Прогресс и проблемы литий-ионных аккумуляторов в электромобилях

Недавно профессор TobiasPlacke из Минстерского университета в Германии и профессор MartinWinter (автор сообщения) опубликовали обобщающую статью «Производительность и совместные материалы для улучшения регеблаутотита на основе лития» на сайте Natureenergy. В этой статье рассматривается прогресс и проблемы, связанные с материалами литий-ионных аккумуляторов в электромобилях, особенно с точки зрения стоимости и эксплуатационных параметров. Обсуждается процесс производства положительных и отрицательных материалов, а также подчеркивается изобилие и стоимость материалов, а также преимущества и проблемы различных электролитов для электромобилей. Наконец, тщательно оцениваются плотность энергии и стоимость перспективных химических батарей, а также возможность достижения целей в области двигательной установки электромобилей.

[Вступление]

Годы с 1900 по 1912 год были золотым веком в истории электромобилей. К 1912 году использование электромобилей в США достигло 30 000 человек. Силой этих электромобилей в основном служила свинцово-кислотная аккумуляторная батарея (LAB). Напряжение аккумулятора около 2В. Из-за низкого качества использования и механизма заряда-разряда в LAB, его фактическая емкость составляет всего 40 Втч / кг и 90 Втч / л, а кулоновский КПД и энергоэффективность составляют всего 80% и 70%, поэтому этот тип электрических Автомобиль заменен на двигатель внутреннего сгорания. По мере развития технологий и повышения экологической осведомленности становится важным сокращать выбросы транспортных средств. Электромобили вступят в новый золотой век: в 2016 году в США будет продано 160 000 гибридных электромобилей (PHEV).

Никель-гидридные (NiMH) батареи являются основным выбором для гибридных электромобилей (HEV). Номинальное напряжение батареи NiMH составляет 1,2 В, что обеспечивает емкость 80 Втч / кг и 250 Втч / л, но его кулоновская эффективность (70%) и энергоэффективность (65%) даже ниже, чем у LAB. .

Сегодня в PHEV и электромобилях (BEV) используются только литий-ионные батареи (LIB), которые предлагают емкость до 260 Втч / кг и 700 Втч / л, а также более высокий кулоновский коэффициент (99%) и энергоэффективность (до 95%). ). По оценкам Министерства энергетики США и Advanced Battery Association, для проникновения на массовый рынок требуется не менее 500 километров пробега, что эквивалентно емкости аккумуляторной батареи, необходимой для достижения 235 Втч / кг и 500Втч / л, а емкость аккумуляторного блока должна достигать 350Втч / кг. И 750 Втч / л, кроме того, стоимость аккумуляторной батареи должна быть менее 125 долларов США за кВтч – 1.

[Отрицательный материал]

Искусственный графит (SG) и природный графит (NG) и аморфный углерод (твердый углерод и мягкий углерод) являются более часто используемыми углеродно-отрицательными материалами. По сравнению с ПГ SG имеют высокую чистоту и низкую летучесть. Обычно его оптимизируют с помощью смеси аморфного и графического углерода, например, оптимизируя соотношение P к E. В настоящее время в некоторых коммерческих батареях (таких как Panasonic или Hitachi) небольшое количество кремния (в основном SiOx) добавляется к угольный электрод для дальнейшего увеличения емкости аккумулятора.

Кроме того, титанат лития (LTO) также используется в коммерческих батареях (таких как SCiB от Toshiba) из-за низкого напряжения батареи (в данном случае сформированного напряжения полной батареи) и высокой емкости, батареи на основе LTO более подходят. для применения с большой мощностью, особенно в электрических автобусах. Металлический литий считается наиболее перспективным материалом для отрицательных электродов в будущем, особенно в твердотельных батареях (ASSB) с керамическими или полимерными электролитами, которые сейчас используются в литий-полимерных батареях.

В настоящее время доля ПГ на рынке составляет 43 процента, а ПГ - 46 процентов (данные за 2016 год), в то время как аморфный углерод составляет всего 7 процентов, что ясно демонстрирует преобладание углеродных материалов с отрицательной полярностью. Напротив, материалы отрицательных электродов на основе LTO и кремния составляют лишь около 2%.

[Позитивный материал]

С момента коммерциализации LIB положительные полюсы стали узким местом в общей емкости батарей. Ключевые требования к положительным полярным активным материалам автомобильных аккумуляторов включают в себя: высокую удельную емкость, высокий потенциал разряда, высокую безопасность, высокую плотность энергии, быструю кинетику реакции аккумулятора и хорошую стабильность. В настоящее время технология является более зрелой с положительным электродом из слоистого оксида типа LiMO2, содержащим переходные металлы (M), такие как никель, кобальт и марганец (NMC) или никель, кобальт и алюминий (NCA) широко используются в положительных элементах автомобильных аккумуляторов. активные материалы.

Аккумуляторы на электромобили

В последние годы мощность электромобилей продолжала расти, и удалось достичь пробега в 300 км. Благодаря продвижению на рынке, значительным инвестициям в исследования LIBS, темпы роста энергии очень велики. В настоящее время можно достичь удельной энергии цилиндрических батарей 18650 (около 250 Вт / кг и 670 Вт / кг). В применении к электромобилям были разработаны и используются в конкретных ситуациях различные формы аккумуляторных конструкций, такие как призматические, цилиндрические или мешковидные. Большинство аккумуляторов электромобилей основаны на графитовых отрицательных полюсах, и недавние исследования добавили небольшое количество кремния к отрицательным полюсам. Если кремний может быть успешно добавлен к отрицательному полюсу, это не только не сократит срок службы, но и еще больше увеличит плотность энергии.

В настоящее время NCA, NMC-532 и NMC-622 можно считать наиболее продвинутыми позитивными материалами, в основном из-за их меньшего объемного расширения. Материал положительного электрода из фосфата лития-железа (LFP) широко используется в электромобилях. Масштаб приложения на данный момент самый большой. Это связано с хорошей стабильностью LFP и его длительным сроком службы и передаточными характеристиками, например, для автобусов и грузовиков. Широко использовался.

Страница содержит содержимое машинного перевода.