Анализ плотности энергии литий-ионных аккумуляторов

Можно сказать, что плотность энергии - самое большое узкое место, ограничивающее разработку литий-ионных батарей. Будь то мобильный телефон или электромобиль, люди ожидают, что удельная энергия аккумулятора выйдет на совершенно новый уровень, так что срок службы продукта или пробег больше не являются основным фактором, который мешает продукту.

От свинцово-кислотных аккумуляторов, никель-кадмиевых аккумуляторов, никель-металлогидридных аккумуляторов до литий-ионных аккумуляторов увеличивается плотность энергии. Однако скорость роста по сравнению со скоростью развития промышленных масштабов по сравнению со степенью потребности человека в энергии слишком медленная. Некоторые даже утверждают, что человеческий прогресс здесь застрял в «батарее». Конечно, если бы мир мог передавать электричество без проводов и без проводов в любом месте (например, сигналы сотовых телефонов), тогда людям больше не понадобились бы батареи, и социальное развитие, естественно, не зависело бы от них.

Ввиду того, что плотность энергии стала узким местом, все страны мира сформулировали соответствующие цели политики в области аккумуляторных батарей и надеются привести отрасль аккумуляторных батарей к значительному прорыву в области плотности энергии. Цели на 2020 год, установленные правительствами или отраслевыми организациями, такими как Китай, США и Япония, в основном указывают на значение 300 Втч / кг, что почти вдвое превышает текущий уровень. Долгосрочная цель на 2030 год - достичь 500 Втч / кг или даже 700 Втч / кг. Чтобы достичь 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?

Ранее мы проанализировали то, что литиевый элемент в батарее фактически используется в качестве носителя электроэнергии. Остальные вещества являются «отходами», но они предназначены для получения стабильных, непрерывных и безопасных носителей электроэнергии. Эти «отходы» тоже незаменимы. из. Например, в литий-ионном аккумуляторе качество лития обычно составляет немногим более 1%, а оставшиеся 99% компонентов - это другие вещества, не выполняющие функции аккумулирования энергии. У Эдисона была известная поговорка, что успех - это 99% пота плюс 1% таланта. Кажется, что эта истина абсолютно верна. 1% - это красный цветок, а остальные 99% - зеленые листья не меньше.

Итак, чтобы увеличить плотность энергии, первое, что мы хотим сделать, это увеличить долю лития, позволяя как можно большему количеству ионов лития бежать от положительного полюса, перемещаться к отрицательному полюсу, а затем возвращаться с отрицательного полюса. число к положительному полюсу (не может быть уменьшено)., Постоянно движущаяся энергия.

1. Увеличьте долю активных веществ с положительной полярностью.

Увеличение доли положительно активных веществ в основном связано с увеличением доли лития. В той же химической системе батареи содержание лития увеличивается (другие условия не меняются), и соответственно увеличивается плотность энергии. Поэтому при определенных ограничениях по объему и весу мы надеемся, что будет больше активных веществ с положительной полярностью и многое другое.

2. Увеличить долю отрицательно активных веществ.

Это фактически соответствует увеличению количества активных веществ с положительной полярностью, и требуется больше активных веществ с отрицательной полярностью, чтобы приспособить ионы лития, которые плавают и накапливают энергию. Если отрицательный электрод недостаточно активен, дополнительные ионы лития будут осаждаться на поверхности отрицательного электрода, а не внедряться внутрь, с необратимыми химическими реакциями и уменьшением емкости аккумулятора.

3. Увеличьте удельную емкость (в граммах) положительного материала.

Доля активных веществ с положительной полярностью ограничена и не может увеличиваться бесконечно. При условии, что общее количество активных веществ с положительной полярностью является определенным, только столько ионов лития, сколько возможно, может быть рассмотрено от положительного полюса и участвовать в химических реакциях для увеличения плотности энергии. Поэтому мы надеемся, что качество предполагаемых ионов лития по отношению к положительно полярным активным веществам будет выше, то есть выше, чем показатель емкости.

Вот почему мы изучаем и выбираем различные положительные материалы, от литиево-кобальтовой кислоты до литий-фосфата железа и тройных материалов, и все они направлены на достижение этой цели.

Как было проанализировано ранее, литий-кобальтовая кислота может достигать 137 мАч / г, литий-марганцевая кислота и фосфат лития-железа имеют фактические значения около 120 мАч / г, а никель-кобальт-марганец может достигать 180 мАч / г. Если мы хотим обновиться, нам нужно изучить новые положительные материалы и добиться прогресса в индустриализации.

4. Увеличьте удельную емкость материала отрицательного электрода.

Условно говоря, удельная емкость материала отрицательного электрода не является основным узким местом плотности энергии литий-ионной батареи. Однако, если удельная емкость отрицательного электрода дополнительно увеличивается, это означает, что большее количество ионов лития может быть размещено с меньшей массой материала отрицательного электрода. Для достижения цели увеличения плотности энергии.

При использовании графитовых углеродных материалов в качестве отрицательных полюсов теоретическая удельная емкость составляет 372 мАч / г. Изученные на этой основе твердые углеродные материалы и наноуглеродные материалы могут увеличить удельную емкость до 600 мАч / г или более. Материалы отрицательных электродов на основе олова и кремния также могут увеличивать удельную емкость отрицательного полюса до очень высокого уровня, что является горячим направлением исследований.

5. Похудеть.

Помимо положительных и отрицательных активных веществ, электролиты, изолирующие мембраны, связующие, проводящие агенты, собирающие жидкости, матрицы, материалы оболочки и т. Д. - это все «мертвые массы» литий-ионных батарей, составляющие весь вес батареи. Около 40%. Если вы можете уменьшить вес этих материалов, не влияя на производительность батареи, вы также можете увеличить удельную энергию литий-ионных батарей.

В связи с этим нам необходимо изучить и подробно проанализировать электролит, изоляционную пленку, связующее, матрицу и собирающую жидкость, материал оболочки, производственный процесс и т. Д., Чтобы найти разумное решение. За счет улучшения всех аспектов общая плотность энергии батареи может быть увеличена на одну амплитуду.

Из приведенного выше анализа видно, что увеличение удельной энергии литий-ионных батарей - это систематический проект. Необходимо найти краткосрочные, среднесрочные и долгосрочные решения с точки зрения улучшения производственного процесса, улучшения характеристик существующих материалов и разработки новых материалов и новых химических систем.

Страница содержит содержимое машинного перевода.