Плотность энергии литий-ионных батарей

В целом, аккумуляторная промышленность всегда стремится к резкому скачку плотности энергии.

Это привело к тому, что команда, находящаяся в Соединенных Штатах, решила, что они могут предложить в десять раз большую активную производительность, чем нынешние литий-ионные батареи, используя технологию, основанную на фториде.

Уменьшенный атомный вес фтора в основном означает, что аккумуляторные батареи, в основе которых лежит этот элемент, могут обеспечивать очень высокую плотность энергии, которая может быть примерно в десять раз более мощной, чем обычные теоретические значения для литий-ионной технологии.

Между тем, фториды считаются мощным конкурентом следующего поколения устройств высокой плотности для хранения энергии. Однако они ограничены температурными требованиями.

Прочные фторид-ионные проводящие батареи работают при температурах выше 150 ° C, чтобы электролит проводил надлежащим образом. Это заметная трудность для нормальной клетки.

Кроме того, все твердотельные батареи, которые в основном объединяют металлический анод из лития, имеют возможность решить проблемы плотности энергии обычных литиевых батарей.

До настоящего времени их использование в практических элементах было ограниченным из-за сопротивления переносу иона лития, которое в основном вызвано нестабильностью прочного электролита по отношению к металлам лития.

Кроме того, новейший прочный электролит, который демонстрирует очень высокую ионную проводимость, а также высокий баланс по отношению к металлическому литию, также может стать настоящим прорывом для каждой твердотельной батареи, в которой используется литий-металлический анод.

Ожидается, что это достижение не только вдохновит будущие усилия по открытию литиевых суперионных проводников на основе сложных гидридов, но и практически откроет новую тенденцию в области материалов с твердыми электролитами, которая также может привести к развитию высоких технологий. Электрохимические устройства плотности энергии.

Каждая твердотельная батарея на самом деле является потенциально многообещающим кандидатом для решения текущего недостатка новейших литиевых батарей. Проблемы, которые необходимо решить, включают:

· Воспламеняемость

· Конечная плотность энергии

· Утечка электролита и т. Д.

Определение плотности энергии

В общем, плотность энергии - это объем энергии, который фактически может удерживаться в определенной массе системы или даже вещества. Обратите внимание, что чем выше плотность энергии материала или системы, тем больший объем энергии сохраняется в ее массе.

По сути, энергия может храниться в различных типах систем и веществ. Тем не менее, материал может выделять энергию в четырех различных типах реакций. Реакции следующие:

· Химическая промышленность

· Электрохимический

· Ядерная и;

· Электрооборудование

При расчете объема энергии, доступной в системе, измеряется только жизненно полезная или, еще лучше, извлекаемая энергия. Во всех научных уравнениях плотность энергии обозначается буквой U.

Плотность энергии обычно выражается двумя способами, хотя первый из них является наиболее популярным и распространенным. Они есть:

· Объемная плотность энергии

Это относится к количеству энергии, содержащейся в системе, по сравнению с ее количеством. Обычно его выражают в Втч / л, то есть ватт-часах на литр. Его также можно выразить в мегаджоулях.

· Гравиметрическая плотность энергии

Это относится к количеству энергии, содержащейся в системе, по сравнению со всей ее массой. Обычно он выражается в ватт-часах на килограмм, т. Е. Втч / кг или в мегаджоулях.

Однако наличие очень высокой плотности на самом деле не дает информации о том, насколько быстро эта энергия может быть использована. Знание вместо этого содержится в плотности мощности вещества, и это описывает скорость, с которой энергия может быть быстро выведена.

Кроме того, высокая плотность в основном сочетается с низкой удельной мощностью.

Сравнение плотности энергии в аккумуляторных элементах

Некоторые из наиболее известных сравнений плотности энергии, доступной в аккумуляторных элементах, включают:

· Никель-кадмий (NiCD)

Батареи активно созревают и хорошо изучены, хотя их удельная энергия сравнительно невысока. NiCD используется в тех случаях, когда жизненно важны длительный срок службы, экономическая стоимость и высокая скорость разряда.

Их основные области применения - биомедицинское оборудование, двусторонняя радиосвязь, экспертные видеокамеры, а также электроинструменты. Однако они содержат токсичные металлы и вредны для окружающей среды.

· Никель-металлогидрид (NiMH)

Эта батарея имеет более высокую плотность энергии по сравнению с NiCD, даже за счет сокращения срока службы. NiMH не содержит токсичных металлов. Его приложения включают ноутбуки и мобильные телефоны.

· Свинцово-кислотный

Они наиболее экономичны в случаях, когда требуется большая мощность, когда вес не имеет большого значения. Они являются предпочтительным выбором для инвалидных колясок, аварийного освещения, систем ИБП и больничного оборудования.

· Литий-ионный

Это самые быстрорастущие аккумуляторные системы, доступные на рынке. Литиевые батареи используются в тех случаях, когда высокая плотность энергии и легкий вес имеют жизненно важное значение. Хотя его технология хрупкая, для гарантии безопасности необходима схема защиты. Большинство его приложений установлено на мобильных телефонах и портативных компьютерах.

Максимальная теоретическая плотность энергии батареи

Плотность энергии, необходимая перезаряжаемым батареям для питания электромобиля с пробегом триста миль при отдельном заряде, составляет примерно 600 Втч / кг. Но литиевые батареи пока не могут удовлетворить эту потребность.

Технически не существует известного предела количества энергии, которое может храниться в ограниченном пространстве. Тем не менее, у ученых, занимающихся аккумуляторными батареями, есть показатель, известный как максимальная теоретическая удельная энергия.

В настоящее время наиболее энергоемкие батареи, которые вы можете купить на рынке, - это литий-ионные батареи. Практически они находятся в диапазоне 100-200 Втч / кг.

Подвести итоги

По сути, металл лития считается важным анодным материалом для каждой твердотельной батареи из-за его высокой теоретической емкости около 3860 мАч г-1 и его наименьшей перспективы около -3,04 В по сравнению со стандартным водородным электродом.

Тем не менее, литий-ионные прочные электролиты являются основной характеристикой каждой твердотельной батареи в результате ионной проводимости и баланса прочного электролита, который определяет производительность этих батарей.