Im Kontext der Verfolgung der globalen Schifffahrtsbranche nach grüner und effizienter Entwicklung werden Meereslithium -Ionen -Batterien mit ihren einzigartigen Vorteilen allmählich zu einer wesentlichen Kraft, die die Industrie -Transformation treibt. Durch die Durchführung einer tiefen technischen Analyse von marinen Lithium -Ionen -Batterien können Sie den Entwicklungsstatus und das Potenzial dieser aufkommenden Stromquelle umfassend verstehen.

I. Kerntechnische Komponenten von marinen Lithium -Ionen -Batterien

(I) Elektrodenmaterialtechnologie

Kathodenmaterialien

Ternäre Materialien (Lithium -Nickel -Kobalt -Manganoxid -Li (Nicomn) O₂ oder Lithium -Nickel -Kobalt Aluminiumoxid Li (Nicoal) O₂): Ternäre Materialien haben eine hohe Energiedichte, sodass sie eine stärkere Leistungsabgabe und längere Kreuzfahrten für Schiffe liefern können. Auf einigen Ozean -Forschungsschiffen und hohen - Endyachten mit strengen Anforderungen an die Kreuzfahrt können ternäre Lithium -Ionen -Batterien die Stromanforderungen von Schiffen während langfristiger und langer und langer Entfernungsreihen aufgrund ihrer Vorteile mit hoher Energiedichte erfüllen. Ternäre Materialien haben jedoch eine schlechte thermische Stabilität in hohen Temperaturumgebungen und relativ geringe Sicherheit. In Meeresumgebungen ist ein präzises und komplexes Batteriemanagementsystem (BMS) erforderlich, um ihren sicheren und stabilen Betrieb zu gewährleisten, wodurch die Kosten und die technischen Schwierigkeit in gewissem Maße erhöht werden.

Lithium -Eisenphosphat (Lifepo₄): Lithium -Eisenphosphatmaterialien weisen einen hohen Grad an technischer Reife auf und werden im Schiffbaubereich weit verbreitet. Es hat eine hohe Thermaltemperatur und eine gute Sicherheitsleistung. Selbst bei harten Umweltbedingungen kann es effektiv schwerwiegende Sicherheitsunfälle wie Feuer und Explosion vermeiden, was es besonders für den Einsatz von Personalschiffen wie Inland -Kreuzfahrtschiffen und kurze Distanzfähren eignet. Gleichzeitig haben Lithium -Eisen -Phosphatbatterien eine lange Lebensdauer des Zyklus. Während des Lade- und Entladungsprozesses ist die Batteriestruktur stabil und der Kapazitätsverfall langsam. Darüber hinaus sind seine Rohstoffe reichlich vorhanden, und die Kosten sind relativ niedrig, was erhebliche Vorteile der Kosten - Effektivität - aufweisen.

Anodenmaterialien

Graphit - basierte Anodenmaterialien: herkömmliche Graphit -Anodenmaterialien haben eine relativ hohe theoretische spezifische Kapazität (ca. 372 mAh/g) und sind relativ niedrig und sind in der Technologie reifen. Sie werden häufig in marinen Lithium -Ionen -Batterien verwendet. Es kann eine große Anzahl von Insertionsstellen für Lithiumionen bereitstellen und die schnelle und stabile Übertragung von Lithiumionen während des Ladungs- und Entladungsprozesses der Batterie sicherstellen. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Anforderungen an die Batterieleistung ist jedoch die Verbesserung der Wasserdichte von Graphit -Anodenmaterialien auf Engpässe gestoßen.

Untersuchung neuer Anodenmaterialien: Um die Grenzen von Graphit -Anoden durchzubrechen, untersuchen die Forscher aktiv neue Anodenmaterialien wie Silizium -Basis -Anodenmaterialien. Die theoretische spezifische Kapazität von Silizium beträgt bis zu 4200 mAh/g und mehr als das Zehnfache des Graphiten. In Silicon -basierten Materialien wird jedoch während des Ladungs- und Entladungsprozesses eine erhebliche Volumenerweiterung erfahren, was zur Zerstörung der Elektrodenstruktur und zu einem Rückgang der Zyklusleistung führt. Derzeit ist die Verbesserung der Leistung von Silicon -basierten Anodenmaterialien durch Mittel wie Nanotechnologie und Verbundtechnologie zu einem Hotspot für Forschung geworden und wird voraussichtlich in Zukunft auf marine Lithium -Ionen -Batterien angewendet, was die Energiedichte der Batterien erheblich verbessert.

(Ii) Elektrolyt -Technologie

Flüssigelektrolyte

Bio -Elektrolyte: Derzeit verwenden die meisten marinen Lithium -Ionen -Batterien organische Elektrolyte, und ihre Hauptkomponenten umfassen organische Lösungsmittel und Lithiumsalze. Häufige organische Lösungsmittel umfassen Carbonate wie Ethylencarbonat (EC), Dimethylcarbonat (DMC) usw. Sie haben eine gute Löslichkeit für Lithiumsalze und eine hohe Ionenleitfähigkeit, um die schnelle Migration von Lithiumionen zwischen den positiven und negativen Elektroden der Batterie zu gewährleisten. Lithiumhexafluorophosphat (LIPF₆) wird im Allgemeinen als Lithiumsalz ausgewählt, das Lithiumionen in organischen Lösungsmitteln effektiv dissoziieren und Ladungsträger für Batterieladungen und Entladung liefern kann. Organische Elektrolyte haben jedoch Sicherheitsrisiken wie Entflammbarkeit und Volatilität. In einer marinen Umgebung können nach dem Leck der Batterie schwerwiegende Unfälle wie Brände auslösen.

Feste Elektrolyte

Polymer -Feststoffelektrolyte: Polymer -Feststoffelektrolyte verwenden Polymerpolymere als Matrix wie Polyethylenoxid (PEO) usw. und bilden ein Elektrolytsystem mit Ionenleitfähigkeit durch Verbundung mit Lithiumsalzen. Es hat eine gute Flexibilität und kann sich genau an das Elektrodenmaterial halten und die Grenzflächenstabilität der Batterie verbessern. Gleichzeitig sind Polymer -feste Elektrolyte nicht brennbar und haben kein Leckagerisiko, was die Sicherheit der Batterie erheblich verbessern kann. Die Ionenleitfähigkeit ist jedoch relativ niedrig, insbesondere in niedrigen Temperaturumgebungen ist die Ionentransportrate begrenzt und beeinflusst die Batterieleistung.

Anorganische feste Elektrolyte: Anorganische feste Elektrolyte wie Granat - Typ und Nasiker - Typ haben eine hohe ionische Leitfähigkeit und eine gute chemische Stabilität. Unter ihnen haben Granat - Typ mit festen Elektrolyten eine gute Kompatibilität mit Lithiummetall und wird voraussichtlich auf hohe Energie -Dichte -Lithium -Metall -Batterien aufgetragen. Der Vorbereitungsprozess von anorganischen festen Elektrolyten ist jedoch komplex, die Kosten sind hoch und der Grenzflächenkontaktwiderstand mit Elektrodenmaterialien groß. Diese Probleme begrenzen ihre große Skalierungsanwendung. Derzeit sind Forscher verpflichtet, den Bewerbungsprozess von anorganischen festen Elektrolyten in Meereslithium -Ionen -Batterien zu fördern, indem der Vorbereitungsprozess optimiert und die Schnittstellenleistung verbessert wird.

(Iii) Battery Management System (BMS) -Technologie

Überwachung des Batteriezustands

Spannungsüberwachung: Das BMS verwendet hohe Präzisionsspannungssensoren, um die Spannung jeder Batteriezelle in realer Zeit zu überwachen. Da marine Lithium -Ionen -Batterien normalerweise aus einer großen Anzahl von Batterienzellen bestehen, die in Reihe und parallel angeschlossen sind, hat die Spannungskonsistenz zwischen den Zellen einen signifikanten Einfluss auf die Leistung des Akkus. Sobald eine Zellspannung zu hoch oder zu niedrig ist, ergriffen das BMS rechtzeitige Maßnahmen, wie z. Wenn beispielsweise während der Schiffsfahrt aufgrund einer Batteriezelle aufgrund eines internen Mikrokreislaufs oder anderer Gründe einen abnormalen Spannungsabfall erfährt, kann das BMs sie schnell erkennen und die Lade- und Entladungsstrategie anpassen, um weitere Schäden an der Zelle zu verhindern und die Leistung der gesamten Batteriepackung zu beeinflussen.

Aktuelle Überwachung: Die genaue Überwachung des Lade- und Entladungsstroms der Batterie ist entscheidend für die Bewertung des Ladungszustands (SOC) und des Gesundheitszustands (SOH) der Batterie. Das BMS verwendet aktuelle Sensoren, um die Lade- und Entladungsstromdaten der Batterie in realer Zeit zu sammeln und die Ladungs- und Entladungskapazität der Batterie gemäß der Größe und Richtung des Stroms zu berechnen. Gleichzeitig kann das BMS feststellen, ob sich auf Parametern wie der aktuellen Änderungsrate feststellen, ob sich die Batterie in einem überlasteten Zustand befindet. Sobald der Strom erkannt wird, wird sofort der Schutzmechanismus ausgelöst und die Schaltung abschneidet, um zu verhindern, dass die Batterie durch einen großen Stromaufprall beschädigt wird.

Temperaturüberwachung: Die Meeresumgebung ist komplex und veränderbar, und die Batterietemperatur wird durch verschiedene Faktoren wie die Umgebungstemperatur sowie die Lade- und Entlastungsrate beeinflusst. Übermäßige oder zu niedrige Temperaturen wirken sich ernsthaft auf die Leistung und Lebensdauer der Batterie aus und können sogar Sicherheitsunfälle auslösen. Das BMS verwendet mehrere Temperatursensoren, die an verschiedenen Positionen des Batteriepacks verteilt sind, um die Batterietemperatur in realer Zeit zu überwachen. Wenn die Temperatur zu hoch ist, beginnt sie abkühlende Geräte wie Kühlventilatoren und Flüssigkeitskühlsysteme. Wenn die Temperatur zu niedrig ist, schaltet sie die Heizelemente ein, um die Batterietemperatur innerhalb eines geeigneten Arbeitsbereichs aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel wird im heißen Sommer, wenn ein Schiff in tropischen Gewässern segelt, die Temperatur des Akkus wahrscheinlich steigen. Das BMS kann das Flüssigkühlsystem automatisch steuern, um die Kühlmittelflussrate zu erhöhen, um die Batterietemperatur zu verringern und eine stabile Batterieleistung zu gewährleisten.

Batterieausgleichsmanagement

Aktive Equalization: Die aktive Ausgleichstechnologie verwendet Energie - Speicherkomponenten wie Induktoren und Kondensatoren, um die Energie aus den Batteriezellen mit hoher Ladung auf diejenigen mit geringer Ladung zu übertragen, wodurch die Ladung Equalization zwischen den Batteriellen erreicht wird. Diese Ausgleichsmethode kann den Ladungsunterschied zwischen Zellen schnell und effektiv verringern und die Gesamtleistung und die Lebensdauer des Akkus verbessert. Zum Beispiel kann das aktive Ausgleichssystem während des Ladungsprozesses des Akkuspacks die Ladung jeder Zelle in realer Zeit überwachen. Wenn festgestellt wird, dass eine bestimmte Zelle nahe der vollen Ladung ist, während die Ladungen anderer Zellen niedrig sind, überträgt sie aktiv einen Teil der Energie dieser Zelle an andere Zellen, sodass alle Zellen synchron vollständig geladen werden und das Überladen einiger Zellen vermieden werden können.

Passive Ausgleich: Passive Ausgleich besteht darin, einen Widerstand parallel zu jeder Batteriezelle zu verbinden. Wenn die Spannung einer bestimmten Zelle höher ist als der festgelegte Schwellenwert, wird die überschüssige Ladung dieser Zelle in Form von Wärme durch den Widerstand verbraucht, wodurch eine Spannungsausgleich erreicht wird. Die passive Equalization -Technologie ist einfach und niedrig - Kosten, aber eine große Menge an Energie und hat eine relativ langsame Ausgleichsgeschwindigkeit, die für marine Lithium -Ionen -Batteriesysteme mit Kosten - Empfindlichkeit und kleine Batterie -Packskala geeignet ist.

Sicherheitsschutzfunktionen

Überladungsschutz: Wenn die Batteriespannung die Überladungsschutzschwelle erreicht, schneidet das BMS sofort die Ladekreislauf ab, um zu verhindern, dass die Batterie schwerwiegende Unfälle wie Schwellung, Feuer und sogar Explosion aufgrund von Überladungen erfährt. Zum Beispiel wird während der Schiffsküste - als Seitenladungsprozess, wenn die Ladegeräte ausfällt, was zu einer kontinuierlichen Erhöhung der Ladespannung führt, die Überladungsschutzfunktion des BMS schnell aktiviert, um die Sicherheit der Batterie und des Schiffes zu gewährleisten.

Over - Entladungsschutz: Sobald die Batteriespannung auf die Überschwelle über den Entladungsschutz fällt, schneidet der BMS die Entladungskreis ab, um das Überlösen der Batterie zu vermeiden. Denn Over - Entladung führt zu einem irreversiblen Kapazitätsverfall der Batterie und verkürzt die Akkulaufzeit. Während der Schiffsreise gibt das BMS den Alarm aus und begrenzt die Leistung der elektrischen Geräte des Schiffes, wenn der Batteriestrom nahe am Abzug liegt, wodurch die Gewährleistung des Betriebs der Schlüsselausrüstung Priorität hat. Gleichzeitig wird es unverzüglich nicht wichtige Lasten abgeschnitten, um zu verhindern, dass die Batterie übertrieben wird.

Über - Stromschutz: Wie oben erwähnt, wird das BMS schnell nachgewiesen, dass der BMS -Strom festgestellt wird, dass der BMS den Stromkreis schnell abschneidet, um zu verhindern, dass die Batterie durch einen thermischen Ausreißer durch einen großen Strom verursacht wird. Darüber hinaus hat das BMS auch eine kurze Schaltungsschutzfunktion. Wenn in der Batterie eine interne oder externe Kurzschaltung auftritt, kann er die Schaltung in einer extrem kurzen Zeit abschneiden, um Sicherheitsunfälle zu vermeiden, die durch einen kurzen Schaltkreisstrom verursacht werden.

Ii. Herausforderungen und Gegenmaßnahmen in der marinen Lithium -Ionen -Batterie -Technologie

(I) Engpass bei der Verbesserung der Energiedichte

Obwohl die Energiedichte der aktuellen marinen Lithium -Ionen -Batterien im Vergleich zur wachsenden Nachfrage für lange Reichweite in der Schifffahrtsbranche erhebliche Fortschritte erzielt hat, gibt es immer noch Verbesserungsraum. Um diesen Engpass zu durchbrechen, sind eine kontinuierliche Forschung und Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien wie den oben genannten Anodenmaterialien auf Silizium -Basis und hohen Nickelkathoden erforderlich. Durch die Optimierung der Materialstruktur und -leistung kann die spezifische Kapazität der Elektroden erhöht werden. Andererseits sollte Innovationen im Batteriestruktur -Design durchgeführt werden. Es sollten kompaktere und effizientere Batterie -Packungs -Designschemata eingesetzt werden, um den Anteil nicht aktiver Materialien innerhalb des Akkus zu verringern und die Raumauslastung zu verbessern, wodurch eine höhere Energiespeicherung im begrenzten Platz des Schiffes erzielt wird.

(Ii) Sicherheitsrisiken

Die Meeresumgebung ist komplex und hart, und Faktoren wie hohe Temperatur, hohe Luftfeuchtigkeit, Vibration und Auswirkungen können alle Bedrohungen für die Sicherheit von Lithium -Ionen -Batterien darstellen. Um die Sicherheit zu verbessern, ist es neben der Auswahl sichererer Elektrodenmaterialien (wie Lithium -Eisenphosphat) und Elektrolyten (wie festen Elektrolyten) auch erforderlich, um die Sicherheitsschutzfunktion des BMS weiter zu verbessern, seine Genauigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit bei der Überwachung des Batteriezustands weiter zu verbessern. Gleichzeitig sollte eine strenge Steuerung im Batterieherstellungsprozess ausgeübt werden, um die stabile interne Struktur und den zuverlässigen Anschluss der Batterie zu gewährleisten, wodurch Sicherheitsrisiken durch Herstellungsfehler verursacht werden. Durch frühzeitige Einrichtung einer Batteriesicherheit - Warnmodell und die Verwendung von Technologien wie Big Data und künstliche Intelligenz können potenzielle Sicherheitsprobleme der Batterie im Voraus vorhergesagt werden, und vorbeugende Maßnahmen können ergriffen werden, um die sichere Navigation des Schiffes sicherzustellen.

(Iii) hohe Kosten

Die hohen Kosten für marine Lithium -Ionen -Batterien beschränken ihre große Skala -Werbung und -anwendung. Die Kostensenkung kann aus mehreren Aspekten erreicht werden. In Bezug auf Rohstoffe können die Rohstoffkosten durch die Entwicklung neuer Rohstoffe oder die Optimierung der Lieferkette der Rohstoffbeschaffung reduziert werden. Im Produktions- und Herstellungsprozess kann das Erhöhen des Produktionsgrades und die Erweiterung der Produktionsskala die Produktionskosten pro Produkteinheit reduzieren. Gleichzeitig verbessert die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Batterie, die Verringerung der Häufigkeit des Batterieersatzes und die Verringerung der Gesamtinvestition von Records aus Sicht der langen Nutzungskosten. Darüber hinaus wird die Entwicklung der Batterie -Recycling -Branche mit technologischem Fortschritt auch dazu beitragen, die vollen Lebenszykluskosten von Batterien zu verringern. Durch das Recycling wertvoller Metalle in gebrauchten Batterien kann das Ressourcenrecycling realisiert werden, wodurch die Kosten für Rohkosten reduziert werden.

III. Entwicklungstrends der marinen Lithium -Ionen -Batterie -Technologie

(I) Der Anstieg der soliden Batterie -Technologie - Zustandsbatterie -Technologie

Feste State -Batterien mit ihren Vorteilen von hoher Energiedichte und hoher Sicherheit sind zu einer wichtigen Richtung für die Entwicklung der marinen Lithium -Ionen -Batterie -Technologie geworden. Mit den kontinuierlichen Durchbrüchen in der festen State -Elektrolyt -Technologie, wie der Erhöhung der ionischen Leitfähigkeit von Polymer -Feststoffelektrolyten und der Reduzierung der Vorbereitungskosten und der Grenzflächenwiderstand von anorganischen Feststoffelektrolyten, wird erwartet, dass feste State -Batterien innerhalb der nächsten 5 bis 10 Jahre allgemein verschrottet und im Schiffsgebäude angewendet werden. Nach der Realisierung verbessert es die Fahrt Reichweite und Sicherheit von Schiffen erheblich und fördert die Schifffahrtsbranche für eine effizientere und umweltfreundlichere Richtung.

(Ii) die vertiefende Anwendung intelligenter Batteriemanagementsysteme

Mit der rasanten Entwicklung von Technologien wie dem Internet der Dinge, Big Data und künstlicher Intelligenz werden sich die BMS der marinen Lithium -Ionen -Batterien in intelligenter Richtung zutiefst entwickeln. Das zukünftige BMS wird nicht nur in der Lage sein, eine genaue Überwachung des Batteriezustands, das Ausgleichsmanagement und den Sicherheitsschutz zu erzielen, sondern auch durch Verbindungen und Kommunikation mit anderen Schiffssystemen das optimale Management der Gesamtenergie des Schiffes zu erkennen. Nach dem Navigationsstatus des Schiffes, dem Lastbedarf und anderen Informationen und anderen Informationen können beispielsweise die Lade- und Entladungsstrategie der Batterie intelligent angepasst werden, um die Effizienz der Energieauslastung zu verbessern. Gleichzeitig kann der Gesundheitszustand der Batterie mit großer Datenanalyse und künstlicher Intelligenzalgorithmen genau vorhergesagt werden, und Wartungspläne können im Voraus angeordnet werden, um die Risiken des Schiffsbetriebs zu verringern.

(Iii) Integrierte Entwicklung mit anderen Energie - Speichertechnologien

Um den komplexen Energiebedarf von Schiffen unter verschiedenen Arbeitsbedingungen gerecht zu werden, werden marine Lithium -Ionen -Batterien in andere Energie - Speichertechnologien wie Superkondensatoren und Schwungrad -Energiespeicher integriert. Superkondensatoren weisen Eigenschaften wie hohe Stromdichte und schnelles Laden und Entladungen auf. Sie können in Abstimmung mit Lithium -Ionen -Batterien in Szenarien mit sofortigen hohen Stromanforderungen wie Schiffsstart und Beschleunigung arbeiten, den großen Stromausflussdruck auf Lithium -Ionen -Batterien verringern und die Lebensdauer der Lithium -Ionen -Batterien verlängern. Mit Schwungradsenergiespeicher kann die Energie, die während der Brems- und Verzögerungsprozesse des Schiffes erzeugt wird, aufbewahrt werden, wodurch die Energiewiederherstellung und die Wiederverwendung realisiert werden. Durch die organische Integration mehrerer Energie - Speichertechnologien - ein effizientere, stabilere und zuverlässigere Schiff integrierte Energie - kann das Speichersystem konstruiert werden, wodurch die Gesamtleistung und die Energieversorgungswirksamkeit des Schiffes verbessert werden.

Marine Lithium -Ionen -Batterie -Technologie befindet sich in einem Stadium der schnellen Entwicklung und Transformation. Obwohl er mit vielen Herausforderungen steht, werden die Anwendungsaussichten in der Schifffahrtsbranche mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der technologischen Innovation zunehmend weitreichender und es wird erwartet, dass die Kernleistungstechnologie die grüne Transformation der globalen Schifffahrtsbranche vorantreibt.