To ytelsesindikatorer for litiumionbatterier: energitetthet og ladningsutladningshastighet

Analyser kort de to ytelsesindikatorene for litiumionbatterier: energitetthet og ladningsutladningshastighet

Energitetthet refererer til mengden energi som kan lagres per volumenhet eller vekt. Selvfølgelig, jo høyere indeks, jo bedre. Alt som er konsentrert er essensen. Lade- og utladningshastigheten er hastigheten på energilagring og -frigjøring, helst i sekunder. Den fylles eller slippes på et øyeblikk, og den kan komme og gå så snart den kalles.

Selvfølgelig er dette alle idealer, og faktisk er de underlagt ulike praktiske faktorer. Det er umulig for oss å oppnå uendelig energi, og heller ikke å realisere den øyeblikkelige overføringen av energi. Hvordan å kontinuerlig bryte gjennom disse begrensningene og nå et høyere nivå er et vanskelig problem som vi må løse.

(A) Energitettheten til litium-ion-batterier

Det kan sies at energitettheten er den største flaskehalsen som begrenser utviklingen av nåværende litium-ion-batterier. Enten det er en mobiltelefon eller et elektrisk kjøretøy, forventer folk at energitettheten til batteriet når et helt nytt nivå, slik at batterilevetiden eller kjørelengden til produktet ikke lenger vil være hovedfaktoren som plager produktet.

Fra bly-syre-batterier, nikkel-kadmium-batterier, nikkel-metallhydrid-batterier, til litium-ion-batterier, har energitettheten blitt kontinuerlig forbedret. Imidlertid er forbedringshastigheten for langsom sammenlignet med hastigheten på utvikling i industriell skala og graden av menneskelig etterspørsel etter energi. Noen spøker til og med med at menneskelig fremgang sitter fast i "batteriet". Selvfølgelig, hvis global kraftoverføring en dag kan oppnås trådløst, og strøm kan oppnås "trådløst" hvor som helst (som et mobiltelefonsignal), så vil ikke mennesker lenger trenge batterier, og sosial utvikling vil naturligvis ikke sitte fast på batterier .

Som svar på status quo at energitetthet har blitt en flaskehals, har land over hele verden formulert relevante batteriindustripolitiske mål, i håp om å lede batteriindustrien til å oppnå betydelige gjennombrudd i energitetthet. 2020-målene satt av myndigheter eller bransjeorganisasjoner i Kina, USA og Japan peker i utgangspunktet på en verdi på 300Wh/kg, som tilsvarer nesten en dobling av dagens grunnlag. Det langsiktige målet i 2030 er å nå 500Wh/kg eller til og med 700Wh/kg. Batteriindustrien må ha et stort gjennombrudd i det kjemiske systemet for å nå dette målet.

Det er mange faktorer som påvirker energitettheten til litium-ion-batterier. Når det gjelder det eksisterende kjemiske systemet og strukturen til litium-ion-batterier, hva er de åpenbare begrensningene?

Vi har tidligere analysert at det som fungerer som en elektrisk energibærer faktisk er litiumelementet i batteriet, og andre stoffer er "avfall", men for å få en stabil, bærekraftig og sikker elektrisk energibærer er disse "avfallet" uunnværlige. . For eksempel, i et litium-ion-batteri, er masseandelen av litium generelt litt mer enn 1 %, og de resterende 99 % av komponentene er andre stoffer som ikke påtar seg energilagringsfunksjoner. Edison sa berømt at suksess er 99 % svette pluss 1 % talent. Det ser ut til at dette prinsippet gjelder overalt. 1 % er saflor, og de resterende 99 % er grønne blader.

Så for å forbedre energitettheten, er det første vi tenker på å øke andelen litiumelementer, og samtidig la så mange litiumioner renne ut fra den positive elektroden, flytte til den negative elektroden, og deretter returnere fra den positive elektroden. negativ elektrode til den positive elektroden (den kan ikke være mindre), syklusen for transport av energi.

1. Øk andelen positivt aktivt materiale

Å øke andelen positive aktive materialer er hovedsakelig for å øke andelen litiumelementer. I det samme batterikjemiske systemet øker innholdet av litiumelementer (andre forhold forblir uendret), og energitettheten vil også øke tilsvarende. Så under visse volum- og vektbegrensninger håper vi at det er flere positive aktive materialer, og mer.

2. Øk andelen negativt aktivt materiale

Dette er faktisk for å matche økningen av positive aktive materialer, og flere negative aktive materialer er nødvendig for å romme litiumionene som svømmer over og lagrer energi. Hvis det aktive materialet til den negative elektroden ikke er nok, vil de ekstra litiumionene avsettes på overflaten av den negative elektroden i stedet for å bli innebygd, noe som resulterer i en irreversibel kjemisk reaksjon og batterikapasitetsfall.

3. Forbedre den spesifikke kapasiteten (gramkapasiteten) til katodematerialet

Andelen positive aktive materialer har en øvre grense og kan ikke økes i det uendelige. Når den totale mengden positive aktive materialer er konstant, kan bare så mange litiumioner som mulig deinterkaleres fra den positive elektroden for å delta i kjemiske reaksjoner, for å forbedre energitettheten. Derfor håper vi at masseforholdet til litiumionene som kan deinterkaleres i forhold til det positive aktive materialet er høyere, det vil si at den spesifikke kapasitetsindeksen er høyere.

Dette er grunnen til at vi forsker på og velger forskjellige katodematerialer, fra litiumkoboltoksid til litiumjernfosfat, til ternære materialer, som alle skynder seg mot dette målet.

Som tidligere analysert kan litiumkoboltoksid nå 137mAh/g, de faktiske verdiene av litiummanganat og litiumjernfosfat er rundt 120mAh/g, og det ternære nikkelkoboltmanganet kan nå 180mAh/g. Hvis vi ønsker å forbedre oss ytterligere, må vi studere nye katodematerialer og gjøre fremskritt i industrialiseringen.

4. Forbedre den spesifikke kapasiteten til anodematerialer

Relativt sett er ikke den spesifikke kapasiteten til det negative elektrodematerialet hovedflaskehalsen for energitettheten til litiumionbatteriet, men hvis den spesifikke kapasiteten til den negative elektroden forbedres ytterligere, vil det betyr at det negative elektrodematerialet med mindre masse kan romme flere litiumioner, og dermed oppnå målet om å øke energitettheten.

Ved å bruke grafittlignende karbonmaterialer som negativ elektrode, er den teoretiske spesifikke kapasiteten 372mAh/g. De harde karbonmaterialene og nanokarbonmaterialene som er studert på dette grunnlaget kan øke den spesifikke kapasiteten til mer enn 600mAh/g. Tinnbaserte og silisiumbaserte anodematerialer kan også øke den spesifikke kapasiteten til anoden til et svært høyt nivå, som er varme retninger for dagens forskning.

5. Gå ned i vekt

I tillegg til de aktive materialene til positive og negative elektroder, er elektrolytter, separatorer, bindemidler, ledende midler, strømsamlere, substrater, skallmaterialer, etc., "dødvekten" til litiumion-batterier, og står for andelen av hele batteriets vekt rundt 40 %. Hvis vekten av disse materialene kan reduseres uten å gå på bekostning av batteriets ytelse, kan det også forbedre energitettheten til litiumion-batterier.

For å lage oppstyr i denne forbindelse, er det nødvendig å gjennomføre detaljerte undersøkelser og analyser på elektrolytter, separatorer, bindemidler, substrater og strømsamlere, skallmaterialer, produksjonsprosesser osv., for å finne en fornuftig løsning. Hvis alle aspekter forbedres, kan den totale energitettheten til batteriet økes til en viss grad.

Fra analysen ovenfor kan man se at forbedring av energitettheten til litium-ion-batterier er et systematisk prosjekt. Vi bør starte fra å forbedre produksjonsprosessen, forbedre ytelsen til eksisterende materialer og utvikle nye materialer og nye kjemiske systemer. og langsiktige løsninger.