W kontekście dążenia światowego przemysłu żeglugowego do zielonego i efektywnego rozwoju, baterie litowo-jonowe dla statków morskich, ze swoimi wyjątkowymi zaletami,Stopniowo stają się kluczową siłą napędzającą transformację przemysłuPrzeprowadzenie dogłębnej analizy technicznej morskich baterii litowo-jonowych pomaga w zrozumieniu stanu rozwoju i potencjału tego nowego źródła energii.

I. Podstawowe elementy techniczne akumulatorów litowo-jonowych dla statków morskich

I) Technologia materiału elektrodowego

Materiały katodowe

Materiały trzeciego rodzaju (Litium Nickel Cobalt Manganese Oxide Li(NiCoMn) O2 lub Litium Nickel Cobalt Aluminium Oxide Li(NiCoAl) O2): Materiały trzeciego rodzaju mają wysoką gęstość energii,umożliwiające im zapewnienie większej mocy i dłuższego zasięgu żeglugi statkówNa niektórych oceanicznych statkach badawczych i jachtach o wysokiej jakości, z rygorystycznymi wymaganiami dotyczącymi zasięgu,Baterie litowo-jonowe mogą zaspokoić zapotrzebowanie na energię na statkach podczas długoterminowych i dalekich podróży ze względu na ich wysoką gęstość energiiJednakże materiały trójstronne mają słabą stabilność termiczną w środowiskach o wysokiej temperaturze i stosunkowo niskie bezpieczeństwo.wymagany jest precyzyjny i złożony system zarządzania bateriami (BMS), aby zapewnić ich bezpieczną i stabilną pracę, co w pewnym stopniu zwiększa koszty i trudności techniczne.

Fosforan żelaza litu (LiFePO4): Materiały z fosforanu żelaza litu mają wysoki stopień dojrzałości technicznej i są szeroko stosowane w branży stoczniowej.Ma wysoką temperaturę uwalniania cieplnego i dobre osiągi bezpieczeństwa. nawet w trudnych warunkach środowiskowych, może skutecznie zapobiegać poważnym wypadkom w zakresie bezpieczeństwa, takim jak pożar i wybuch,co czyni go szczególnie odpowiednim do użytku na statkach o dużej intensywności personelu, takich jak statki wycieczkowe i promy pasażerskie krótkich odległości.Jednocześnie baterie litowo-żelazowo-fosforowe mają długi okres życia cyklu.,jego surowców jest dużo, a koszt jest stosunkowo niski, co daje znaczące zalety w zakresie efektywności kosztowej.

Materiały anodowe

Materiały anodowe na bazie grafitu: tradycyjne materiały anodowe z grafitu mają stosunkowo wysoką teoretyczną pojemność właściwą (około 372 mAh/g), są stosunkowo niskie w kosztach i zaawansowane technologicznie,powszechnie stosowane w bateriach litowo-jonowych dla statków morskichMoże zapewnić dużą liczbę miejsc wstawiania jonów litu, zapewniając szybkie i stabilne przenoszenie jonów litu podczas procesu ładowania i rozładowania baterii.z ciągłym doskonaleniem wymagań dotyczących wydajności baterii, poprawa gęstości energetycznej materiałów anodowych z grafitu napotkała wąskie gardła.

Badania nad nowymi materiałami anodowymi: Aby przełamać ograniczenia, jakie mają anody grafitowe, naukowcy aktywnie badają nowe materiały anodowe, takie jak materiały anodowe na bazie krzemu.Teoretyczna pojemność właściwa krzemu wynosi aż 4200 mAh/gJednakże materiały na bazie krzemu doświadczą znacznej ekspansji objętościowej podczas procesu ładowania i rozładowywania,powodujące zniszczenie struktury elektrody i spadek wydajności cykluObecnie, improving the performance of silicon - based anode materials through means such as nanotechnology and composite technology has become a research hotspot and is expected to be applied to marine lithium - ion batteries in the future, znacznie poprawiając gęstość energii akumulatorów.

(II) Technologia elektrolitów

Elektrolity ciekłe

Elektrolity organiczne: Obecnie większość morskich baterii litowo-jonowych wykorzystuje elektrolity organiczne, a ich głównymi składnikami są rozpuszczalniki organiczne i sole litowe.Do powszechnych rozpuszczalników organicznych należą węglanki, takie jak węglan etylenowy (EC), węglan dimetylowy (DMC) itp. Mają dobrą rozpuszczalność w sołach litu i wysoką przewodność jonową,zapewnienie szybkiej migracji jonów litu między elektrodami dodatnimi a ujemnymi akumulatora. Heksalfluorofosforan litu (LiPF6) jest zazwyczaj wybierany jako sól litu,który może skutecznie dysocjować jony litu w rozpuszczalnikach organicznych i dostarcza nośników ładunku do ładowania i rozładowywania bateriiW środowisku morskim, gdy bateria wycieknie, może to spowodować poważne wypadki, takie jak pożary.

Elektrolity stałe

Elektrolity stałe polimerowe: Elektrolity stałe polimerowe wykorzystują polimerowe polimery jako matrycę, takie jak tlenek polietylenu (PEO) itp.,i tworzą układ elektrolitowy o przewodności jonowej poprzez łączenie się ze sólami lituMa dobrą elastyczność i może ściśle przylegać do materiału elektrody, poprawiając stabilność interfejsu akumulatora.Elektrolity stałe polimerowe są niepalne i nie mają ryzyka wycieku, co może znacząco poprawić bezpieczeństwo baterii. Jednak jej przewodność jonowa jest stosunkowo niska, zwłaszcza w środowiskach o niskiej temperaturze, szybkość transportu jonów jest ograniczona,wpływające na wydajność baterii.

Elektrolity stałe nieorganiczne: Elektrolity stałe nieorganiczne, takie jak granat i NASICON, mają wysoką przewodność jonową i dobrą stabilność chemiczną.Elektrolity stałe typu granat mają dobrą kompatybilność z litowym metalem i mają być stosowane w bateriach litowo-metalowych o wysokiej gęstości energiiJednak proces przygotowywania nieorganicznych stałych elektrolitów jest skomplikowany, koszt jest wysoki, a odporność na kontakt z materiałami elektrodowymi jest duża.Problemy te ograniczają ich zastosowanie na dużą skalę.Obecnie, researchers are committed to promoting the application process of inorganic solid electrolytes in marine lithium - ion batteries by optimizing the preparation process and improving the interface performance.

(III) Technologia systemu zarządzania bateriami (BMS)

Monitorowanie stanu baterii

Monitorowanie napięcia: System BMS wykorzystuje precyzyjne czujniki napięcia do monitorowania napięcia każdej komórki akumulatora w czasie rzeczywistym.Ponieważ baterie litowo-jonowe są zazwyczaj złożone z dużej liczby ogniw baterii połączonych szeregowo i równolegle, spójność napięcia między ogniwami ma znaczący wpływ na wydajność akumulatora.Takie jak wyrównanie ładowania i rozładowania, aby uniknąć nadmiernego ładowania lub nadmiernego rozładowania ogniw i zapewnić bezpieczne i stabilne działanie akumulatora.jeśli komórka akumulatora doświadcza nieprawidłowego spadku napięcia z powodu wewnętrznego mikro- zwarcia lub innych przyczyn, BMS może szybko wykryć i dostosować strategię ładowania i rozładowania, aby zapobiec dalszemu uszkodzeniu ogniwa i wpłynąć na wydajność całego zestawu baterii.

Monitoring prądu: Dokładne monitorowanie prądu ładowania i rozładowania baterii ma kluczowe znaczenie dla oceny stanu ładowania (SOC) i stanu stanu (SOH) baterii. The BMS uses current sensors to collect the charging and discharging current data of the battery in real - time and calculates the charge and discharge capacity of the battery according to the magnitude and direction of the currentJednocześnie, na podstawie parametrów takich jak prędkość zmiany prądu, BMS może określić, czy akumulator jest w stanie prądu.natychmiast uruchamia mechanizm ochronny i wyłącza obwód, aby zapobiec uszkodzeniu baterii przez duży uderzenie prądu.

Monitoring temperatury: Środowisko morskie jest złożone i zmienne,a na temperaturę baterii wpływają różne czynniki, takie jak temperatura otoczenia oraz szybkość ładowania i rozładowaniaNadmierna lub zbyt niska temperatura poważnie wpływa na wydajność i żywotność akumulatora, a nawet może powodować wypadki bezpieczeństwa.BMS wykorzystuje wiele czujników temperatury rozmieszczonych na różnych pozycjach akumulatora, aby monitorować temperaturę akumulatora w czasie rzeczywistymKiedy temperatura jest zbyt wysoka, uruchamia urządzenia chłodzące, takie jak wentylatory chłodzące i systemy chłodzenia płynami; gdy temperatura jest zbyt niska,włącza elementy grzewcze w celu utrzymania temperatury baterii w odpowiednim zakresie pracyNa przykład w gorące lata, gdy statek żegluje w wodach tropikalnych, temperatura akumulatora może wzrosnąć.BMS może automatycznie kontrolować system chłodzenia płynów w celu zwiększenia przepływu płynu chłodzącego w celu obniżenia temperatury baterii i zapewnienia stabilnej wydajności baterii.

Zarządzanie wyrównaniem baterii

Aktywne wyrównanie:Technologia aktywnego wyrównania wykorzystuje komponenty magazynowania energii, takie jak induktory i kondensatory, aby przenosić energię z komórek akumulatorowych o wysokim ładowaniu do tych o niskim ładowaniu, osiągając wyrównanie ładunku pomiędzy ogniwami akumulatora.poprawa ogólnej wydajności i żywotności akumulatoraNa przykład podczas ładowania baterii system aktywnego wyrównania może monitorować ładunek każdej komórki w czasie rzeczywistym.Kiedy stwierdzono, że pewna komórka jest prawie w pełni naładowana, podczas gdy ładunki innych komórek są niskie, aktywnie przenosi część energii z tej komórki do innych komórek, umożliwiając pełne synchroniczne ładowanie wszystkich komórek i unikanie przeładowania niektórych komórek.

Pasywne wyrównanie: pasywne wyrównanie polega na podłączeniu rezystora równolegle do każdego ogniwa akumulatora.nadmiar ładunku tej komórki jest zużywany w postaci ciepła przez rezystorTechnologia pasywnego wyrównania jest prosta i niskokosztowa, ale zużywa dużą ilość energii i ma stosunkowo wolną prędkość wyrównania,nadaje się do morskich systemów baterii litowo-jonowych o wrażliwości kosztowej i małej skali baterii.

Funkcje ochrony bezpieczeństwa

Ochrona przed przeładowaniem: gdy napięcie akumulatora osiągnie próg ochrony przed przeładowaniem,BMS natychmiast wyłącza obwód ładowania, aby zapobiec poważnym wypadkom, takim jak obrzęk bateriiPrzykładowo podczas ładowania na brzegu statku, jeśli urządzenie ładowania ulegnie awarii,powodujące ciągły wzrost napięcia ładowania, funkcja ochrony przed przeładowaniem BMS zostanie szybko uruchomiona w celu zapewnienia bezpieczeństwa baterii i statku.

Ochrona przed nadmiernym rozładowaniem: gdy napięcie akumulatora spadnie do progu ochrony przed nadmiernym rozładowaniem, BMS odcina obwód rozładowania, aby uniknąć nadmiernego rozładowania akumulatora.Ponieważ nadmierne rozładowywanie powoduje nieodwracalne rozkładanie się pojemności baterii i skraca jej żywotnośćPodczas podróży statku, gdy zasilanie baterii jest bliskie wyczerpania, system BMS wypuści alarm i ograniczy zasilanie urządzeń elektrycznych statku.priorytetowe zapewnienie pracy kluczowego sprzętuJednocześnie szybko odcina niepotrzebne obciążenia, aby zapobiec nadmiernemu rozładowaniu baterii.

Ochrona przed prądem: Jak wspomniano powyżej, gdy prąd ładowania i rozładowania akumulatora przekracza próg bezpieczeństwa,BMS szybko wyłącza obwód, aby zapobiec uszkodzeniu baterii przez odpływ cieplny spowodowany dużym prądemPonadto BMS ma również funkcję ochrony przed zwarciem.Może odciąć obwód w bardzo krótkim czasie, aby uniknąć wypadków bezpieczeństwa spowodowanych przez prąd zwarcia..

II. Wyzwania i środki zaradcze w dziedzinie morskich technologii baterii litowo-jonowych

(I) Wąskie gardło w zakresie poprawy gęstości energii

Chociaż w porównaniu z rosnącym zapotrzebowaniem na żeglarstwo dalekosiężne w branży żeglugowej, w zakresie gęstości energetycznej obecnych baterii litowo-jonowych osiągnięto znaczący postęp,Nadal można się poprawić.Aby przełamać ten wąski gardło, z jednej strony, ciągłe badania i rozwój nowych materiałów elektrodowych,Na przykład materiały anodowe na bazie krzemu i materiały katodowe o wysokiej zawartości nikluZ drugiej strony, poprzez optymalizację struktury materiału i jego właściwości można zwiększyć pojemność właściwą elektrod.Należy wprowadzić innowacje w projektowaniu struktury bateriiNależy przyjąć bardziej kompaktowe i wydajne schematy projektowania baterii, aby zmniejszyć udział nieaktywnych materiałów wewnątrz baterii i poprawić wykorzystanie przestrzeni.osiągając w ten sposób większe magazynowanie energii w ograniczonej przestrzeni statku.

II) Zagrożenia dla bezpieczeństwa

Środowisko morskie jest skomplikowane i surowe, a takie czynniki jak wysoka temperatura, wysoka wilgotność, wibracje i uderzenia mogą stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa baterii litowo-jonowych.W celu poprawy bezpieczeństwa, oprócz wyboru bezpieczniejszych materiałów elektrodowych (takich jak fosforan żelaza litu) i elektrolitów (takich jak elektrolity stałe),konieczne jest również dalsze usprawnienie funkcji ochrony bezpieczeństwa systemu BMS, poprawi dokładność i szybkość reakcji w monitorowaniu stanu baterii.w procesie produkcji baterii należy dokonywać ścisłej kontroli w celu zapewnienia stabilnej struktury wewnętrznej i niezawodnego podłączenia bateriiPonadto poprzez ustanowienie modelu wczesnego ostrzegania o bezpieczeństwie baterii oraz wykorzystanie technologii takich jak duże dane i sztuczna inteligencja,potencjalne problemy bezpieczeństwa akumulatora można przewidzieć z wyprzedzeniem, a środki zapobiegawcze mogą być podjęte w celu zapewnienia bezpiecznej żeglugi statku.

(III) Wysokie koszty

Wysoki koszt morskich baterii litowo-jonowych ogranicza ich promocję i stosowanie na dużą skalę.koszty surowców można obniżyć poprzez rozwój nowych surowców lub optymalizację łańcucha dostaw surowców - zakup surowcówW procesie produkcyjnym i produkcyjnym zwiększenie stopnia automatyzacji produkcji i rozszerzenie skali produkcji może zmniejszyć koszty produkcji na produkt.poprawa czasu trwania cyklu i niezawodności baterii, zmniejszając częstotliwość wymiany baterii i zmniejszając ogólne inwestycje armatorów z punktu widzenia długoterminowych kosztów użytkowania.Rozwój przemysłu recyklingu baterii pomoże również zmniejszyć koszty całego cyklu życia bateriiPoprzez recykling metali w zużytych bateriach można zrealizować recykling zasobów, zmniejszając koszty zakupu surowców.

III. Trendy rozwoju technologii baterii litowo-jonowych dla statków morskich

(I) Wzrost technologii akumulatorów stałych

Baterie typu solid state, z ich zaletami wysokiej gęstości energii i wysokiego bezpieczeństwa, stały się ważnym kierunkiem rozwoju morskich technologii baterii litowo-jonowych.Wraz z ciągłymi przełomami w technologii elektrolitów stałych, takie jak zwiększenie przewodności jonowej elektrolitów stałych polimerowych oraz zmniejszenie kosztów przygotowania i odporności na przejście elektrolitów stałych nieorganicznych,Oczekuje się, że baterie w stanie stałym będą stopniowo komercjalizowane i stosowane w przemyśle stoczniowym w ciągu najbliższych 5-10 lat.Po jego realizacji znacząco poprawi zasięg i bezpieczeństwo żeglugi statków oraz przyczyni się do rozwoju przemysłu żeglugowego w bardziej wydajnym i przyjaznym dla środowiska kierunku.

(II) Pogłębianie stosowania inteligentnych systemów zarządzania bateriami

Z gwałtownym rozwojem technologii takich jak Internet Rzeczy, duże dane i sztuczna inteligencja,BMS morskich baterii litowo-jonowych będzie głęboko ewoluować w inteligentnym kierunkuPrzyszły system BMS będzie nie tylko w stanie osiągnąć dokładne monitorowanie stanu baterii, zarządzanie równoważeniem i ochronę bezpieczeństwa, ale równieżpoprzez połączenie i komunikację z innymi systemami statkuNa przykład, zgodnie ze stanem nawigacji statku, zapotrzebowaniem na ładunek i innymi informacjami,Strategia ładowania i rozładowania baterii może być inteligentnie dostosowywana w celu poprawy efektywności wykorzystania energiiJednocześnie, wykorzystując analizę dużych danych i algorytmy sztucznej inteligencji, można precyzyjnie przewidzieć stan zdrowia baterii.i planów konserwacji można ustalić z wyprzedzeniem, aby zmniejszyć ryzyko eksploatacji statku.

(III) Zintegrowany rozwój z innymi technologiami magazynowania energii

Aby sprostać złożonym wymaganiom energetycznym statków w różnych warunkach pracy, morski akumulator litowo-jonowy zostanie zintegrowany z innymi technologiami magazynowania energii,takie jak superkondensatory i magazyny energii koła przesuwnegoSuperkondensatory charakteryzują się wysoką gęstością mocy oraz szybkim ładowaniem i rozładowaniem.Mogą pracować w koordynacji z bateriami litowo-jonowymi w sytuacjach o natychmiastowych wysokich zapotrzebowaniach na energię, takich jak uruchomienie statku i przyspieszenie., zmniejszając duże ciśnienie rozładowania prądu na bateriach litowo-jonowych i wydłużając żywotność baterii litowo-jonowych.Przechowywanie energii koła lotniczego może być wykorzystane do przechowywania energii wytwarzanej podczas procesów hamowania i opóźnienia statkuDzięki organicznej integracji wielu technologii magazynowania energii, bardziej wydajny, stabilny,i niezawodny zintegrowany system magazynowania energii na statku może być zbudowany, zwiększając ogólną wydajność i efektywność wykorzystania energii statku.

Technologia morskich baterii litowo-jonowych znajduje się w fazie szybkiego rozwoju i transformacji.jego perspektywy zastosowania w przemyśle żeglugowym będą coraz szersze, a oczekuje się, że stanie się podstawową technologią napędową napędzającą ekologiczną transformację światowego przemysłu żeglugowego.