في سياق سعي صناعة الشحن العالمي للتنمية الخضراء والفعالة ، أصبحت بطاريات الليثيوم البحرية ، مع مزاياها الفريدة ، تدريجياً تحولًا رئيسيًا في صناعة القيادة. إن إجراء التحليل الفني في العمق للليثيوم البحري - يساعد البطاريات الأيونية على فهم حالة التطوير وإمكاناتها بشكل شامل لمصدر الطاقة الناشئ.

1. المكونات الفنية الأساسية للليثيوم البحري - البطاريات الأيونية

(ط) تكنولوجيا مواد الإلكترود

مواد الكاثود

المواد الثلاثية (الليثيوم النيكل الكوبالت أكسيد المنجنيز لي (نيكومن) O₂ أو ليثيوم النيكل أكسيد الألومنيوم من أكسيد LI (Nicoal) O₂): المواد الثلاثية لها كثافة عالية طاقة ، مما يتيح لهم توفير إنتاج طاقة أكثر قوة ونطاقات طيران أطول للسفن. في بعض الأوعية البحثية والخطوة واليخوت الطرفية ذات المتطلبات الصارمة لنطاق المبحرة ، يمكن للبطاريات الليثيوم الثلاثية - تلبية متطلبات الطاقة للسفن خلال الرحلات الطويلة والمسافة الطويلة بسبب مزاياها عالية الكثافة. ومع ذلك ، فإن المواد الثلاثية لها ثبات حراري ضعيف في بيئات درجة الحرارة العالية وسلامة منخفضة نسبيًا. في البيئات البحرية ، يلزم نظام إدارة البطارية الدقيق والمعقد (BMS) لضمان تشغيله الآمن والمستقر ، مما يزيد من التكلفة والصعوبة الفنية إلى حد ما.

فوسفات الحديد الليثيوم (LifePo₄): تتمتع مواد فوسفات الحديد الليثيوم بدرجة عالية من النضج التقني وتستخدم على نطاق واسع في مجال بناء السفن. إنه يحتوي على درجة حرارة عالية حرارية وأداء جيد السلامة. حتى في الظروف البيئية القاسية ، يمكن أن يتجنب بشكل فعال حوادث السلامة الخطيرة مثل الحريق والانفجار ، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للاستخدام في الموظفين - السفن المكثفة مثل سفن الرحلات البحرية الداخلية وطولات الركاب القصيرة. في الوقت نفسه ، تتمتع بطاريات الفوسفات بالليثيوم - الحديد - بحياة دورة طويلة. أثناء عملية الشحن والتفريغ ، يكون بنية البطارية مستقرة ، ويكون تسوس السعة بطيئًا. علاوة على ذلك ، فإن موادها الخام وفيرة ، والتكلفة منخفضة نسبيًا ، مما يدل على مزايا كبيرة في فعالية التكلفة.

مواد الأنود

مواد الأنود القائمة على الجرافيت: مواد أنود الجرافيت التقليدية لها قدرة نظرية عالية نسبيًا (حوالي 372 مللي أمبير/جم) ، وهي منخفضة التكلفة نسبيًا وناضجة في التكنولوجيا ، والتي تستخدم عادة في بطاريات ليثيوم البحرية. يمكن أن يوفر عددًا كبيرًا من مواقع الإدراج لأيونات الليثيوم ، مما يضمن نقل أيونات الليثيوم السريع والمستقر أثناء عملية الشحن والتفريغ للبطارية. ومع ذلك ، مع التحسين المستمر لمتطلبات أداء البطارية ، واجه تحسين كثافة الطاقة لمواد الأنود الجرافيت اختناقات.

استكشاف مواد الأنود الجديدة: للاختراق من قيود أنودات الجرافيت ، يستكشف الباحثون بنشاط مواد الأنود الجديدة ، مثل مواد الأنود القائمة على السيليكون. تبلغ السعة النظرية المحددة للسيليكون تصل إلى 4200 مللي أمبير/جم ، أي أكثر من عشرة أضعاف من الجرافيت. ومع ذلك ، فإن المواد المستندة إلى السيليكون ستشهد توسعًا كبيرًا في الحجم أثناء عملية الشحن والتفريغ ، مما يؤدي إلى تدمير بنية القطب وتراجع أداء الدورة. في الوقت الحالي ، أصبح تحسين أداء مواد الأنود القائمة على السيليكون من خلال وسائل مثل تقنية النانو والتكنولوجيا المركبة نقطة ساخنة للبحث ، ومن المتوقع أن يتم تطبيقها على بطاريات ليثيوم البحرية - في المستقبل ، مما يؤدي إلى تحسين كثافة طاقة البطاريات.

(2) تقنية المنحل بالكهرباء

الشوارد السائلة

الشوارد العضوية: حاليًا ، تستخدم معظم بطاريات الليثيوم البحرية - أيون الشوارد العضوية ، وتشمل مكوناتها الرئيسية المذيبات العضوية وأملاح الليثيوم. تشمل المذيبات العضوية الشائعة الكربونات ، مثل كربونات الإيثيلين (EC) ، وكربونات ثنائي ميثيل (DMC) ، وما إلى ذلك. لديهم قابلية ذوبان جيدة لأملاح الليثيوم والتوصيل الأيوني العالي ، مما يضمن الهجرة السريعة لأيونات الليثيوم بين الأقطاب الإيجابية والسلبية للبطارية. يتم اختيار سداسي الفوسفات الليثيوم (LIPF₆) عمومًا باعتباره ملح الليثيوم ، والذي يمكنه فصل أيونات الليثيوم بشكل فعال في المذيبات العضوية وتوفير شحنات لشحن البطارية وتفريغها. ومع ذلك ، فإن الشوارد العضوية لديها مخاطر السلامة مثل القابلية للاشتعال والتقلب. في بيئة بحرية ، بمجرد تسرب البطارية ، قد تؤدي إلى حوادث خطيرة مثل الحرائق.

الشوارد الصلبة

البوليمرات الصلبة الإلكتروليتات: تستخدم الشوارد الصلبة البوليمر البوليمرات البوليمر مثل المصفوفة ، مثل أكسيد البولي إيثيلين (PEO) ، وما إلى ذلك ، وتشكل نظامًا كهربائيًا مع توصيل أيوني من خلال مضاعفة بأملاح الليثيوم. لديها مرونة جيدة ويمكن أن تلتزم عن كثب مادة القطب ، مما يحسن استقرار واجهة البطارية. في الوقت نفسه ، تكون الشوارد الصلبة البوليمر غير قابلة للاشتعال ولا تحتوي على مخاطر تسرب ، والتي يمكن أن تحسن بشكل كبير من سلامة البطارية. ومع ذلك ، فإن الموصلية الأيونية منخفضة نسبيًا ، خاصة في بيئات درجة الحرارة المنخفضة ، فإن معدل النقل الأيوني محدود ، مما يؤثر على أداء البطارية.

الشوارد الصلبة غير العضوية: الشوارد الصلبة غير العضوية مثل نوع العقيق والناسيكون - النوعية ذات الموصلية أيونية عالية واستقرار كيميائي جيد. من بينها ، تتمتع الشوارد الصلبة بالكرنتيك بالتوافق الجيد مع المعادن الليثيوم ويتوقع أن يتم تطبيقها على بطاريات ليثيوم عالية الكثافة - الكثافة. ومع ذلك ، فإن عملية تحضير الشوارد الصلبة غير العضوية معقدة ، والتكلفة مرتفعة ، ومقاومة ملامسة الواجهة مع مواد الإلكترود كبيرة. هذه المشاكل تحد من تطبيقها الكبير. حاليًا ، يلتزم الباحثون بترويج عملية التقديم الخاصة بالشوارد الصلبة غير العضوية في بطاريات الليثيوم البحرية - من خلال تحسين عملية التحضير وتحسين أداء الواجهة.

(3) تقنية نظام إدارة البطاريات (BMS)

مراقبة حالة البطارية

مراقبة الجهد: تستخدم BMS أجهزة استشعار الجهد عالية الدقة لمراقبة جهد كل خلية بطارية في وقت حقيقي. نظرًا لأن البطاريات الليثيوم البحرية - تتكون عادةً من عدد كبير من خلايا البطارية المتصلة في سلسلة وموازاة ، فإن تناسق الجهد بين الخلايا له تأثير كبير على أداء حزمة البطارية. بمجرد العثور على جهد الخلية ليكون مرتفعًا جدًا أو منخفضًا جدًا ، ستتخذ BMS تدابير في الوقت المناسب ، مثل معادلة الشحن والتفريغ ، لتجنب الإفراط في الشحن أو تفريغ الخلايا وضمان التشغيل الآمن والمستقر لحزمة البطارية. على سبيل المثال ، أثناء رحلة السفينة ، إذا كانت خلية البطارية تعاني من انخفاض جهد غير طبيعي بسبب الدائرة الدقيقة الداخلية - القصيرة أو الأخرى ، يمكن لـ BMS اكتشافها بسرعة وتعديل استراتيجية الشحن والتفريغ لمنع مزيد من الأضرار التي لحقت بالخلية وتؤثر على أداء حزمة البطارية بأكملها.

المراقبة الحالية: إن مراقبة الشحن وتفريغ التيار للبطارية بدقة أمر بالغ الأهمية لتقييم حالة الشحن (SOC) وحالة الصحة (SOH) للبطارية. يستخدم BMS أجهزة الاستشعار الحالية لجمع البيانات الحالية للبطارية وتفريغها في الوقت الحقيقي - ويحسب شحن وتصريف البطارية وفقًا لحجم واتجاه التيار. في الوقت نفسه ، استنادًا إلى معلمات مثل معدل التغيير الحالي ، يمكن لـ BMS تحديد ما إذا كانت البطارية في حالة حالية أكثر. بمجرد الانتهاء من ذلك - يتم اكتشاف التيار ، فإنه يؤدي على الفور إلى آلية الحماية وقطع الدائرة لمنع البطارية من التالف بسبب التأثير الحالي الكبير.

مراقبة درجة الحرارة: البيئة البحرية معقدة وقابلة للتغيير ، وتتأثر درجة حرارة البطارية بعوامل مختلفة مثل درجة الحرارة المحيطة ومعدل الشحن والتفريغ. ستؤثر درجة الحرارة المفرطة أو المنخفضة جدًا على أداء وحياة البطارية ، وقد تؤدي إلى حوادث السلامة. يستخدم BMS أجهزة استشعار لدرجة الحرارة المتعددة الموزعة في مواضع مختلفة من حزمة البطارية لمراقبة درجة حرارة البطارية في الوقت الحقيقي. عندما تكون درجة الحرارة مرتفعة للغاية ، فإنها تبدأ أجهزة التبريد مثل مراوح التبريد وأنظمة التبريد السائلة ؛ عندما تكون درجة الحرارة منخفضة للغاية ، فإنها تعمل على تشغيل عناصر التدفئة للحفاظ على درجة حرارة البطارية ضمن نطاق عمل مناسب. على سبيل المثال ، في الصيف الحار ، عندما تبحر السفينة في المياه الاستوائية ، من المحتمل أن ترتفع درجة حرارة حزمة البطارية. يمكن لـ BMS التحكم تلقائيًا في نظام التبريد السائل لزيادة معدل تدفق المبرد لتقليل درجة حرارة البطارية وضمان أداء بطارية مستقر.

إدارة معادلة البطارية

المعادلة النشطة: تستخدم تقنية المعادلة النشطة مكونات تخزين مثل المحاثات والمكثفات لنقل الطاقة من خلايا البطارية ذات الشحن العالي إلى أولئك الذين لديهم شحن منخفض ، مما يحقق معادلة الشحن بين خلايا البطارية. يمكن أن تقلل طريقة المعادلة هذه بسرعة وفعالية من اختلاف الشحن بين الخلايا ، مما يحسن الأداء الكلي وعمر الخدمة في حزمة البطارية. على سبيل المثال ، أثناء عملية الشحن لحزمة البطارية ، يمكن لنظام المعادلة النشطة مراقبة شحن كل خلية في وقت حقيقي. عندما تبين أن خلية معينة تكون قريبة من الشحنة الكاملة بينما تكون رسوم الخلايا الأخرى منخفضة ، فإنها تنقل بنشاط جزء من طاقة هذه الخلية إلى خلايا أخرى ، مما يتيح أن تكون جميع الخلايا مشحونة بالكامل وتجنب الشحن المفرط لبعض الخلايا.

المعادلة السلبية: المعادلة السلبية هي توصيل المقاوم بالتوازي مع كل خلية بطارية. عندما يكون جهد خلية معينة أعلى من عتبة المجموعة ، يتم استهلاك الشحنة الزائدة لهذه الخلية في شكل حرارة من خلال المقاوم ، وبالتالي تحقيق معادلة الجهد. تقنية المعادلة السلبية بسيطة ومنخفضة التكلفة ، لكنها تستهلك كمية كبيرة من الطاقة ولديها سرعة معادلة بطيئة نسبيًا ، وتكون مناسبة لأنظمة البطارية الليثيوم البحرية ذات التكلفة - حساسية ومقياس حزمة بطارية صغيرة.

وظائف حماية السلامة

الحماية المفرطة: عندما يصل جهد البطارية إلى عتبة حماية الشحن الزائد ، فإن BMS تقطع على الفور دائرة الشحن لمنع البطارية من تجربة حوادث خطيرة مثل التورم والنار وحتى الانفجار بسبب الشحن المفرط. على سبيل المثال ، أثناء عملية الشحن الجانبية للسفينة ، في حالة فشل معدات الشحن ، مما يؤدي إلى زيادة مستمرة في جهد الشحن ، سيتم تنشيط وظيفة حماية الشحن المفرطة لـ BMS لضمان سلامة البطارية والسفينة.

Over - حماية التفريغ: بمجرد انخفاض جهد البطارية إلى عتبة حماية التفريغ الزائدة ، تقوم BMS بقطع دائرة التفريغ لتجنب التفريغ. لأن التفريغ أكثر من ذلك سيؤدي إلى تسوس السعة لا رجعة فيه للبطارية ويقلل عمر البطارية. أثناء رحلة السفينة ، عندما تكون طاقة البطارية قريبة من النضوب ، ستصدر BMS إنذارًا ويحد من قوة المعدات الكهربائية للسفينة ، مما يتيح الأولوية لضمان تشغيل المعدات الرئيسية. في الوقت نفسه ، سيتم قطع الأحمال الأساسية غير الأساسية على الفور لمنع انتهاء البطارية.

أكثر - الحماية الحالية: كما ذكر أعلاه ، عندما يتم اكتشاف تيار الشحن والتفريغ للبطارية لتجاوز عتبة السلامة ، فإن BMS يقطع بسرعة الدائرة لمنع التضرار بالبطارية بسبب الهرب الحراري الناجم عن تيار كبير. بالإضافة إلى ذلك ، فإن BMS لديها أيضًا وظيفة حماية دائرة قصيرة. عندما تحدث دائرة قصيرة أو خارجية خارجية في البطارية ، يمكن أن تقطع الدائرة في وقت قصير للغاية لتجنب حوادث السلامة الناتجة عن تيار الدائرة القصير.

الثاني. التحديات والتدابير المضادة في تقنية البطارية الليثيوم البحرية

(ط) عنق الزجاجة في تحسين كثافة الطاقة

على الرغم من أن كثافة الطاقة في بطاريات الليثيوم البحرية الحالية قد أحرزت تقدمًا كبيرًا ، مقارنةً بالطلب المتزايد على المدى الطويل المدى في صناعة الشحن ، لا يزال هناك مجال للتحسين. لاختراق عنق الزجاجة هذا ، من ناحية ، هناك حاجة إلى البحث المستمر وتطوير مواد كهربائية جديدة ، مثل مواد الأنود القائمة على السيليكون ومواد الكاثود الثلاثية العالية النيكل المذكورة أعلاه. من خلال تحسين بنية المواد والأداء ، يمكن زيادة القدرة المحددة للأقطاب الكهربائية. من ناحية أخرى ، يجب إجراء الابتكار في تصميم بنية البطارية. يجب اعتماد مخططات تصميم حزم أكثر إحكاما وفعالية - لتقليل نسبة المواد غير النشطة داخل حزمة البطارية وتحسين استخدام المساحة ، وبالتالي تحقيق تخزين طاقة أعلى في المساحة المحدودة للسفينة.

(2) مخاطر السلامة

البيئة البحرية معقدة وقاسية ، وعوامل مثل ارتفاع درجة الحرارة ، والرطوبة العالية ، والاهتزاز ، والتأثير يمكن أن تشكل جميعها تهديدات لسلامة بطاريات الليثيوم. لتحسين السلامة ، بالإضافة إلى اختيار مواد قطب كهربائي أكثر أمانًا (مثل فوسفات الحديد الليثيوم) والكهارل (مثل الشوارد الصلبة) ، من الضروري أيضًا تحسين وظيفة حماية الأمان في BMS ، وتحسين دقتها وسرعة الاستجابة في مراقبة حالة البطارية. في الوقت نفسه ، يجب ممارسة التحكم الصارم في عملية تصنيع البطارية لضمان الهيكل الداخلي المستقر والاتصال الموثوق بالبطارية ، مما يقلل من مخاطر السلامة الناتجة عن عيوب التصنيع. بالإضافة إلى ذلك ، من خلال إنشاء نموذج تحذير في وقت مبكر من سلامة البطارية واستخدام تقنيات مثل البيانات الضخمة والذكاء الاصطناعي ، يمكن التنبؤ بمشاكل السلامة المحتملة للبطارية مسبقًا ، ويمكن اتخاذ تدابير وقائية لضمان التنقل الآمن للسفينة.

(3) التكلفة المرتفعة

إن التكلفة العالية للليثيوم البحري - البطاريات الأيونية تحد من ترويجها وتطبيقها الكبير. يمكن تحقيق تخفيض التكلفة من جوانب متعددة. فيما يتعلق بالمواد الخام ، يمكن تقليل تكلفة المواد الخام عن طريق تطوير مواد خام جديدة أو تحسين سلسلة إمدادات المشتريات المادية الخام. في عملية الإنتاج والتصنيع ، فإن زيادة درجة أتمتة الإنتاج وتوسيع نطاق الإنتاج يمكن أن يقلل من تكلفة الإنتاج لكل منتج وحدة. في الوقت نفسه ، تحسين عمر الدورة وموثوقية البطارية ، مما يقلل من تواتر استبدال البطارية ، وتقليل الاستثمار الإجمالي لمالكي السفن من منظور تكاليف الاستخدام على المدى الطويل. بالإضافة إلى ذلك ، مع التقدم التكنولوجي ، سيساعد تطوير صناعة إعادة تدوير البطاريات أيضًا على تقليل تكلفة البطاريات الكاملة للحياة. من خلال إعادة تدوير المعادن القيمة في البطاريات المستخدمة ، يمكن تحقيق إعادة تدوير الموارد ، مما يقلل من تكلفة المشتريات المادية الخام.

ثالثا. اتجاهات تطوير الليثيوم البحري - تكنولوجيا البطارية الأيونية

(ط) صعود تكنولوجيا بطارية الولاية الصلبة

أصبحت بطاريات الولاية الصلبة ، مع مزاياها عالية الكثافة الطاقة والسلامة العالية ، اتجاهًا مهمًا لتطوير تكنولوجيا البطارية الليثيوم البحرية. مع الاختراقات المستمرة في تقنية الإلكتروليت الصلبة ، مثل زيادة الموصلية الأيونية للكهرباء الصلبة للبوليمرات وتقليل تكلفة التحضير ومقاومة الواجهة للكهارل الصلبة غير العضوية ، من المتوقع أن يتم تسويق بطاريات الولاية الصلبة تدريجياً وتطبيقها في مجال بناء الشحن خلال 5 سنوات التالية. بمجرد إدراكه ، سيحسن بشكل كبير نطاق الإبحار والسلامة من السفن ويعزز صناعة الشحن لتتطور في اتجاه أكثر كفاءة وصديق للبيئة.

(2) تعميق التطبيق لأنظمة إدارة البطاريات الذكية

من خلال التطور السريع للتقنيات مثل إنترنت الأشياء والبيانات الكبيرة والذكاء الاصطناعي ، ستتطور BMS of Lithium Lithium - بطاريات أيون بعمق في الاتجاه الذكي. لن تكون BMS في المستقبل قادرة على تحقيق مراقبة حالة البطارية الدقيقة وإدارة المعادلة وحماية السلامة ولكن أيضًا ، من خلال التوصيل البيني والتواصل مع أنظمة السفن الأخرى ، إدراك الإدارة الأمثل للطاقة الإجمالية للسفينة. على سبيل المثال ، وفقًا لحالة التنقل في السفينة ، والطلب على الحمل ، وغيرها من المعلومات ، يمكن ضبط استراتيجية الشحن والتفريغ للبطارية بذكاء لتحسين كفاءة استخدام الطاقة. في الوقت نفسه ، باستخدام تحليلات البيانات الكبيرة والخوارزميات الاصطناعية - يمكن التنبؤ بالضربات الصحية للبطارية بدقة ، ويمكن ترتيب خطط الصيانة مسبقًا لتقليل مخاطر تشغيل السفينة.

(3) التطوير المتكامل مع تقنيات التخزين الأخرى للطاقة

لتلبية متطلبات الطاقة المعقدة للسفن في ظل ظروف عمل مختلفة ، سيتم دمج بطاريات الليثيوم البحرية - مع تقنيات التخزين الأخرى ، مثل المكثفات الفائقة وتخزين طاقة دولاب الموازنة. المكثفات الفائقة لها خصائص مثل كثافة الطاقة العالية والشحن السريع والتفريغ. يمكنهم العمل بالتنسيق مع بطاريات ليثيوم - أيون في سيناريوهات ذات متطلبات فورية عالية - طاقة مثل بدء السفن والتسارع ، مما يقلل من ضغط التفريغ الحالي على البطاريات الليثيوم - وتوسيع عمر خدمة البطاريات الليثيوم. يمكن استخدام تخزين الطاقة دولاب الموازنة لتخزين الطاقة الناتجة أثناء عمليات الفرامل والتباطرية للسفينة ، وتحقيق استرداد الطاقة وإعادة الاستخدام. من خلال التكامل العضوي لتكنولوجيات الطاقة المتعددة - تخزين الطاقة ، يمكن بناء نظام تخزين أكثر كفاءة واستقرار وموثوقة وموثوقة - نظام التخزين ، مما يحسن الأداء الكلي وكفاءة استخدام الطاقة في السفينة.

Marine Lithium - Ion Battery Technology في مرحلة من التطور السريع والتحول. على الرغم من مواجهة العديد من التحديات ، مع التقدم المستمر للابتكار التكنولوجي ، ستصبح آفاق تطبيقها في صناعة الشحن واسعة بشكل متزايد ، ومن المتوقع أن تصبح تقنية الطاقة الأساسية التي تقود التحول الأخضر لصناعة الشحن العالمية.