글로벌 해운 업계의 녹색 및 효율적인 개발 추구의 맥락에서, 독특한 장점을 갖춘 해양 리튬 이온 배터리는 점차 핵심적인 힘을 주도하는 산업 변화가되고 있습니다. 해양 리튬 이온 배터리의 깊이 기술 분석을 수행하면이 새로운 전원의 개발 상태와 잠재력을 종합적으로 이해하는 데 도움이됩니다.

I. 해양 리튬 - 이온 배터리의 핵심 기술 구성 요소

(i) 전극 재료 기술

음극 재료

3 원 재료 (리튬 니켈 코발트 망간 산화물 Li (NICOMN) OAT 또는 리튬 니코 니코 코발트 알루미늄 LI (NICOAL) OAL) : Ternary 재료는 높은 에너지 밀도를 가지므로보다 강력한 전력 출력과 선박에 더 긴 순항 범위를 제공 할 수 있습니다. 순항 범위에 대한 엄격한 요구 사항을 가진 일부 해양 - 진행 연구 용기 및 고급 요트에서, 3 배의 리튬 이온 배터리는 높은 에너지 밀도 이점으로 인해 긴 기간 및 장기 거리 항해 중에 선박의 전력 수요를 충족시킬 수 있습니다. 그러나, 3 원 재료는 높은 온도 환경에서 열 안정성이 좋지 않으며 안전성이 상대적으로 낮습니다. 해양 환경에서 안전하고 안정적인 작동을 보장하기 위해서는 정확하고 복잡한 배터리 관리 시스템 (BMS)이 필요하므로 비용과 기술적 어려움이 어느 정도 증가합니다.

리튬 철 포스페이트 (LifePo₄) : 리튬 철 포스페이트 물질은 기술 성숙도가 높으며 조선 장에서 널리 사용됩니다. 열 런 어웨이 온도가 높고 안전성이 우수합니다. 가혹한 환경 조건에서도 화재 및 폭발과 같은 심각한 안전 사고를 효과적으로 피할 수 있으므로 내륙 유람선 및 짧은 원거리 승객 페리와 같은 집중 선박에 특히 적합합니다. 동시에 리튬 - 철 - 인산염 배터리는 긴 사이클 수명을 가지고 있습니다. 충전 및 배출 공정에서 배터리 구조가 안정적이며 용량 붕괴 속도가 느립니다. 또한, 원자재는 풍부하고 비용은 상대적으로 낮으므로 비용 - 효과가 상당한 이점을 나타냅니다.

양극 재료

흑연 - 기반 양극 재료 : 전통적인 흑연 양극 재료는 상대적으로 높은 이론적 특이 용량 (약 372 mAh/g)을 가지며, 비용이 상대적으로 낮고 기술이 성숙하여 해양 리튬 이온 배터리에 일반적으로 사용됩니다. 리튬 이온에 대한 많은 수의 삽입 부위를 제공하여 배터리의 충전 및 배출 공정 동안 리튬 이온의 빠르고 안정적인 전달을 보장 할 수 있습니다. 그러나 배터리 성능에 대한 요구 사항이 지속적으로 개선되면서 흑연 양극 재료의 에너지 밀도 개선이 병목 현상을 일으켰습니다.

새로운 양극 재료의 탐색 : 흑연 양극의 한계를 뚫기 위해 연구원들은 실리콘 기반 양극 재료와 같은 새로운 양극 재료를 적극적으로 탐색하고 있습니다. 실리콘의 이론적 특이 적 용량은 4200 mAh/g, 흑연보다 10 배 이상 높다. 그러나, 실리콘 - 기반 재료는 충전 및 배출 공정 동안 상당한 부피 팽창을 경험하여 전극 구조의 파괴와 사이클 성능의 감소를 초래할 것이다. 현재 나노 기술 및 복합 기술과 같은 수단을 통해 실리콘 기반 양극 재료의 성능을 향상시키는 것은 연구 핫스팟이되었으며 앞으로 해양 리튬 이온 배터리에 적용될 것으로 예상되어 배터리의 에너지 밀도를 크게 향상시킬 것으로 예상됩니다.

(ii) 전해질 기술

액체 전해질

유기 전해질 : 현재 대부분의 해양 리튬 - 이온 배터리는 유기 전해질을 사용하며 주요 성분에는 유기 용매 및 리튬 염이 포함됩니다. 일반적인 유기 용매에는 에틸렌 탄산염 (EC), 디메틸 탄산염 (DMC) 등과 같은 탄산염이 포함됩니다. 리튬 염에 대한 용해도와 높은 이온 전도도가 우수하여 배터리의 양성과 음성 전극 사이의 리튬 이온의 빠른 이동을 보장합니다. 리튬 헥사 플루오로 포스페이트 (LIPF₆)는 일반적으로 리튬 염으로 선택되며, 이는 유기 용매에 리튬 이온을 효과적으로 분리하고 배터리 충전 및 방전을위한 충전 캐리어를 제공 할 수 있습니다. 그러나 유기 전해질에는 가연성 및 변동성과 같은 안전 위험이 있습니다. 해양 환경에서는 배터리가 누출되면 화재와 같은 심각한 사고가 발생할 수 있습니다.

고체 전해질

중합체 고체 전해질 : 중합체 고체 전해질은 폴리에틸렌 옥사이드 (PEO) 등과 같은 매트릭스로서 중합체 폴리머를 사용하고, 리튬 염으로 화합물을 통해 이온 전도도를 갖는 전해질 시스템을 형성한다. 유연성이 우수하며 전극 재료에 밀접하게 부착되어 배터리의 인터페이스 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 동시에, 중합체 고체 전해질은 가연성이없고 누출 위험이 없으므로 배터리의 안전성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 그러나, 이온 전도도는 특히 낮은 온도 환경에서 상대적으로 낮습니다. 이온 수송 속도는 제한되어 배터리 성능에 영향을 미칩니다.

무기 고체 전해질 : Garnet- 유형 및 Nasicon과 같은 무기 고체 전해질은 이온 전도도가 높고 화학적 안정성이 우수합니다. 그 중 Garnet -Type 고체 전해질은 리튬 금속과 호환성이 우수하며 높은 에너지 밀도 리튬 - 금속 배터리에 적용될 것으로 예상됩니다. 그러나, 무기 고체 전해질의 제조 공정은 복잡하고 비용이 높으며 전극 재료와의 인터페이스 접촉 저항이 큽니다. 이러한 문제는 대규모 스케일 응용 프로그램을 제한합니다. 현재 연구원들은 준비 프로세스를 최적화하고 인터페이스 성능을 향상시켜 해양 리튬 이온 배터리에서 무기 고체 전해질의 적용 공정을 촉진하기 위해 노력하고 있습니다.

(iii) 배터리 관리 시스템 (BMS) 기술

배터리 상태 모니터링

전압 모니터링 : BMS는 높은 정밀 전압 센서를 사용하여 각 배터리 셀의 전압을 실제 시간으로 모니터링합니다. 해양 리튬 - 이온 배터리는 일반적으로 직렬로 연결되고 평행 한 다수의 배터리 셀로 구성되므로 셀들의 전압 일관성은 배터리 팩의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 셀 전압이 너무 높거나 너무 낮은 것으로 밝혀지면, BMS는 셀의 과충전 또는 오버 배출을 피하고 배터리 팩의 안전하고 안정적인 작동을 보장하기 위해 충전 및 배출을 동일화하는 것과 같은 적절한 조치를 취합니다. 예를 들어, 선박 항해 중에, 배터리 셀이 내부 마이크로 - 짧은 회로 또는 기타 이유로 인해 비정상적인 전압 강하를 경험하면 BMS는이를 신속하게 감지하고 충전 및 방전 전략을 조정하여 셀에 대한 추가 손상을 방지하고 전체 배터리 팩의 성능에 영향을 줄 수 있습니다.

현재 모니터링 : 배터리의 충전 및 방전 전류를 정확하게 모니터링하는 것은 배터리의 충전 상태 (SOC) 및 상태 (SOH)를 평가하는 데 중요합니다. BMS는 전류 센서를 사용하여 배터리의 전류 데이터를 실제 시간으로 수집하고 배터리의 충전 및 방전 용량을 계산합니다. 동시에, 현재 변화율과 같은 매개 변수를 기반으로 BMS는 배터리가 과도한 현재 상태인지 여부를 결정할 수 있습니다. 오버 - 전류가 감지되면 즉시 보호 메커니즘을 트리거하고 회로를 차단하여 배터리가 큰 전류 영향으로 인해 손상되지 않도록합니다.

온도 모니터링 : 해양 환경은 복잡하고 변경 가능하며 배터리 온도는 주변 온도 및 충전 및 배출 속도와 같은 다양한 요인에 영향을받습니다. 온도가 과도하거나 너무 낮은 온도는 배터리의 성능과 수명에 심각하게 영향을 미치며 안전 사고를 유발할 수도 있습니다. BMS는 배터리 팩의 다른 위치에 배포 된 여러 온도 센서를 사용하여 배터리 온도를 실제로 모니터링합니다. 온도가 너무 높으면 냉각 팬 및 액체 냉각 시스템과 같은 냉각 장치를 시작합니다. 온도가 너무 낮 으면 배터리 온도를 적절한 작업 범위 내에서 유지하기 위해 가열 요소가 켜집니다. 예를 들어, 더운 여름에는 배가 열대 해역에서 항해 할 때 배터리 팩의 온도가 상승 할 가능성이 높습니다. BMS는 액체 - 냉각 시스템을 자동으로 제어하여 냉각수 유량을 증가시켜 배터리 온도를 줄이고 내 안정적인 배터리 성능을 보장 할 수 있습니다.

배터리 이퀄라이제이션 관리

활성 이퀄라이제이션 : 활성 이퀄라이제이션 기술은 에너지 - 인덕터 및 커패시터와 같은 스토리지 부품을 사용하여 배터리 셀에서 에너지를 충전량이 적은 배터리 셀로 전하하여 배터리 셀간에 충전 등화를 달성합니다. 이 이퀄라이제이션 방법은 셀 간의 전하 차이를 빠르고 효과적으로 감소시켜 배터리 팩의 전반적인 성능 및 서비스 수명을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 배터리 팩의 충전 프로세스 중에 활성 이퀄라이제이션 시스템은 각 셀의 충전을 실제 시간으로 모니터링 할 수 있습니다. 다른 세포의 전하가 낮은 반면, 다른 세포의 전하가 낮다는 것이 발견되면,이 세포의 에너지의 일부를 다른 세포로 적극적으로 전달하여 모든 세포를 완전히 전하하고 일부 세포의 과충전을 피할 수있게한다.

패시브 이퀄라이제이션 : 수동적 이퀄라이제이션은 각 배터리 셀과 병렬로 저항을 연결하는 것입니다. 특정 셀의 전압이 설정 임계 값보다 높을 때,이 셀의 초과 전하는 저항을 통한 열 형태로 소비되어 전압 등화를 달성합니다. 수동적 이퀄라이제이션 기술은 단순하고 비용이 적지 만 많은 양의 에너지를 소비하고 비교적 속도가 느리면 비용 - 민감도와 작은 배터리 팩 규모의 해양 리튬 이온 배터리 시스템에 적합합니다.

안전 보호 기능

과하의 보호 : 배터리 전압이 과하 충전 방지 임계 값에 도달하면 BMS는 즉시 충전 회로를 차단하여 배터리가 과충전으로 인한 붓기, 화재 및 폭발과 같은 심각한 사고가 발생하지 않도록합니다. 예를 들어, 선박 해안 - 측면 충전 공정 중에 충전 장비가 실패하면 충전 전압이 지속적으로 증가하면 BMS의 과잉 보호 기능이 신속하게 활성화되어 배터리 및 선박의 ​​안전을 보장합니다.

오버 - 배출 방지 : 배터리 전압이 오버 방전 보호 임계 값으로 떨어지면 BMS는 배터리의 배전을 피하기 위해 방전 회로를 절단합니다. 오버 - 배출은 배터리의 돌이킬 수없는 용량 부패로 이어지고 배터리 수명을 단축시킬 것입니다. 배의 항해 중에 배터리 전원이 고갈에 가까울 때 BMS는 경보를 발행하고 선박 전기 장비의 전력을 제한하여 주요 장비의 작동을 우선적으로 제공합니다. 동시에 배터리가 오버가 방전되는 것을 방지하기 위해 비 필수 부하를 즉시 차단합니다.

오버 전류 보호 : 위에서 언급 한 바와 같이, 배터리의 충전 및 방전 전류가 안전 임계 값을 초과하도록 감지되면 BMS는 회로를 빠르게 절단하여 대형 전류로 인한 열 런 어웨이로 배터리가 손상되지 않도록합니다. 또한 BMS에는 짧은 회로 보호 기능이 있습니다. 배터리에서 내부 또는 외부 단락 - 회로가 발생하면 짧은 시간 내에 회로를 절단하여 짧은 회로 전류로 인한 안전 사고를 피할 수 있습니다.

II. 해양 리튬의 도전 및 대책 - 이온 배터리 기술

(i) 에너지 밀도 개선의 병목 현상

현재 해양 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도는 해운 산업에서 긴 범위 순항에 대한 수요 증가에 비해 상당한 진전을 보였지만 여전히 개선의 여지가 있습니다. 이 병목 현상을 뚫기 위해서는 실리콘 - 기반 양극 재료 및 위에서 언급 한 니켈 3 차 음극 재료와 같은 새로운 전극 재료의 지속적인 연구 및 개발이 필요합니다. 재료 구조 및 성능을 최적화함으로써 전극의 특정 용량을 증가시킬 수 있습니다. 반면에 배터리 구조 설계의 혁신을 수행해야합니다. 보다 작고 효율적인 배터리 - 팩 설계 체계를 채택하여 배터리 팩 내부의 비 활성 재료의 비율을 줄이고 공간 활용을 개선하여 선박의 제한된 공간에서 더 높은 에너지 저장을 달성해야합니다.

(ii) 안전 위험

해양 환경은 복잡하고 가혹하며 고온, 높은 습도, 진동 및 충격과 같은 요인은 모두 리튬 이온 배터리의 안전성에 위협을 가할 수 있습니다. 안전성을 향상시키기 위해, 더 안전한 전극 재료 (예 : 리튬 철 포스페이트) 및 전해질 (예 : 고체 전해질)을 선택하는 것 외에도 BMS의 안전성 보호 기능을 더욱 향상시키고 배터리 상태를 모니터링 할 때 정확도 및 응답 속도를 향상시켜야합니다. 동시에, 배터리 제조 공정에 엄격한 제어를 가해 배터리의 안정적인 내부 구조와 신뢰할 수있는 연결을 보장하여 제조 결함으로 인한 안전 위험을 줄여야합니다. 또한 배터리 안전 조기 경고 모델을 설정하고 빅 데이터 및 인공 지능과 같은 기술을 사용하여 배터리의 잠재적 안전 문제를 미리 예측할 수 있으며 선박의 안전한 항해를 보장하기 위해 예방 조치를 취할 수 있습니다.

(iii) 높은 비용

해양 리튬 이온 배터리의 높은 비용은 대규모 스케일 홍보 및 응용 프로그램을 제한합니다. 비용 절감은 여러 측면에서 달성 될 수 있습니다. 원료 측면에서 새로운 원료를 개발하거나 원료 조달 공급망을 최적화함으로써 원자재 비용을 줄일 수 있습니다. 생산 및 제조 공정에서 생산 자동화 정도를 늘리고 생산 규모를 확장하면 단위 제품 당 생산 비용이 줄어들 수 있습니다. 동시에, 배터리의 사이클 수명과 신뢰성을 향상시키고, 배터리 교체 빈도를 줄이고, 장기 사용 비용의 관점에서 선주의 전반적인 투자를 줄입니다. 또한 기술 진보로 배터리 재활용 산업의 개발은 배터리의 전체 생명주기 비용을 줄이는 데 도움이 될 것입니다. 중고 배터리에서 귀중한 금속을 재활용함으로써 자원 재활용을 실현하여 원료 조달 비용을 줄일 수 있습니다.

III. 해양 리튬 - 이온 배터리 기술의 개발 동향

(i) 솔리드 스테이트 배터리 기술의 상승

고체 - 상태 배터리는 높은 에너지 밀도와 높은 안전성의 장점을 가진 해양 리튬 이온 배터리 기술 개발을위한 중요한 방향이되었습니다. 고체 전해질 기술의 지속적인 돌파구는 중합체 고체 전해질의 이온 전도도를 증가시키고 무기 전해질의 준비 비용 및 인터페이스 저항을 줄이면, 고체 배터리는 향후 5-10 년 이내에 조선에서 점차적으로 상용화되고 적용될 것으로 예상된다. 일단 실현되면, 선박의 순항 범위와 안전을 크게 향상시키고보다 효율적이고 환경 친화적 인 방향으로 발전하도록 운송 산업을 홍보 할 것입니다.

(ii) 지능형 배터리 관리 시스템의 심화 적용

사물 인터넷, 빅 데이터 및 인공 지능과 같은 기술의 빠른 개발로 인해 해양 리튬 이온 배터리의 BMS는 지능적인 방향으로 깊이 진화합니다. 미래의 BMS는 정확한 배터리 상태 모니터링, 이퀄라이제이션 관리 및 안전 보호를 달성 할 수있을뿐만 아니라 다른 선박 시스템과의 상호 연결 및 통신을 통해 선박의 전반적인 에너지에 대한 최적의 관리를 실현할 것입니다. 예를 들어, 선박의 내비게이션 상태,로드 수요 및 기타 정보에 따라 배터리의 충전 및 배출 전략을 지능적으로 조정하여 에너지 활용 효율을 향상시킬 수 있습니다. 동시에 큰 데이터 분석 및 인공 지능 알고리즘을 사용하여 배터리의 건강 상태를 정확하게 예측할 수 있으며, 선박의 운영 위험을 줄이기 위해 유지 보수 계획을 미리 배열 할 수 있습니다.

(iii) 다른 에너지 - 스토리지 기술과의 통합 개발

다양한 작업 조건 하에서 선박의 복잡한 에너지 요구를 충족시키기 위해 해양 리튬 이온 배터리는 슈퍼 커패시터 및 플라이휠 에너지 저장과 같은 다른 에너지 - 저장 기술과 통합 될 것입니다. 슈퍼 커패시터는 높은 전력 밀도 및 빠른 충전 및 배출과 같은 특성을 가지고 있습니다. 선박 시작 및 가속도와 같은 즉각적인 전력 요구가있는 시나리오에서 리튬 이온 배터리와 협력하여 리튬 이온 배터리에 대한 대규모 방전 압력을 줄이고 리튬 이온 배터리의 서비스 수명을 연장 할 수 있습니다. 플라이휠 에너지 저장은 선박의 제동 및 감속 공정 중에 생성 된 에너지를 저장하는 데 사용하여 에너지 회복 및 재사용을 실현할 수 있습니다. 다중 에너지 - 스토리지 기술의 유기적 통합을 통해보다 효율적이고 안정적이며 신뢰할 수있는 선박 통합 에너지 - 스토리지 시스템을 구성하여 선박의 전반적인 성능 및 에너지 활용 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

해양 리튬 - 이온 배터리 기술은 빠른 개발과 변형의 단계에 있습니다. 기술 혁신의 지속적인 발전으로 많은 도전에 직면하지만 해운 산업의 응용 전망은 점점 더 광범위해질 것이며, 전 세계 운송 산업의 녹색 혁신을 주도하는 핵심 전력 기술이 될 것으로 예상됩니다.