaçak sıcaklığa ve iyi güvenlik performansına sahiptir. Sert çevre koşullarında bile, yangın ve patlama gibi ciddi güvenlik kazalarından etkili bir şekilde kaçınabilir, bu da özellikle personelde kullanım için uygun hale getirebilir - iç kruvaziyer gemileri ve kısa mesafeli yolcu feribotları gibi yoğun gemiler. Aynı zamanda, lityum - demir - fosfat pilleri uzun bir döngü ömrü vardır. Şarj ve boşaltma işlemi sırasında pil yapısı kararlıdır ve kapasite bozulması yavaştır. Dahası, hammaddeleri bol miktarda bulunur ve maliyet nispeten düşüktür, maliyet - etkinliğinde önemli avantajlar gösterir.

Anot malzemeleri

Grafit bazlı anot malzemeleri: Geleneksel grafit anot malzemeleri nispeten yüksek teorik spesifik kapasiteye (yaklaşık 372 mAh/g) sahiptir ve deniz lityum iyon pillerinde yaygın olarak kullanılan maliyet bakımından nispeten düşük ve teknolojide olgundur. Lityum iyonları için çok sayıda yerleştirme bölgesi sağlayabilir, bu da pilin şarj ve boşaltma işlemi sırasında lityum iyonlarının hızlı ve kararlı transferini sağlar. Bununla birlikte, pil performansı için gereksinimlerin sürekli iyileştirilmesiyle, grafit anot malzemelerinin enerji yoğunluğu iyileştirilmesi darboğazlarla karşılaşmıştır.

Yeni anot malzemelerinin keşfi: Grafit anotların sınırlamalarını kırmak için araştırmacılar, silikon bazlı anot malzemeleri gibi yeni anot malzemeleri aktif olarak araştırıyorlar. Silikonun teorik spesifik kapasitesi, grafitin on katından daha fazla olan 4200 mAh/g kadar yüksektir. Bununla birlikte, silikon bazlı malzemeler, şarj ve deşarj işlemi sırasında önemli hacim genişlemesi yaşayacak, bu da elektrot yapısının yok edilmesine ve döngü performansında bir düşüşe yol açacaktır. Şu anda, nanoteknoloji ve kompozit teknoloji gibi silikon bazlı anot malzemelerinin performansının iyileştirilmesi, bir araştırma hotspot haline gelmiştir ve gelecekte deniz lityum -iyon pillerine uygulanması ve pillerin enerji yoğunluğunu büyük ölçüde iyileştirmesi beklenmektedir.

(İi) Elektrolit teknolojisi

Sıvı elektrolitler

Organik elektrolitler: Şu anda, çoğu deniz lityum -iyon pilleri organik elektrolitler kullanır ve ana bileşenleri organik çözücüler ve lityum tuzları içerir. Yaygın organik çözücüler, etilen karbonat (EC), dimetil karbonat (DMC) gibi karbonatları içerir. Lityum tuzları ve yüksek iyonik iletkenlik için iyi çözünürlüğe sahiptirler ve lityum iyonlarının pilin pozitif ve negatif elektrotları arasında hızlı göçünü sağlarlar. Lityum heksaflorofosfat (LIPF₆) genellikle organik çözücülerdeki lityum iyonlarını etkili bir şekilde ayrılabilen ve pil şarjı ve deşarjı için yük taşıyıcıları sağlayabilen lityum tuzu olarak seçilir. Bununla birlikte, organik elektrolitlerin yanıcı ve oynaklık gibi güvenlik tehlikeleri vardır. Deniz ortamında, pil sızdırıldıktan sonra, yangınlar gibi ciddi kazaları tetikleyebilir.

Katı elektrolitler

Polimer katı elektrolitler: polimer katı elektrolitler, polimer polimerleri matris olarak polietilen oksit (PEO) vb. İyi bir esnekliğe sahiptir ve pilin arayüz stabilitesini iyileştirerek elektrot malzemesine yakından yapışabilir. Aynı zamanda, polimer katı elektrolitler yanıcı değildir ve pilin güvenliğini önemli ölçüde artırabilen sızıntı riski yoktur. Bununla birlikte, iyonik iletkenliği nispeten düşüktür, özellikle düşük sıcaklık ortamlarında, iyon taşıma hızı sınırlıdır ve pil performansını etkiler.

İnorganik katı elektrolitler: Garnet - tip ve Nasicon - tipi gibi inorganik katı elektrolitler yüksek iyonik iletkenliğe ve iyi kimyasal stabiliteye sahiptir. Bunlar arasında, Garnet - tip katı elektrolitler lityum metal ile iyi uyumluluğa sahiptir ve yüksek enerji - yoğunluklu lityum - metal pillere uygulanması beklenmektedir. Bununla birlikte, inorganik katı elektrolitlerin hazırlama işlemi karmaşıktır, maliyet yüksektir ve elektrot malzemeleri ile arayüz temas direnci büyüktür. Bu sorunlar büyük ölçekli uygulamalarını sınırlar. Şu anda, araştırmacılar, hazırlık işlemini optimize ederek ve arayüz performansını iyileştirerek deniz lityum iyon pillerdeki inorganik katı elektrolitlerin uygulama sürecini teşvik etmeye kararlıdır.

(İii) Pil Yönetim Sistemi (BMS) Teknolojisi

Pil Durumu İzleme

Voltaj İzleme: BMS, her pil hücresinin voltajını gerçek bir zamanda izlemek için yüksek hassas voltaj sensörleri kullanır. Deniz lityum -iyon pilleri genellikle seri ve paralel olarak bağlanan çok sayıda pil hücresinden oluştuğundan, hücreler arasındaki voltaj tutarlılığının pil paketinin performansı üzerinde önemli bir etkisi vardır. Bir hücre voltajının çok yüksek veya çok düşük olduğu tespit edildikten sonra, BMS, hücrelerin fazla şarj edilmesini veya aşırı boşaltılmasını önlemek ve pil paketinin güvenli ve kararlı çalışmasını sağlamak için şarj ve deşarj gibi zamanında ölçümler alacaktır. Örneğin, geminin yolculuğu sırasında, bir pil hücresi dahili mikro - kısa devre veya diğer nedenlerden dolayı anormal bir voltaj düşüşü yaşarsa, BMS hücreye daha fazla hasarı önlemek ve tüm pil paketinin performansını etkilemek için şarj ve boşaltma stratejisini ayarlayabilir.

Akım İzleme: Pilin şarj ve deşarj akımının doğru bir şekilde izlenmesi, pilin şarj durumunu (SOC) ve sağlık durumunu (SOH) değerlendirmek için çok önemlidir. BMS, pilin mevcut verilerini gerçek bir şekilde toplamak ve boşaltma için geçerli sensörleri kullanır ve akanın büyüklüğüne ve yönüne göre pilin yük ve deşarj kapasitesini hesaplar. Aynı zamanda, geçerli değişiklik oranı gibi parametrelere dayanarak, BMS pilin aşırı akım durumda olup olmadığını belirleyebilir. Bir kez - akım tespit edildiğinde, hemen koruma mekanizmasını tetikler ve pilin büyük bir akım etkisinden zarar görmesini önlemek için devreyi keser.

Sıcaklık İzleme: Deniz ortamı karmaşık ve değiştirilebilir ve pil sıcaklığı ortam sıcaklığı ve şarj ve deşarj oranı gibi çeşitli faktörlerden etkilenir. Aşırı veya çok düşük sıcaklık, pilin performansını ve ömrünü ciddi şekilde etkileyecek ve hatta güvenlik kazalarını tetikleyebilir. BMS, pil sıcaklığını gerçek bir zamanda izlemek için pil paketinin farklı konumlarında dağıtılan birden fazla sıcaklık sensörü kullanır. Sıcaklık çok yüksek olduğunda, soğutma fanları ve sıvı soğutma sistemleri gibi soğutma cihazlarını başlatmaya başlar; Sıcaklık çok düşük olduğunda, pil sıcaklığını uygun bir çalışma aralığında korumak için ısıtma elemanlarını açar. Örneğin, sıcak yaz aylarında, bir gemi tropikal sularda yelken açarken, pil paketinin sıcaklığının artması muhtemeldir. BMS, pil sıcaklığını azaltmak ve sabit pil performansını sağlamak için soğutucu akış hızını arttırmak için sıvı soğutma sistemini otomatik olarak kontrol edebilir.

Pil eşitleme yönetimi

Aktif Eşitleme: Aktif Eşitleme Teknolojisi, pil hücrelerinden yüksek yüklü pil hücrelerinden enerjiyi düşük yüklü olanlara aktarmak için enerji - depolama bileşenlerini kullanır. Bu eşitleme yöntemi, hücreler arasındaki şarj farkını hızlı ve etkili bir şekilde azaltabilir ve pil paketinin genel performans ve servis ömrünü iyileştirebilir. Örneğin, pil paketinin şarj işlemi sırasında, aktif eşitleme sistemi her hücrenin yükünü gerçek bir zamanda izleyebilir. Belirli bir hücrenin diğer hücrelerin yükleri düşükken tam yüke yakın olduğu tespit edildiğinde, bu hücrenin enerjisinin bir kısmını diğer hücrelere aktif olarak aktarır, bu da tüm hücrelerin senkronize olarak tamamen yüklenmesini ve bazı hücrelerin aşırı şarj edilmesini önler.

Pasif Eşitleme: Pasif eşitleme, bir dirençi her pil hücresine paralel olarak bağlamaktır. Belirli bir hücrenin voltajı ayarlanan eşikten daha yüksek olduğunda, bu hücrenin aşırı yükü dirençten ısı şeklinde tüketilir, böylece voltaj eşitleme elde edilir. Pasif eşitleme teknolojisi basit ve düşük maliyetlidir, ancak büyük miktarda enerji tüketir ve nispeten yavaş bir eşitleme hızına sahiptir, maliyet hassasiyeti ve küçük pil - paket ölçeği ile deniz lityum - iyon pil sistemleri için uygundur.

Güvenlik Koruma Fonksiyonları

Aşırı şarj koruması: Pil voltajı aşırı şarj koruma eşiğine ulaştığında, BMS, pilin şişme, yangın ve hatta aşırı şarj nedeniyle patlama gibi ciddi kazalar yaşamasını önlemek için şarj devresini hemen keser. Örneğin, geminin kıyı şarj işlemi sırasında, şarj ekipmanı arızalanırsa, şarj voltajında ​​sürekli bir artışa neden olur, BMS'nin aşırı ücret koruma fonksiyonu, pilin ve geminin güvenliğini sağlamak için hızlı bir şekilde etkinleştirilir.

Aşırı Deşarj Koruması: Pil voltajı aşırı deşarj koruma eşiğine düştüğünde, BMS pilin aşırı boşaltılmasını önlemek için deşarj devresini keser. Çünkü aşırı deşarj, pilin geri dönüşü olmayan kapasite bozulmasına ve pil ömrünü kısaltacaktır. Geminin yolculuğu sırasında, pil gücü tükenmeye yakın olduğunda, BMS bir alarm verecek ve geminin elektrik ekipmanının gücünü sınırlandıracak ve anahtar ekipmanın çalışmasını sağlamak için öncelik verecektir. Aynı zamanda, pilin aşırı boşaltılmasını önlemek için gerekli olmayan yükleri derhal kesecektir.

Aşırı - Akım Koruması: Yukarıda belirtildiği gibi, pilin şarj ve boşaltma akımının güvenlik eşiğini aşmak için algılandığında, BMS, pilin büyük bir akımın neden olduğu termal kaçak tarafından hasar görmesini önlemek için devreyi hızla keser. Ek olarak, BMS ayrıca kısa bir devre koruma fonksiyonuna sahiptir. Pilde dahili veya harici bir kısa devre meydana geldiğinde, kısa devre akımının neden olduğu güvenlik kazalarını önlemek için devreyi son derece kısa bir sürede kesebilir.

İi. Deniz lityumunda zorluklar ve karşı önlemler - iyon pil teknolojisi

(İ) Enerji yoğunluğu iyileştirmesinde darboğaz

Mevcut deniz lityum -iyon pillerinin enerji yoğunluğu, nakliye endüstrisinde uzun menzilli seyir talebine kıyasla önemli bir ilerleme kaydetmesine rağmen, hala iyileştirme için yer var. Bu darboğazı kırmak için, bir yandan, silikon bazlı anot malzemeleri ve yukarıda belirtilen yüksek nikel üçlü katot malzemeleri gibi yeni elektrot malzemelerinin sürekli araştırılması ve geliştirilmesi gereklidir. Malzeme yapısını ve performansı optimize ederek, elektrotların spesifik kapasitesi artırılabilir. Öte yandan, pil yapısı tasarımındaki inovasyon yapılmalıdır. Pil paketinin içindeki aktif olmayan malzemelerin oranını azaltmak ve alan kullanımını iyileştirmek için geminin sınırlı alanında daha yüksek enerji depolama elde etmek için daha kompakt ve verimli pil - paket tasarım şemaları benimsenmelidir.

(İi) Güvenlik tehlikeleri

Deniz ortamı karmaşık ve serttir ve yüksek sıcaklık, yüksek nem, titreşim ve etki gibi faktörler, lityum -iyon pillerin güvenliğine yönelik tehditler oluşturabilir. Güvenliği artırmak için, daha güvenli elektrot malzemeleri (lityum demir fosfat gibi) ve elektrolitler (katı elektrolitler gibi) seçmenin yanı sıra, BMS'nin güvenlik koruma fonksiyonunu daha da iyileştirmek, pil durumunu izlemedeki doğruluğunu ve tepki hızını artırmak da gereklidir. Aynı zamanda, pilin sabit iç yapısını ve pilin güvenilir bağlantısını sağlamak için pil üretim sürecinde katı kontrol uygulanmalı ve üretim kusurlarının neden olduğu güvenlik tehlikelerini azaltmalıdır. Buna ek olarak, bir pil güvenliği erken - uyarı modeli ve büyük veri ve yapay zeka gibi teknolojiler kullanarak, pilin potansiyel güvenlik sorunları önceden tahmin edilebilir ve geminin güvenli gezinmesini sağlamak için önleyici önlemler alınabilir.

(İii) Yüksek maliyet

Deniz lityum pillerinin yüksek maliyeti, büyük ölçekli tanıtımlarını ve uygulamalarını sınırlar. Maliyet azaltma birçok açıdan elde edilebilir. Hammaddeler açısından, yeni hammaddeler geliştirilerek veya ham malzeme tedarik tedarik zincirini optimize ederek hammadde maliyeti azaltılabilir. Üretim ve üretim sürecinde, üretim otomasyonunun derecesini artırmak ve üretim ölçeğinin genişletilmesi birim ürün başına üretim maliyetini azaltabilir. Aynı zamanda, pilin döngü ömrünü ve güvenilirliğini iyileştirmek, pil değiştirme sıklığını azaltmak ve armatörlerin genel yatırımını uzun vadeli kullanım maliyetleri açısından azaltmak. Buna ek olarak, teknolojik ilerleme ile, pil geri dönüşüm endüstrisinin gelişimi de pillerin tam - döngü maliyetini azaltmaya yardımcı olacaktır. Kullanılmış pillerde değerli metalleri geri dönüştürerek, kaynak geri dönüşümü gerçekleştirilebilir ve ham malzeme tedarikinin maliyetini azaltır.

III. Deniz lityumunun geliştirme eğilimleri - iyon pil teknolojisi

(İ) Katı - durum pil teknolojisinin yükselişi

Yüksek enerji yoğunluğu ve yüksek güvenlik avantajları ile katı - durum pilleri, deniz lityum -iyon pil teknolojisinin geliştirilmesi için önemli bir yön haline gelmiştir. Polimer katı elektrolitlerin iyonik iletkenliğini arttırmak ve inorganik katı elektrolitlerin, katı - durum pillerinin hazırlık maliyetini ve arayüz direncini azaltmak gibi katı durum elektrolit teknolojisindeki sürekli atılımlarla, bir sonraki 5 - 10 yıl içinde gemi inşa alanında kademeli olarak ticarileştirilmesi ve uygulanması beklenmektedir. Bir kez gerçekleştiğinde, gemilerin seyir aralığını ve güvenliğini büyük ölçüde artıracak ve nakliye endüstrisinin daha verimli ve çevre dostu bir yönde gelişmesini teşvik edecektir.

(İi) Akıllı pil yönetim sistemlerinin derinleştirme uygulaması

Nesnelerin İnterneti, Büyük Veri ve Yapay Zeka gibi teknolojilerin hızlı bir şekilde gelişmesiyle, deniz lityum - iyon pillerinin BM'leri akıllı yönde derinlemesine gelişecektir. Gelecekteki BM'ler sadece doğru pil durumu izleme, eşitleme yönetimi ve güvenlik koruması elde edebilecek, aynı zamanda diğer gemi sistemleriyle ara bağlantı ve iletişim yoluyla geminin genel enerjisinin en uygun yönetimini gerçekleştirecektir. Örneğin, geminin navigasyon durumu, yük talebi ve diğer bilgilerine göre, pilin şarj ve deşarj stratejisi, enerji kullanım verimliliğini artırmak için akıllıca ayarlanabilir. Aynı zamanda, büyük veri analizi ve yapay istihbarat algoritmaları kullanılarak, pilin sağlık durumu doğru bir şekilde tahmin edilebilir ve geminin çalışma risklerini azaltmak için bakım planları önceden ayarlanabilir.

(İii) Entegre gelişme diğer enerji - depolama teknolojileri ile

Farklı çalışma koşulları altında gemilerin karmaşık enerji taleplerini karşılamak için deniz lityum - iyon pilleri, süper kapasitörler ve volan enerji depolama gibi diğer enerji depolama teknolojileri ile entegre edilecektir. Süper kapasitörler, yüksek güç yoğunluğu ve hızlı şarj ve deşarj gibi özelliklere sahiptir. Gemi başlatma ve ivme gibi anında yüksek güç talepleri olan, lityum iyon pilleri üzerindeki büyük deşarj basıncını azaltan ve lityum iyon pillerinin hizmet ömrünü uzatan anında yüksek güç taleplerine sahip lityum iyon pilleriyle koordineli olarak çalışabilirler. Volan enerjisi depolama, geminin frenleme ve yavaşlama işlemleri sırasında üretilen enerjiyi depolamak için kullanılabilir, enerji geri kazanımı ve yeniden kullanımı gerçekleştirir. Çoklu enerji depolama teknolojilerinin organik entegrasyonu sayesinde, daha verimli, istikrarlı ve güvenilir bir gemi entegre enerji - depolama sistemi oluşturulabilir ve geminin genel performans ve enerji kullanım verimliliğini artırabilir.

Deniz lityum - iyon pil teknolojisi hızlı gelişme ve dönüşüm aşamasındadır. Her ne kadar birçok zorlukla karşılaşsa da, teknolojik yeniliğin sürekli ilerlemesiyle, nakliye endüstrisindeki uygulama beklentileri giderek daha geniş olacak ve küresel nakliye endüstrisinin yeşil dönüşümünü yönlendiren temel güç teknolojisi haline gelmesi bekleniyor.