En el contexto de la búsqueda de la industria del transporte marítimo global del desarrollo verde y eficiente, las baterías de iones de litio marino, con sus ventajas únicas, se están convirtiendo gradualmente en una transformación clave de la industria de impulsar la fuerza. Realizar un análisis técnico de profundidad de las baterías de iones marinos ayuda a comprender de manera integral el estado de desarrollo y el potencial de esta fuente de energía emergente.

I. Componentes técnicos centrales de las baterías de iones de litio marino

(I) Tecnología de material de electrodo

Materiales de cátodo

Materiales ternarios (óxido de manganeso cobalto de litio LI (Nicomn) o óxido de aluminio cobalto de níquel de litio LI (Nicoal) O₂): los materiales ternarios tienen una alta densidad de energía, lo que les permite proporcionar una potencia potencia más potente y rangos de excursión más largos para los buques. En algunos buques de investigación oceánicos y de investigación y yates de alto final con requisitos estrictos para el rango de crucero, las baterías ternarias de litio - iones pueden satisfacer las demandas de energía de los barcos durante los viajes a largo plazo y a largo plazo debido a sus ventajas de alta densidad de energía. Sin embargo, los materiales ternarios tienen poca estabilidad térmica en entornos de alta temperatura y seguridad relativamente baja. En entornos marinos, se requiere un sistema de gestión de baterías (BMS) preciso y complejo para garantizar su operación segura y estable, lo que aumenta el costo y la dificultad técnica hasta cierto punto.

Fosfato de hierro de litio (LifePo₄): los materiales de fosfato de hierro de litio tienen un alto grado de madurez técnico y se utilizan ampliamente en el campo de la construcción naval. Tiene una alta temperatura de fugación térmica y un buen rendimiento de seguridad. Incluso en condiciones ambientales duras, puede evitar efectivamente graves accidentes de seguridad como incendio y explosión, lo que lo hace especialmente adecuado para su uso en el personal, barcos intensivos como cruceros internos y transbordadores de pasajeros a corto plazo. Al mismo tiempo, las baterías de litio - hierro - fosfato tienen una larga vida útil del ciclo. Durante el proceso de carga y descarga, la estructura de la batería es estable y la descomposición de la capacidad es lenta. Además, sus materias primas son abundantes y el costo es relativamente bajo, mostrando ventajas significativas en el costo: la efectividad.

Materiales anódicos

Materiales anódicos basados ​​en grafito: los materiales de ánodo de grafito tradicional tienen una capacidad específica teórica relativamente alta (aproximadamente 372 mAh/g), y son relativamente bajos en costos y maduros en tecnología, que se usan comúnmente en baterías de iones de litio marino. Puede proporcionar una gran cantidad de sitios de inserción para iones de litio, asegurando la transferencia rápida y estable de iones de litio durante el proceso de carga y descarga de la batería. Sin embargo, con la mejora continua de los requisitos para el rendimiento de la batería, la mejora de la densidad de energía de los materiales del ánodo de grafito ha encontrado cuellos de botella.

Exploración de nuevos materiales anódicos: para romper las limitaciones de los ánodos de grafito, los investigadores están explorando activamente nuevos materiales de ánodo, como materiales anódicos basados ​​en silicio. La capacidad teórica específica del silicio es tan alta como 4200 mAh/g, más de diez veces la de grafito. Sin embargo, los materiales basados ​​en silicio experimentarán una expansión significativa del volumen durante el proceso de carga y descarga, lo que lleva a la destrucción de la estructura del electrodo y una disminución en el rendimiento del ciclo. Actualmente, mejorar el rendimiento de los materiales anódicos basados ​​en silicio a través de medios como la nanotecnología y la tecnología compuesta se ha convertido en un punto de acceso de investigación y se espera que se aplique a las baterías de iones de litio marino en el futuro, mejorando en gran medida la densidad de energía de las baterías.

(Ii) Tecnología de electrolitos

Electrolitos líquidos

Electrolitos orgánicos: actualmente, la mayoría de las baterías de iones marinos usan electrolitos orgánicos, y sus componentes principales incluyen solventes orgánicos y sales de litio. Los solventes orgánicos comunes incluyen carbonatos, como carbonato de etileno (CE), carbonato de dimetilo (DMC), etc. Tienen una buena solubilidad para las sales de litio y una alta conductividad iónica, asegurando la rápida migración de iones de litio entre los electrodos positivos y negativos de la batería. El hexafluorofosfato de litio (LIPF₆) generalmente se selecciona como la sal de litio, lo que puede disociar efectivamente los iones de litio en solventes orgánicos y proporcionar portadores de carga para la carga y descarga de la batería. Sin embargo, los electrolitos orgánicos tienen riesgos de seguridad como la inflamabilidad y la volatilidad. En un entorno marino, una vez que la batería se filtra, puede desencadenar accidentes graves como incendios.

Electrolitos sólidos

Polímero Electrolitos sólidos: los electrolitos sólidos de polímeros utilizan polímeros de polímeros como la matriz, como el óxido de polietileno (PEO), etc., y forman un sistema de electrolitos con conductividad iónica a través de la compuesta con sales de litio. Tiene una buena flexibilidad y puede adherirse al material del electrodo, mejorando la estabilidad de la interfaz de la batería. Al mismo tiempo, los electrolitos sólidos de polímeros no son inflamables y no tienen riesgo de fuga, lo que puede mejorar significativamente la seguridad de la batería. Sin embargo, su conductividad iónica es relativamente baja, especialmente en entornos de baja temperatura, la velocidad de transporte de iones es limitada, lo que afecta el rendimiento de la batería.

Electrolitos sólidos inorgánicos: los electrolitos sólidos inorgánicos como el granate - tipo y el tipo Nasicon - tienen una alta conductividad iónica y una buena estabilidad química. Entre ellos, los electrolitos sólidos tipo granate tienen una buena compatibilidad con el metal de litio y se espera que se apliquen a baterías de metal de litio de alta densidad. Sin embargo, el proceso de preparación de los electrolitos sólidos inorgánicos es complejo, el costo es alto y la resistencia de contacto de la interfaz con materiales de electrodos es grande. Estos problemas limitan su aplicación a gran escala. Actualmente, los investigadores se comprometen a promover el proceso de aplicación de electrolitos sólidos inorgánicos en baterías de iones de litio marino al optimizar el proceso de preparación y mejorar el rendimiento de la interfaz.

(Iii) Tecnología del sistema de gestión de baterías (BMS)

Monitoreo del estado de la batería

Monitoreo de voltaje: el BMS utiliza sensores de voltaje de alta precisión para monitorear el voltaje de cada celda de la batería en tiempo real. Dado que las baterías de iones de litio marino generalmente se componen de una gran cantidad de celdas de batería conectadas en serie y paralela, la consistencia de voltaje entre las celdas tiene un impacto significativo en el rendimiento de la batería. Una vez que se encuentra que un voltaje de celda es demasiado alto o demasiado bajo, el BMS tomará medidas oportunas, como igualar la carga y la descarga, para evitar sobrecarga o descarga de células y garantizará el funcionamiento seguro y estable de la batería. Por ejemplo, durante el viaje del barco, si una celda de la batería experimenta una caída de voltaje anormal debido al micro circuito corto o otras razones, el BMS puede detectarlo rápidamente y ajustar la estrategia de carga y descarga para evitar más daños a la celda y afectar el rendimiento de toda la batería.

Monitoreo actual: el monitoreo con precisión la corriente de carga y descarga de la batería es crucial para evaluar el estado de carga (SOC) y el estado de salud (SOH) de la batería. El BMS utiliza sensores de corriente para recopilar los datos de corriente de carga y descarga de la batería en tiempo real y calcula la capacidad de carga y descarga de la batería de acuerdo con la magnitud y dirección de la corriente. Al mismo tiempo, según los parámetros como la tasa de cambio actual, el BMS puede determinar si la batería está en un estado actual. Una vez que se detecta la corriente en exceso, se desencadena inmediatamente el mecanismo de protección y corta el circuito para evitar que la batería sea dañada por un gran impacto de corriente.

Monitoreo de temperatura: el ambiente marino es complejo y cambiante, y la temperatura de la batería se ve afectada por varios factores, como la temperatura ambiente y la velocidad de carga y descarga. La temperatura excesiva o demasiado baja afectará seriamente el rendimiento y la vida útil de la batería, e incluso puede desencadenar accidentes de seguridad. El BMS utiliza sensores de temperatura múltiples distribuidos en diferentes posiciones de la batería para monitorear la temperatura de la batería en tiempo real. Cuando la temperatura es demasiado alta, comienza a enfriar dispositivos como ventiladores de enfriamiento y sistemas de enfriamiento líquidos; Cuando la temperatura es demasiado baja, enciende los elementos de calefacción para mantener la temperatura de la batería dentro de un rango de trabajo apropiado. Por ejemplo, en el verano caluroso, cuando un barco navega en aguas tropicales, es probable que la temperatura de la batería aumente. El BMS puede controlar automáticamente el sistema de enfriamiento líquido para aumentar la velocidad de flujo del refrigerante para reducir la temperatura de la batería y garantizar el rendimiento estable de la batería.

Administración de ecualización de la batería

Al igualación activa: la tecnología de ecualización activa utiliza componentes de almacenamiento de energía, como inductores y condensadores, para transferir la energía de las celdas de la batería con alta carga a aquellos con baja carga, logrando la igualación de carga entre las celdas de la batería. Este método de ecualización puede reducir de manera rápida y efectiva la diferencia de carga entre las celdas, mejorando el rendimiento general y la vida útil del paquete de baterías. Por ejemplo, durante el proceso de carga del paquete de baterías, el sistema de ecualización activa puede monitorear la carga de cada celda en tiempo real. Cuando se encuentra que una determinada célula está cerca de la carga completa, mientras que las cargas de otras células son bajas, transfiere activamente parte de la energía de esta célula a otras células, lo que permite que todas las células se carguen completamente sincrónicamente y eviten la sobrecarga de algunas células.

Equalación pasiva: la ecualización pasiva es conectar una resistencia en paralelo a cada celda de la batería. Cuando el voltaje de una determinada celda es más alto que el umbral establecido, el exceso de carga de esta célula se consume en forma de calor a través de la resistencia, lo que alcanza la ecualización de voltaje. La tecnología de ecualización pasiva es simple y de bajo costo, pero consume una gran cantidad de energía y tiene una velocidad de ecualización relativamente lenta, que es adecuada para los sistemas de batería de iones de litio marino con costo - sensibilidad y una pequeña escala de batería.

Funciones de protección de seguridad

Protección de sobrecarga: cuando el voltaje de la batería alcanza el umbral de protección de sobrecarga, el BMS corta inmediatamente el circuito de carga para evitar que la batería experimente accidentes graves como hinchazón, fuego e incluso explosión debido a la sobrecarga. Por ejemplo, durante el proceso de carga lateral del barco, si el equipo de carga falla, lo que resulta en un aumento continuo en el voltaje de carga, la función de protección de sobrecarga del BMS se activará rápidamente para garantizar la seguridad de la batería y el barco.

Over - Protección de descarga: una vez que el voltaje de la batería cae al umbral de protección de descarga de exceso, el BMS corta el circuito de descarga para evitar la descarga de la batería. Porque la descarga de exceso conducirá a una capacidad de descomposición de la capacidad irreversible de la batería y acortará la duración de la batería. Durante el viaje del barco, cuando la energía de la batería está cerca del agotamiento, el BMS emitirá una alarma y limitará la potencia del equipo eléctrico del barco, dando prioridad para garantizar el funcionamiento de los equipos clave. Al mismo tiempo, cortará rápidamente las cargas no esenciales para evitar que la batería se descarga.

Protección de corriente sobre: ​​Como se mencionó anteriormente, cuando se detecta la corriente de carga y descarga de la batería para exceder el umbral de seguridad, el BMS corta rápidamente el circuito para evitar que la batería sea dañada por un fugitivo térmico causado por una corriente grande. Además, el BMS también tiene una función de protección de circuito corto. Cuando se produce un circuito corto o externo interno o externo en la batería, puede cortar el circuito en un tiempo extremadamente corto para evitar accidentes de seguridad causados ​​por la corriente corta del circuito.

II. Desafíos y contramedidas en la tecnología de batería de iones de litio marino

(I) cuello de botella en la mejora de la densidad de energía

Aunque la densidad energética de las baterías actuales de iones marinos ha progresado significativamente, en comparación con la creciente demanda de cruceros de largo alcance en la industria naviera, todavía hay margen de mejora. Para romper este cuello de botella, por un lado, se necesitan una investigación continua y el desarrollo de nuevos materiales de electrodos, como los materiales anódicos basados ​​en silicio y los materiales de cátodo Ternary High -Nickel mencionados anteriormente. Al optimizar la estructura y el rendimiento del material, se puede aumentar la capacidad específica de los electrodos. Por otro lado, se debe llevar a cabo la innovación en el diseño de la estructura de la batería. Se deben adoptar esquemas de diseño de batería más compactos y eficientes para reducir la proporción de materiales no activos dentro del paquete de baterías y mejorar la utilización del espacio, logrando así un mayor almacenamiento de energía en el espacio limitado de la nave.

(Ii) Peligros de seguridad

El entorno marino es complejo y duro, y factores como alta temperatura, alta humedad, vibración e impacto pueden representar amenazas para la seguridad de las baterías de iones de litio. Para mejorar la seguridad, además de elegir materiales de electrodo más seguros (como el fosfato de hierro de litio) y los electrolitos (como los electrolitos sólidos), también es necesario mejorar aún más la función de protección de seguridad del BMS, mejorar su precisión y velocidad de respuesta en el monitoreo del estado de la batería. Al mismo tiempo, se debe ejercer un control estricto en el proceso de fabricación de la batería para garantizar la estructura interna estable y la conexión confiable de la batería, reduciendo los riesgos de seguridad causados ​​por los defectos de fabricación. Además, al establecer un modelo de advertencia temprano de seguridad de la batería y usar tecnologías como Big Data e inteligencia artificial, se pueden predecir los posibles problemas de seguridad de la batería por adelantado y se pueden tomar medidas preventivas para garantizar la navegación segura del barco.

(Iii) Alto costo

El alto costo de las baterías marinas de litio marino limita su promoción y aplicación a gran escala. La reducción de costos se puede lograr desde múltiples aspectos. En términos de materias primas, el costo de las materias primas se puede reducir mediante el desarrollo de nuevas materias primas u optimizando la cadena de suministro de adquisición de materiales en bruto. En el proceso de producción y fabricación, aumentar el grado de automatización de la producción y expandir la escala de producción puede reducir el costo de producción por unidad de producto. Al mismo tiempo, mejorar la vida útil del ciclo y la confiabilidad de la batería, reducir la frecuencia del reemplazo de la batería y reducir la inversión general de los propietarios desde la perspectiva de los costos de uso a largo plazo. Además, con el progreso tecnológico, el desarrollo de la industria de reciclaje de baterías también ayudará a reducir el costo total de las baterías de la vida. Al reciclar metales valiosos en las baterías usadas, se puede realizar el reciclaje de recursos, reduciendo el costo de la adquisición de materiales crudos.

Iii. Tendencias de desarrollo de la tecnología de batería de iones de litio marino

(I) El aumento de la tecnología de batería de estado sólido

Las baterías de estado sólido, con sus ventajas de alta densidad de energía y alta seguridad, se han convertido en una dirección importante para el desarrollo de la tecnología de batería de iones de litio marino. Con los avances continuos en la tecnología de electrolitos de estado sólido, como aumentar la conductividad iónica de los electrolitos sólidos de polímeros y reducir el costo de preparación y la resistencia a la interfaz de los electrolitos sólidos inorgánicos, se espera que las baterías de estado sólido se comercialicen y apliquen gradualmente en el campo de la nave espacial dentro de los siguientes 5 - 10 años. Una vez realizado, mejorará en gran medida el rango de crucero y la seguridad de los barcos y promoverá que la industria naviera se desarrolle en una dirección más eficiente y ecológica.

(Ii) la aplicación de profundidad de sistemas inteligentes de gestión de baterías

Con el rápido desarrollo de tecnologías como el Internet de las cosas, los big data e inteligencia artificial, las baterías de iones de litio marino evolucionarán profundamente en la dirección inteligente. El futuro BMS no solo podrá lograr un monitoreo preciso del estado de la batería, la gestión de la ecualización y la protección de seguridad, sino también, a través de la interconexión y la comunicación con otros sistemas de barcos, realizar la gestión óptima de la energía general del barco. Por ejemplo, de acuerdo con el estado de navegación del barco, la demanda de carga y otra información, la estrategia de carga y descarga de la batería puede ajustarse de manera inteligente para mejorar la eficiencia de utilización de energía. Al mismo tiempo, utilizando el análisis de datos grande y los algoritmos de inteligencia artificiales, el estado de salud de la batería se puede predecir con precisión, y los planes de mantenimiento se pueden organizar por adelantado para reducir los riesgos de operación del barco.

(Iii) Desarrollo integrado con otras tecnologías de energía - almacenamiento

Para satisfacer las complejas demandas de energía de los barcos en diferentes condiciones de trabajo, las baterías de iones marinos se integrarán con otras tecnologías de energía - almacenamiento, como supercondensadores y almacenamiento de energía del volante. Los supercondensadores tienen características como la alta densidad de potencia y la carga y descarga rápida. Pueden trabajar en coordinación con baterías de litio en escenarios con demandas instantáneas de energía altas, como el inicio y la aceleración del barco, reduciendo la presión de descarga de corriente grande sobre las baterías de iones de litio y extendiendo la vida útil de las baterías de iones de litio. El almacenamiento de energía del volante se puede utilizar para almacenar la energía generada durante los procesos de frenado y desaceleración del barco, realizando la recuperación y reutilización de energía. A través de la integración orgánica de las tecnologías de energía múltiple, se puede construir un sistema de almacenamiento integrado de energía integrado más eficiente, estable y confiable, mejorando el rendimiento general y la eficiencia de utilización de energía de la nave.

La tecnología de batería de iones de litio marino se encuentra en una etapa de rápido desarrollo y transformación. Aunque enfrenta muchos desafíos, con el avance continuo de la innovación tecnológica, sus perspectivas de aplicaciones en la industria del transporte marítimo se volverán cada vez más amplios, y se espera que se convierta en la tecnología de energía central que impulsa la transformación verde de la industria del transporte marítimo global.