Energitetthet refererer til mengden energi som er lagret i en viss enhet av rom eller masse av materie. Energitettheten til et batteri er den elektriske energien som frigjøres av batteriets gjennomsnittlige enhetsvolum eller masse. Energitettheten til et batteri er generelt delt inn i to dimensjoner: gravimetrisk energitetthet og volumetrisk energitetthet.

Hva er energitetthet?
Energitetthet refererer til mengden energi som er lagret i en viss enhet av rom eller masse av materie. Energitettheten til et batteri er den elektriske energien som frigjøres av batteriets gjennomsnittlige enhetsvolum eller masse. Energitettheten til et batteri er generelt delt inn i to dimensjoner: gravimetrisk energitetthet og volumetrisk energitetthet.

Batterivekt energitetthet = batterikapasitet × utladningsplattform/vekt, grunnenheten er Wh/kg (watt-time/kg)
Batteriets volumetriske energitetthet = batterikapasitet × utladningsplattform/volum, grunnenheten er Wh/L (watt- time/liter)
Jo større energitetthet et batteri har, jo mer elektrisitet kan lagres per volumenhet, eller vekt.

Hva er monomer energitetthet?
Energitettheten til batterier peker ofte på to forskjellige konsepter, det ene er energitettheten til en enkelt celle, og det andre er energitettheten til batterisystemet.

En celle er den minste enheten i et batterisystem. M celler danner en modul, og N moduler danner en batteripakke, som er den grunnleggende strukturen til et kjøretøybatteri.

Energitettheten til en enkelt celle, som navnet antyder, er energitettheten på nivået til en enkelt celle.

I følge "Made in China 2025" er utviklingsplanen for strømbatterier avklart: i 2020 vil batterienergitettheten nå 300Wh/kg; i 2025 vil batteriets energitetthet nå 400Wh/kg; i 2030 vil batterienergitettheten nå 500Wh/kg. Dette refererer til energitettheten på nivået til en enkelt celle.

Hva er systemets energitetthet?
Systemets energitetthet refererer til vekten eller volumet til hele batterisystemet etter at monomerkombinasjonen er fullført. Fordi batterisystemet inkluderer batteristyringssystemet, termisk styringssystem, høy- og lavspenningskretser, etc., som opptar deler av vekten og det indre rommet til batterisystemet, er energitettheten til batterisystemet lavere enn energitettheten av monomeren.

Systemets energitetthet = batterisystemlading/batterisystemvekt ELLER batterisystemvolum
Hva begrenser egentlig energitettheten til litiumbatterier?
Kjemien bak batteriet er hovedårsaken.

Generelt sett er de fire delene av et litiumbatteri svært kritiske: den positive elektroden, den negative elektroden, elektrolytten og membranen. De positive og negative elektrodene er der kjemiske reaksjoner finner sted, som tilsvarer de to venene til Ren og Du, og deres betydning er tydelig. Vi vet alle at energitettheten til batteripakkesystemet med ternært litium som positiv elektrode er høyere enn for batteripakkesystemet med litiumjernfosfat som positiv elektrode. Hvorfor er det sånn?

Eksisterende litiumion-batterianodematerialer er for det meste grafitt, og den teoretiske gramkapasiteten til grafitt er 372mAh/g. Den teoretiske gramkapasiteten til katodematerialet litiumjernfosfat er bare 160mAh/g, mens det ternære materialet nikkel-kobolt-mangan (NCM) er ca. 200mAh/g.

I følge fatteorien bestemmes vannstanden av den korteste delen av fatet, og den nedre grensen for energitettheten til litiumionbatterier avhenger av katodematerialet.

Spenningsplattformen til litiumjernfosfat er 3,2V, og denne ternære indikatoren er 3,7V. Sammenlignet med de to er energitettheten høy og forskjellen er 16 %.

Selvfølgelig, i tillegg til det kjemiske systemet, påvirker produksjonsprosessnivået, som komprimeringstetthet, folietykkelse, etc., også energitettheten. Generelt sett, jo høyere komprimeringstetthet, desto høyere kapasitet til batteriet i et begrenset rom, så komprimeringstettheten til hovedmaterialet blir også sett på som en av referanseindikatorene for batteriets energitetthet.

I den fjerde episoden av "Great Power II" tok CATL i bruk 6 mikron kobberfolie, ved å bruke avansert teknologi for å forbedre energitettheten.

Hvis du kan holde deg til hver linje, les helt til dette punktet. Gratulerer, din forståelse av batterier har nådd et nytt nivå.

Hvordan forbedre energitettheten?
Innføringen av nye materialsystemer, finjusteringen av litiumbatteristrukturen og forbedringen av produksjonsevnen er de tre stadiene for FoU-ingeniører til å "danse grasiøst". Nedenfor vil vi forklare fra de to dimensjonene til singelen og systemet.
——Individuell energitetthet, hovedsakelig avhengig av gjennombrudd i kjemiske systemer

1. Øk størrelsen på batteriet

Batteriprodusenter kan oppnå effekten av kapasitetsøkning ved å øke størrelsen på det originale batteriet. Vi er mest kjent med eksemplet: Tesla, det velkjente elbilselskapet som gikk i spissen for å bruke Panasonics 18650-batteri, vil erstatte det med et nytt 21700-batteri.

Imidlertid er de "fete" eller "lange" cellene bare en midlertidig løsning, ikke en rotårsak. Metoden for å trekke lønn fra bunnen av kjelen er å finne nøkkelteknologien for å forbedre energitettheten fra de positive og negative elektrodematerialene og elektrolyttkomponentene som utgjør batterienheten.

2. Endringer i det kjemiske systemet

Som nevnt tidligere styres energitettheten til batteriet av batteriets positive og negative elektroder. Siden energitettheten til det negative elektrodematerialet er mye høyere enn den positive elektrodens, er det nødvendig å kontinuerlig oppgradere det positive elektrodematerialet for å forbedre energitettheten.

Høy nikkel katode

Ternære materialer refererer generelt til den store familien av nikkelkoboltlitiummanganatoksider. Vi kan endre ytelsen til batteriet ved å endre forholdet mellom nikkel, kobolt og mangan.

Silisiumkarbonanode i figur

Den spesifikke kapasiteten til silisiumbaserte anodematerialer kan nå 4200mAh/g, som er mye høyere enn den teoretiske spesifikke kapasiteten til grafittanoder på 372mAh/g, så den har blitt en kraftig erstatning for grafittanoder.

For tiden har bruken av silisium-karbon-komposittmaterialer for å forbedre energitettheten til batterier blitt en av utviklingsretningene for litium-ion-batterianodematerialer anerkjent av industrien. Model 3 utgitt av Tesla bruker en silisiumkarbonanode.

I fremtiden, hvis du ønsker å gå et skritt videre og bryte gjennom 350Wh/kg-barrieren for enkeltceller, kan det hende at bransjekolleger må fokusere på batterisystemer av negativ type litiummetall, men dette betyr også at hele batteriproduksjonsprosessen endres. og raffinement. Man kan se fra flere typiske ternære materialer i Kina at andelen nikkel blir høyere og høyere, og andelen kobolt blir lavere og lavere. Jo høyere nikkelinnhold, desto høyere spesifikke kapasitet har cellen. I tillegg, på grunn av knapphet på koboltressurser, vil øke andelen nikkel redusere mengden kobolt som brukes.

3. Systemets energitetthet: forbedre gruppeeffektiviteten til batteripakker
Grupperingen av batteripakker tester evnen til batteri-"beleiringsløver" til å arrangere enkeltceller og moduler. Det er nødvendig å ta sikkerhet som premiss og maksimere bruken av hver tomme plass.

Det er hovedsakelig følgende måter å "slanke" batteripakken på.

Optimaliser oppsettet
Når det gjelder ytre dimensjoner, kan det interne arrangementet av systemet optimaliseres for å gjøre arrangementet av komponentene inne i batteripakken mer kompakt og effektivt.

Topologioptimalisering
Vi realiserer vektreduksjonsdesign gjennom simuleringsberegning på forutsetningen om å sikre stivhet og strukturell pålitelighet. Gjennom denne teknologien kan topologioptimalisering og topografioptimalisering oppnås og til slutt bidra til å oppnå lette batteribokser.

Materialvalg
Vi kan velge materialer med lav tetthet. For eksempel har toppdekselet på batteripakken gradvis blitt forvandlet fra et tradisjonelt toppdeksel i platemetall til et toppdeksel i komposittmateriale, som kan redusere vekten med ca. 35 %. For den nedre boksen i batteripakken har den tradisjonelle plateløsningen gradvis blitt forvandlet til en aluminiumsprofilløsning, noe som reduserer vekten med ca. 40 %, og lettvektseffekten er åpenbar.

Kjøretøy integrert design

Den integrerte utformingen av hele kjøretøyet og utformingen av hele kjøretøystrukturen tas i betraktning, og de strukturelle delene deles så mye som mulig, for eksempel antikollisjonsdesignet, for å oppnå den ultimate lettvekten.

Batteriet er et veldig omfattende produkt. Hvis du ønsker å forbedre ytelsen til ett aspekt, kan du ofre ytelsen til andre aspekter. Dette er grunnlaget for å forstå batteridesign og utvikling. Strømbatterier er dedikert til kjøretøy, så energitetthet er ikke det eneste målet for batterikvalitet.