Введение в плотность энергии литий-ионных батарей

Можно сказать, что плотность энергии является самым большим узким местом, ограничивающим разработку современных литий-ионных батарей. Будь то мобильный телефон или электромобиль, люди ожидают, что удельная энергия аккумулятора выйдет на новый уровень, так что время автономной работы или запас хода больше не будут основным фактором, мешающим продукту.

От свинцово-кислотных аккумуляторов, никель-кадмиевых, никель-водородных аккумуляторов до литий-ионных аккумуляторов плотность энергии постоянно увеличивается. Однако скорость вознесения слишком мала по сравнению со степенью потребности человека в энергии по сравнению со скоростью промышленного масштаба. Некоторые даже шутили, что человеческий прогресс застрял в «батарее». Конечно, если однажды удастся достичь глобальной беспроводной передачи энергии, где бы вы ни получали энергию «по беспроводной сети» (например, сигнал сотового телефона), тогда людям больше не нужна батарея, и социальное развитие, естественно, не будет зависеть от батареи.

Ввиду текущей ситуации эта плотность энергии стала узким местом. Страны по всему миру сформулировали соответствующие цели политики в области аккумуляторных батарей и рассчитывают привести отрасль аккумуляторных батарей к значительному прорыву в области плотности энергии. Цели на 2020 год, установленные правительствами или отраслевыми организациями Китая, США, Японии и других стран, в основном указывают на значение 300 Вт · ч / кг, что почти вдвое превышает текущий уровень. Долгосрочная цель к 2030 году - достичь 500 или даже 700 Втч / кг. Для достижения этой цели в производстве аккумуляторов должен произойти крупный прорыв в химической системе.

Есть много факторов, которые влияют на удельную энергию литий-ионных аккумуляторов. Каковы очевидные ограничения существующих химических систем и структур литий-ионных аккумуляторов?

Как мы проанализировали ранее, роль носителя электроэнергии на самом деле играет литий в батарее. Другие вещества являются «отходами», но для получения стабильного, непрерывного и безопасного носителя электроэнергии без этих «отходов» не обойтись. . Например, в литий-ионной батарее масса лития обычно превышает 1%, а оставшиеся 99% - это другие вещества, не несущие в себе накопителя энергии. У Эдисона есть известная поговорка, что успех - это 99% пота плюс 1% таланта. Кажется, что этот принцип универсален. 1% - это сафлор, а остальные 99% - зеленые листья.

Итак, чтобы увеличить плотность энергии, первое, о чем мы думаем, - это увеличить долю лития и в то же время позволить как можно большему количеству ионов лития вытекать из положительного электрода, перемещаться к отрицательному электроду, а затем возвращаться к нему. положительный электрод из исходного номера отрицательного электрода (не может быть уменьшен) повторная транспортировка энергии.

1. Увеличьте долю позитивных активных материалов.

Увеличение доли положительных активных материалов в основном связано с увеличением доли лития. В той же химической системе батареи содержание лития повышается (другие условия не меняются), и соответственно повышается плотность энергии. Поэтому при определенных ограничениях по объему и весу мы надеемся, что положительного активного материала будет все больше и больше.

2. Увеличьте долю отрицательных активных материалов.

На самом деле это делается для увеличения количества активного материала положительных элементов, и для этого требуется больше активного материала отрицательных элементов, чтобы вмещать ионы лития, которые плавают и накапливают энергию. Если отрицательного активного материала недостаточно, дополнительные ионы лития будут осаждаться на поверхности отрицательного электрода вместо того, чтобы быть встроенными внутрь, вызывая необратимые химические реакции и снижение емкости батареи.

3. Увеличьте удельную емкость материала положительного электрода (грамм).

Доля положительных активных веществ имеет верхний предел и не может быть увеличена без ограничений. В случае определенного количества положительных активных веществ плотность энергии может быть увеличена только тогда, когда как можно больше ионов лития удаляются с положительного электрода и участвуют в химической реакции. Таким образом, мы хотим иметь высокий процент удаляемых ионов лития по отношению к активному аноду, что выше, чем показатель емкости.

Вот почему мы изучили и выбрали различные катодные материалы, от кобальтата лития до фосфата лития-железа и тройных материалов.

Как было проанализировано ранее, кобальтат лития может достигать 137 мАч / г, фактические значения манганата лития и фосфата лития-железа составляют около 120 мАч / г, а тройной никель-кобальт-марганец может достигать 180 мАч / г. Если вы хотите подняться снова, вам нужно исследовать новые катодные материалы и добиться прогресса в индустриализации.

4. Повышение удельной емкости анодного материала.

Напротив, удельная емкость анодного материала не является основным узким местом плотности энергии литий-ионной батареи, но если удельная емкость анода дополнительно увеличивается, это означает, что катодный материал с меньшей массой может вместить больше лития. ионы. Достичь цели увеличения плотности энергии.

Графитовый углеродный материал используется в качестве отрицательного электрода, а теоретическая удельная емкость составляет 372 мАч / г. На основе твердого углеродного материала и наноуглеродного материала удельная емкость может быть увеличена до 600 мАч / г или более. Анодные материалы на основе олова и кремния также могут увеличить удельную емкость отрицательного электрода до очень высокого уровня, что является горячей точкой текущих исследований.

5. Снижение веса.

Помимо активных материалов положительных и отрицательных электродов, электролитов, сепараторов, связующих, проводящих агентов, токосъемников, подложек, материалов оболочки и т. Д., Это «собственный вес» литий-ионных батарей, составляющий массу вся батарея в районе 40%. Если вес этих материалов можно уменьшить, не влияя на характеристики батареи, удельная энергия литий-ионной батареи также может быть увеличена.

Чтобы поднять этот вопрос, необходимо провести подробные исследования и анализ электролитов, сепараторов, связующих, подложек и токоприемников, материалов оболочки, производственных процессов и т. Д., Чтобы найти разумное решение. Улучшения во всех аспектах могут увеличить удельную энергию батареи на целую величину.

Из приведенного выше анализа видно, что повышение плотности энергии литий-ионных батарей - это систематический проект. Начиная с улучшения производственных процессов, улучшения характеристик существующих материалов и разработки новых материалов и новых химических систем, ищите краткосрочные, среднесрочные и долгосрочные решения.

Страница содержит содержимое машинного перевода.