Miksi energiatiheydellä on väliäs drone/UAV-markkinoilla
Droneteollisuuden eksponentiaalinen kasvu riippuu merkittävästi akkuteknologian edistymisestä. Ultra-suuresta energiatiheydestä on tulossa kriittinen tekijä pitkien lentojen ja monipuolisempien sovellusten tehostamisessa.
Suurempi energiatiheys tarkoittaa, että droonit voivat lentää pidempään ja kantaa enemmän painoa. Tämä ominaisuus on ratkaisevan tärkeä droonien käytön laajentamiseksi valokuvauksen lisäksi kuljetukseen, valvontaan ja ympäristön seurantaan.
Edut kaupalliseen droneihins & Ympäristövaikutus
Kaupalliset droonit, erityisesti ne, joita käytetään pakettien toimittamisessa ja teollisissa tarkastuksissa, hyötyvät valtavasti korkean energiatiheyden akuista. Ne voivat kulkea pitkiä matkoja yhdellä latauksella, mikä tekee niistä tehokkaampia ja kustannustehokkaampia.
Korkean energiatiheyden akut ovat myös ympäristöystävällisempiä. Ne kestävät pidempään ja vähentävät paristojen vaihtotiheyttä, mikä pienentää drone-toiminnan ympäristöjalanjälkeä.
Mikä on akun energiatiheys?
Energiatiheys on se, kuinka paljon energiaa varastoituu yksikkötilaan tai aineen massayksikköön. Akun energiatiheys on se, kuinka paljon akun keskimääräisen yksikkötilavuuden tai -massan vapauttamaa sähköenergiaa, joka yleensä jaetaan kahteen ulottuvuuteen: painoenergiatiheys ja tilavuusenergiatiheys.
Akun painoenergiatiheys voidaan yksinkertaisesti laskea tällä kaavalla: Nimellisjännite (V) * Nimelliskapasiteetti (Ah) / Akun paino (kg)=ominaisenergia tai energiatiheys (Wh/kg).
Erityyppisten ladattavien akkujen energiatiheys on seuraava:
Lyijyakun energiatiheys vaihtelee välillä 50-70 Wh/kg;
Nikkeli{0}}kadmiumpariston energiatiheys vaihtelee välillä 50-80 Wh/kg;
Nikkeli{0}}metallihydridiakun energiatiheys vaihtelee välillä 60-140 Wh/kg;
Litium{0}}ioniakun energiatiheys vaihtelee välillä 150-300 Wh/kg;
Lyijyakkujen-energiatiheys on alhainen. Jos niillä ajetaan perheautolla yli 200 km, se vaatii lähes 1 tonnin akkuja, mikä on liian raskasta käytettäväksi sähköajoneuvojen virtalähteenä. Toinen syy on se, että Pb on myrkyllistä, ei ympäristöystävällistä, ja lyijyakkujen syklin suorituskyky on huono. Litium-ioniakkujen energiatiheys on noin 150–300 Wh/kg, mikä on paljon korkeampi kuin lyijyakkujen, samoin syklin suorituskyvyn kanssa, joten litiumioniakut ovat paras valinta uusien energiakäyttöisten sähköajoneuvojen kehittämiseen.
Tällä hetkellä markkinoilla on kaksi pääasiallista teknistä reittiä korkean{0}}energiatiheyden-litiumparistoille: taloudelliset LiFePO4-akut ja keski---korkealaatuiset-litium-nikkeli-mangaanikobolttioksidiakut (NMC).
Vuonna 2015 LiFePO4-akut olivat markkinoiden valtavirta. Tuolloin useimpien markkinoilla olevien LiFePO4-akkujärjestelmien energiatiheys oli noin 70-90Wh/kg, kun taas NMC-akkujen energiatiheys oli paljon korkeampi ja oli 130Wh/kg. Ajomatkaherkkien henkilöautomarkkinoiden avaamiseksi nopeasti Kiinan hallitus ehdotti akkujen energiatiheyden ottamista vertailuindikaattoriksi uudessa energiaajoneuvon tukipolitiikassa vuonna 2016. Mitä suurempi energiatiheys, sitä enemmän tukia. LiFePO4-akkujen ja NMC-akkujen markkinarakenne alkoi muuttua, ja suuret autoyhtiöt alkoivat vaihtaa NMC-akkuja laajasti. Kesäkuusta 2019 lähtien tukien peruuntumisen ja NMC-litiumparistojen korkeiden tuotantokustannusten myötä LiFePO4-akut ovat palanneet markkinoiden tärkeimmäksi energiaratkaisuksi. Sopeutuakseen markkinoiden kehitykseen kaikki suuret akkuvalmistajat ovat aloittaneet kaksilinjaisen LiFePO4 + NMC:n strategian. Nyt LiFePO4-akku on saavuttanut energiatiheyden 210Wh/kg.
Mikä rajatoimthelitiumpolymeeriakkujen energiatiheys?
Litiumakussa on neljä avainosaa: anodi, katodi, elektrodi ja kalvo, jotka kaikki vaikuttavat akun energiatiheyteen. Ja elektrodit ovat paikkoja, joissa tapahtuu kemiallisia reaktioita. Avain paristojen energiatiheyden parantamiseen on uusien elektrodimateriaalien kehittäminen ja tuotantoprosessien parantaminen.
Yllä olevasta voimme tietää, että LiFeO4:sta ja kolmiosaisesta materiaalista Ni Co Mn koostuvien litiumakkujen energiatiheydet ovat hyvin erilaisia. Erilaiset Ni-, Co- ja Mn-suhteet kolmikomponenttisissa materiaaleissa aiheuttavat myös eroja akun suorituskyvyssä. Mitä suurempi Ni:n osuus, sitä suurempi on akun ominaiskapasiteetti. Tällä hetkellä edistettävän korkean Ni-positiivisen katodijärjestelmän akkujen massaenergiatiheys on 240-300 Wh/kg (tilavuusenergiatiheys 560Wh/L-650Wh/l).
Litiumparistomarkkinoiden yleisin anodimateriaali on pääasiassa grafiittia (hiili-pohjainen materiaali), mutta hiili-pohjaisten materiaalien energiavarastointi on tällä hetkellä lähellä teoreettista ylärajaa. Pii-pohjaisten anodimateriaalien ominaiskapasiteetti voi olla 4200 mAh/g, mikä on paljon suurempi kuin grafiittianodien teoreettinen ominaiskapasiteetti 372 mAh/g. Piihiilianodin käyttöönoton myötä akkukennon massaenergiatiheys nostetaan arvoon 300-400Wh/kg (volyymienergiatiheys 630Wh/L-750Wh/L), jolloin siitä tulee tehokas grafiittianodin korvike.
Johtopäätös
Tulevaisuus näyttää lupaavalta teknologioiden mahdollisen integroinnin suhteen, mikä voisi entisestään lisätä drone-akkujen energiatiheyttä. Drone-akkujen ultra-suuri energiatiheys ei ole vain tekninen parannus, vaan myös muutos, joka tulee toimimaan seuraavan sukupolven droneissa. Tämän tekniikan kehittyessä se avaa uusia mahdollisuuksia ja määrittelee uudelleen, mitä droonit pystyvät saavuttamaan. Ollaan valmiita uuden sukupolven tuloon lähitulevaisuudessa!
