Γιατί η ενεργειακή πυκνότητα έχει σημασίαs στην αγορά Drone/UAV
Η εκθετική ανάπτυξη της βιομηχανίας των drone εξαρτάται σημαντικά από τις εξελίξεις στην τεχνολογία μπαταριών. Η εξαιρετικά{1}}υψηλή ενεργειακή πυκνότητα γίνεται κρίσιμος παράγοντας για την παροχή ενέργειας σε μεγαλύτερες πτήσεις και πιο ευέλικτες εφαρμογές.
Μια υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα σημαίνει ότι τα drones μπορούν να πετούν περισσότερο και να μεταφέρουν περισσότερο βάρος. Αυτή η ικανότητα είναι ζωτικής σημασίας για την επέκταση των χρήσεων των drone πέρα από τη φωτογραφία, ώστε να περιλαμβάνει τη μεταφορά, την επιτήρηση και την περιβαλλοντική παρακολούθηση.
Οφέλη για το εμπορικό drones & Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις
Τα εμπορικά drones, ειδικά αυτά που χρησιμοποιούνται στην παράδοση δεμάτων και στις βιομηχανικές επιθεωρήσεις, επωφελούνται πάρα πολύ από μπαταρίες υψηλής ενεργειακής πυκνότητας. Μπορούν να ταξιδέψουν μεγαλύτερες αποστάσεις με μία μόνο φόρτιση, καθιστώντας τις πιο αποτελεσματικές και{1}}οικονομικές.
Οι μπαταρίες υψηλής ενεργειακής πυκνότητας είναι επίσης πιο φιλικές προς το περιβάλλον. Διαρκούν περισσότερο και μειώνουν τη συχνότητα αντικατάστασης μπαταριών, μειώνοντας το περιβαλλοντικό αποτύπωμα των λειτουργιών των drone.
Τι είναι η Ενεργειακή Πυκνότητα της μπαταρίας;
Η ενεργειακή πυκνότητα είναι πόση ενέργεια αποθηκεύεται σε μονάδα χώρου ή μονάδα μάζας ύλης. Η ενεργειακή πυκνότητα μιας μπαταρίας είναι πόση ηλεκτρική ενέργεια απελευθερώνεται από τη μέση μονάδα όγκου ή μάζας της μπαταρίας, η οποία γενικά χωρίζεται σε δύο διαστάσεις: πυκνότητα ενέργειας βάρους και πυκνότητα ενέργειας όγκου.
Η ενεργειακή πυκνότητα βάρους της μπαταρίας μπορεί απλά να υπολογιστεί με αυτόν τον τύπο: Ονομαστική τάση (V) * Ονομαστική χωρητικότητα (Ah) / Βάρος μπαταρίας (kg)=ειδική ενέργεια ή πυκνότητα ενέργειας (Wh/kg).
Η ενεργειακή πυκνότητα διαφορετικών τύπων επαναφορτιζόμενων μπαταριών είναι η εξής:
Η ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας μολύβδου οξέος κυμαίνεται μεταξύ 50-70 Wh/kg.
Η ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας νικελίου-καδμίου κυμαίνεται μεταξύ 50-80 Wh/kg.
Η ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας νικελίου-υδριδίου μετάλλου κυμαίνεται μεταξύ 60-140 Wh/kg.
Η ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας ιόντων λιθίου-κυμαίνεται μεταξύ 150-300 Wh/kg.
Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος έχουν χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα. Εάν χρησιμοποιούνται για την οδήγηση ενός οικογενειακού αυτοκινήτου για περισσότερα από 200 χιλιόμετρα, απαιτούνται σχεδόν 1 τόνος μπαταριών, οι οποίες είναι πολύ βαριές για να χρησιμοποιηθούν ως πηγή ενέργειας για ηλεκτρικά οχήματα. Ένας άλλος λόγος είναι ότι το Pb είναι τοξικό, δεν είναι φιλικό προς το περιβάλλον και η απόδοση του κύκλου των μπαταριών μολύβδου-οξέος είναι κακή. Ενώ, η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι περίπου 150~300 Wh/kg, η οποία είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή των μπαταριών μολύβδου{10}οξέος, όπως και η απόδοση του κύκλου, επομένως οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι η καλύτερη επιλογή για την ανάπτυξη ηλεκτρικών οχημάτων νέας ενέργειας.
Επί του παρόντος, υπάρχουν δύο βασικοί τεχνικοί δρόμοι για μπαταρίες λιθίου υψηλής-ενέργειας-πυκνότητας στην αγορά: Οικονομικές μπαταρίες LiFePO4 και μπαταρίες μεσαίας-μεσαίας έως{4}}υψηλής-λιθίου νικελίου μαγγανίου κοβαλτίου (NMC).
Το 2015, οι μπαταρίες LiFePO4 ήταν το κύριο ρεύμα της αγοράς. Εκείνη την εποχή, η ενεργειακή πυκνότητα των περισσότερων συστημάτων μπαταριών LiFePO4 στην αγορά ήταν περίπου 70-90 Wh/kg, ενώ η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών NMC ήταν πολύ υψηλότερη, φτάνοντας τις 130 Wh/kg. Προκειμένου να ανοίξει γρήγορα η αγορά επιβατικών αυτοκινήτων που είναι ευαίσθητη στην αυτονομία οδήγησης, η κινεζική κυβέρνηση πρότεινε αρχικά να λάβει την πυκνότητα ενέργειας της μπαταρίας ως δείκτη αναφοράς στη νέα πολιτική επιδότησης ενεργειακών οχημάτων το 2016. Όσο μεγαλύτερη είναι η ενεργειακή πυκνότητα, τόσο περισσότερες επιδοτήσεις. Η δομή της αγοράς των μπαταριών LiFePO4 και των μπαταριών NMC άρχισε να αλλάζει και μεγάλες εταιρείες αυτοκινήτων άρχισαν να αντικαθιστούν τις μπαταρίες NMC σε μεγάλη κλίμακα. Από τον Ιούνιο του 2019, με την απόσυρση των επιδοτήσεων και το υψηλό κόστος παραγωγής των μπαταριών λιθίου NMC, οι μπαταρίες LiFePO4 έχουν επιστρέψει ως η κύρια ενεργειακή λύση στην αγορά. Για να προσαρμοστούν στην ανάπτυξη της αγοράς, όλοι οι μεγάλοι κατασκευαστές μπαταριών έχουν ξεκινήσει μια στρατηγική δύο γραμμών του LiFePO4 + NMC. Τώρα η μπαταρία LiFePO4 έχει φτάσει σε ενεργειακή πυκνότητα 210 Wh/kg.
Τι όριοεκδοενεργειακή πυκνότητα μπαταριών πολυμερών λιθίου;
Υπάρχουν τέσσερα βασικά μέρη μιας μπαταρίας λιθίου: άνοδος, κάθοδος, ηλεκτρόδιο και διάφραγμα, τα οποία επηρεάζουν όλα την ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας. Και τα ηλεκτρόδια είναι τα μέρη όπου συμβαίνουν χημικές αντιδράσεις. Το κλειδί για τη βελτίωση της ενεργειακής πυκνότητας των μπαταριών είναι η ανάπτυξη νέων υλικών ηλεκτροδίων και η βελτίωση των διαδικασιών παραγωγής.
Από τα παραπάνω μπορούμε να γνωρίζουμε ότι η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών λιθίου που αποτελούνται από LiFeO4 και το τριμερές υλικό Ni Co Mn είναι πολύ διαφορετικές. Οι διαφορετικές αναλογίες Ni, Co και Mn σε τριμερή υλικά θα προκαλέσουν επίσης διαφορές στην απόδοση της μπαταρίας. Όσο μεγαλύτερη είναι η αναλογία του Ni, τόσο μεγαλύτερη είναι η ειδική χωρητικότητα της μπαταρίας. Οι μπαταρίες του συστήματος θετικής καθόδου υψηλού Ni που προωθούνται επί του παρόντος έχουν πυκνότητα μάζας ενέργειας μεταξύ 240-300 Wh/kg (πυκνότητα ενέργειας όγκου 560Wh/L-650Wh/L).
Το κύριο υλικό ανόδου στην αγορά μπαταριών λιθίου είναι κυρίως γραφίτης (υλικό με βάση τον άνθρακα-), αλλά η τρέχουσα αποθήκευση ενέργειας των υλικών με βάση-άνθρακα είναι κοντά στο θεωρητικό ανώτατο όριο. Η ειδική χωρητικότητα των υλικών ανόδου με βάση το πυρίτιο-μπορεί να φτάσει τα 4200 mAh/g, που είναι πολύ υψηλότερη από τη θεωρητική ειδική χωρητικότητα των ανοδίων γραφίτη των 372 mAh/g. Με την εισαγωγή της ανόδου άνθρακα πυριτίου, η ενεργειακή πυκνότητα μάζας του στοιχείου μπαταρίας θα αναβαθμιστεί σε 300-400 Wh/kg (πυκνότητα όγκου ενέργειας 630Wh/L-750Wh/L), καθιστώντας έτσι ένα ισχυρό υποκατάστατο της ανόδου γραφίτη.
Σύναψη
Το μέλλον φαίνεται πολλά υποσχόμενο με την πιθανή ενσωμάτωση τεχνολογιών, οι οποίες θα μπορούσαν να ενισχύσουν περαιτέρω την ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών των drone. Η εξαιρετικά{1}}υψηλή ενεργειακή πυκνότητα στις μπαταρίες drone δεν είναι απλώς μια τεχνική βελτίωση αλλά και μια αλλαγή μετασχηματισμού που θα τροφοδοτήσει την επόμενη γενιά drones. Καθώς αυτή η τεχνολογία προχωρά, θα ξεκλειδώσει νέες δυνατότητες και θα επαναπροσδιορίσει τι μπορούν να επιτύχουν τα drones. Ας είμαστε έτοιμοι για μια νέα γενιά που έρχεται σύντομα!
