Hvorfor energitæthed betyder nogets på Drone/UAV-markedet
Droneindustriens eksponentielle vækst afhænger i høj grad af fremskridt inden for batteriteknologi. Ultra-høj energitæthed er ved at blive en kritisk faktor i forbindelse med længere flyvninger og mere alsidige applikationer.
En højere energitæthed betyder, at droner kan flyve længere og bære mere vægt. Denne evne er afgørende for at udvide dronebrug ud over fotografering til at omfatte transport, overvågning og miljøovervågning.
Fordele for kommerciel drones & Miljøpåvirkning
Kommercielle droner, især dem, der bruges til levering af pakker og industrielle inspektioner, har stor fordel af batterier med høj energitæthed. De kan rejse længere afstande på en enkelt opladning, hvilket gør dem mere effektive og omkostningseffektive-.
Batterier med høj energitæthed er også mere miljøvenlige. De holder længere og reducerer hyppigheden af batteriudskiftninger, hvilket mindsker det miljømæssige fodaftryk af droneoperationer.
Hvad er batteriets energitæthed?
Energitæthed er, hvor meget energi der er lagret i enhedsrum eller enhedsmasse af stof. Energitætheden af et batteri er, hvor meget den elektriske energi frigives af den gennemsnitlige enhedsvolumen eller masse af batteriet, som generelt er opdelt i to dimensioner: vægt energitæthed og volumen energitæthed.
Batteriets vægtenergitæthed kan nemt beregnes med denne formel: Nominel spænding (V) * Nominel kapacitet (Ah) / Batterivægt (kg)=specifik energi eller energitæthed (Wh/kg).
Energitætheden for forskellige typer genopladelige batterier er som følger:
Energitætheden for blybatterier ligger mellem 50-70 Wh/kg;
Energitætheden for nikkel-cadmiumbatterier ligger mellem 50-80 Wh/kg;
Energitætheden for nikkel-metalhydridbatterier ligger mellem 60-140 Wh/kg;
Energitætheden for lithium-ionbatterier ligger mellem 150-300 Wh/kg;
Bly-syrebatterier har en lav energitæthed. Hvis de bruges til at køre en familiebil i mere end 200 km, kræver det næsten 1 ton batterier, hvilket er for tungt til at blive brugt som strømkilde til elbiler. En anden grund er, at Pb er giftigt, ikke miljøvenligt, og bly-syrebatteriers cyklusydelse er dårlig. Hvorimod energitætheden for lithium-ion-batterier er omkring 150~300Wh/kg, hvilket er meget højere end for bly{10}}syrebatterier, ligeledes med cyklusydelsen, så lithium-ion-batterier er det bedste valg til udvikling af nye energikøretøjer.
I øjeblikket er der to vigtigste tekniske veje til høj-energi-densitetslithiumbatterier på markedet: Økonomiske LiFePO4-batterier og mellem-til-høje-lithium-nikkel-mangan-koboltoxid-(NMC)-batterier.
I 2015 var LiFePO4-batterier hovedstrømmen på markedet. På det tidspunkt var energitætheden for de fleste LiFePO4-batterisystemer på markedet omkring 70-90Wh/kg, mens energitætheden for NMC-batterier var meget højere og nåede 130Wh/kg. For hurtigt at åbne det personbilsmarked, der er følsomt over for rækkevidde, foreslog den kinesiske regering først at tage batteriets energitæthed som referenceindikator i den nye tilskudspolitik for energikøretøjer i 2016. Jo højere energitæthed, jo flere subsidier. Markedsstrukturen for LiFePO4-batterier og NMC-batterier begyndte at ændre sig, og store bilfirmaer begyndte at erstatte NMC-batterier i stor skala. Siden juni 2019, med tilbagetrækningen af tilskud og de høje produktionsomkostninger for NMC lithium-batterier, er LiFePO4-batterierne vendt tilbage til at være den vigtigste energiløsning på markedet. For at tilpasse sig markedsudviklingen har alle store batteriproducenter startet en tolinjestrategi af LiFePO4 + NMC. Nu har LiFePO4-batteriet nået en energitæthed på 210Wh/kg.
Hvilken grænseudgdelithium polymer batterier energitæthed?
Der er fire nøgledele af et lithiumbatteri: anode, katode, elektrode og membran, som alle påvirker batteriets energitæthed. Og elektroderne er de steder, hvor der opstår kemiske reaktioner. Nøglen til at forbedre batteriernes energitæthed er at udvikle nye elektrodematerialer og forbedre produktionsprocesserne.
Ud fra ovenstående kan vi vide, at energitætheden af lithiumbatterier sammensat af LiFeO4 og det ternære materiale Ni Co Mn er meget forskellige. Forskellige forhold mellem Ni, Co og Mn i ternære materialer vil også forårsage forskelle i batteriets ydeevne. Jo højere andelen af Ni er, jo højere er batteriets specifikke kapacitet. De høje Ni-positive katodesystembatterier, der i øjeblikket promoveres, har en masseenergitæthed mellem 240-300Wh/kg (volumenenergitæthed 560Wh/L-650Wh/L).
Det almindelige anodemateriale på lithiumbatterimarkedet er hovedsageligt grafit (kulstof-baseret materiale), men den nuværende energilagring af kulstof-baserede materialer er tæt på den teoretiske øvre grænse. Den specifikke kapacitet af silicium-baserede anodematerialer kan nå 4200mAh/g, hvilket er meget højere end den teoretiske specifikke kapacitet af grafitanoder på 372mAh/g. Med introduktionen af silicium carbon anode vil battericellens masseenergitæthed blive opgraderet til 300-400Wh/kg (volumen energitæthed 630Wh/L-750Wh/L), og dermed blive en stærk erstatning for grafit anode.
Konklusion
Fremtiden ser lovende ud med den potentielle integration af teknologier, som yderligere kan øge dronebatteriernes energitæthed. Ultra-høj energitæthed i dronebatterier er ikke kun en teknisk forbedring, men også et transformationsskift, der vil drive næste generation af droner. Efterhånden som denne teknologi udvikler sig, vil den låse op for nye muligheder og omdefinere, hvad droner er i stand til at opnå. Lad os være klar til en ny generation, der snart kommer i nær fremtid!
