Anàlisi de la densitat d'energia de les bateries de liti, com millorar la densitat d'energia de les bateries de liti?
Resum
La densitat d'energia (densitat d'energia) es refereix a la quantitat d'energia emmagatzemada en una unitat d'un determinat espai o massa de matèria. La densitat d'energia d'una bateria és l'energia elèctrica alliberada per la unitat mitjana de volum o massa de la bateria. La densitat d'energia d'una bateria generalment es divideix en dues dimensions: densitat d'energia de pes i densitat d'energia de volum.
Què és la densitat d'energia?
La densitat d'energia (densitat d'energia) es refereix a la quantitat d'energia emmagatzemada en una unitat d'un determinat espai o massa de matèria. La densitat d'energia d'una bateria és l'energia elèctrica alliberada per la unitat mitjana de volum o massa de la bateria. La densitat d'energia d'una bateria generalment es divideix en dues dimensions: densitat d'energia de pes i densitat d'energia de volum.
Densitat d'energia del pes de la bateria=capacitat de la bateria × plataforma de descàrrega/pes, la unitat bàsica és Wh/kg (watt hora/kg)
Densitat d'energia del volum de la bateria=capacitat de la bateria × plataforma/volum de descàrrega, la unitat bàsica és Wh/L (watt hora/litre)
Com més gran sigui la densitat d'energia de la bateria, més electricitat s'emmagatzema per unitat de volum o pes.
Quina és la densitat d'energia del monòmer?
La densitat d'energia d'una bateria sovint apunta a dos conceptes diferents, un és la densitat d'energia d'una sola cel·la i l'altre és la densitat d'energia del sistema de bateries.
La cèl·lula de la bateria és la unitat més petita d'un sistema de bateries. Les bateries M formen un mòdul i els mòduls N formen un paquet de bateries. Aquesta és l'estructura bàsica d'una bateria d'energia del vehicle.
La densitat d'energia d'una sola cèl·lula, com el seu nom indica, és la densitat d'energia d'un sol nivell cel·lular.
Segons"Made in China 2025 ", es defineix el pla de desenvolupament de bateries d'energia: el 2020, la densitat d'energia de la bateria arribarà a 300Wh/kg; el 2025, la densitat d'energia de la bateria arribarà als 400 Wh/kg; el 2030, la densitat d'energia de la bateria arribarà als 500 Wh/kg. Això fa referència a la densitat d'energia d'un sol nivell cel·lular.
Quina és la densitat d'energia del sistema?
La densitat d'energia del sistema es refereix al pes o volum de tot el sistema de bateries en comparació amb el pes o el volum de tot el sistema de bateries després de completar la combinació de monòmers. Com que el sistema de bateries conté un sistema de gestió de la bateria, un sistema de gestió tèrmica, circuits d'alta i baixa tensió, etc. ocupen part del pes i l'espai intern del sistema de bateries, la densitat d'energia del sistema de bateria és inferior a la densitat d'energia del monòmer. .
Densitat d'energia del sistema=potència del sistema de bateria / pes del sistema de bateria O volum del sistema de bateria
Què limita la densitat d'energia de les bateries de liti?
El sistema químic darrere de la bateria és el motiu principal.
En termes generals, les quatre parts d'una bateria de liti són molt crítiques: elèctrode positiu, elèctrode negatiu, electròlit i diafragma. Els pols positiu i negatiu són els llocs on es produeixen reaccions químiques, que equivalen a les dues venes de Ren Du i Du, i es pot veure el seu estat important. Tots sabem que la densitat d'energia del sistema de bateria amb liti ternari com a elèctrode positiu és superior a la del sistema de bateria amb fosfat de ferro de liti com a elèctrode positiu. Per què és això?
La majoria dels materials d'ànode actuals per a bateries d'ions de liti són de grafit i la capacitat teòrica de grams de grafit és de 372 mAh/g. La capacitat teòrica de grams del material de l'elèctrode positiu fosfat de ferro de liti és de només 160 mAh/g, mentre que el material ternari níquel cobalt manganès (NCM) és d'uns 200 mAh/g.
Segons la teoria del barril, el nivell d'aigua està determinat per la part més curta del barril i el límit inferior de la densitat d'energia de les bateries d'ions de liti depèn del material del càtode.
La plataforma de tensió del fosfat de ferro de liti és de 3,2 V i l'índex ternari és de 3,7 V. Comparant les dues fases, la densitat d'energia és alta i la diferència és del 16%.
Per descomptat, a més del sistema químic, el nivell del procés de producció, com ara la densitat de compactació, el gruix de la làmina, etc., també afectarà la densitat d'energia. En termes generals, com més gran sigui la densitat de compactació, més gran serà la capacitat de la bateria en un espai limitat, de manera que la densitat de compactació del material principal també es considera un dels indicadors de referència de la densitat d'energia de la bateria.
En el quart episodi de"Great Power Heavy Equipment II ", CATL va adoptar làmina de coure de 6 micres i va utilitzar tecnologia avançada per augmentar la densitat d'energia.
Si pots quedar-te amb cada línia, llegeix-la i segueix llegint fins aquí. Enhorabona, la teva comprensió de les bateries ha assolit un nivell.
Com augmentar la densitat d'energia?
L'adopció de nous sistemes de materials, l'ajustament de l'estructura de la bateria de liti i la millora de les capacitats de fabricació són les tres etapes dels enginyers R&D per"Bon ball de màniga llarga". A continuació, explicarem a partir de les dues dimensions del monòmer i el sistema.
——La densitat d'energia dels monòmers, depèn principalment de l'avenç del sistema químic
1. Augmenta la mida de la bateria
Els fabricants de bateries poden aconseguir l'efecte de l'expansió de la capacitat augmentant la mida de la bateria original. L'exemple més conegut és que Tesla, una coneguda companyia de cotxes elèctrics que va ser la primera a utilitzar la bateria 18650 de Panasonic', la substituirà per una nova bateria 21700.
Tanmateix, el "grossor" o el "creixement" de les bateries és només una cura temporal, no una cura permanent. El mètode per treure sous de la part inferior de la tetera és trobar la tecnologia clau per augmentar la densitat d'energia dels materials positius i negatius que constitueixen les cèl·lules de la bateria i la composició de l'electròlit.
2. Canvis en el sistema químic
Com s'ha esmentat anteriorment, la densitat d'energia de la bateria està limitada pels elèctrodes positius i negatius de la bateria. Com que la densitat d'energia del material de l'elèctrode negatiu actual és molt més gran que la de l'elèctrode positiu, augmentar la densitat d'energia requereix una millora contínua del material de l'elèctrode positiu.
Càtode de níquel alt
Els materials ternaris generalment es refereixen a la gran família d'òxids de liti d'òxid de manganès de níquel cobalt. Podem canviar el rendiment de la bateria canviant la proporció dels tres elements de níquel, cobalt i manganès.
Ànode de carboni silici a la imatge
La capacitat específica del material de l'elèctrode negatiu basat en silici pot arribar als 4200 mAh/g, que és molt superior a la capacitat específica teòrica de l'elèctrode negatiu de grafit de 372 mAh/g, de manera que s'ha convertit en un potent substitut de l'elèctrode negatiu de grafit.
Actualment, l'ús de materials compostos de silici-carboni per augmentar la densitat d'energia de la bateria s'ha convertit en una de les direccions de desenvolupament reconegudes de la indústria' per als materials d'ànode de la bateria d'ions de liti. El Model 3 llançat per Tesla utilitza un ànode de carboni de silici.
En el futur, si voleu fer un pas més enllà de trencar la barrera de cel·la única de 350 Wh/kg, és possible que els homòlegs de la indústria s'hagin de centrar en el sistema de bateria negativa de metall de liti, però això també significa que tot el procés de fabricació de la bateria canvia i diligència. A partir de diversos materials ternaris típics es pot veure que la proporció de níquel és cada cop més alta, i la proporció de cobalt és cada cop més baixa. Com més gran sigui el contingut de níquel, més gran serà la capacitat específica de la cèl·lula. A més, a causa de l'escassetat de recursos de cobalt, augmentar la proporció de níquel reduirà la quantitat de cobalt utilitzada.
3. Densitat d'energia del sistema: millora l'eficiència dels paquets de bateries
La prova dels paquets de bateries en grups és la capacitat de la bateria"lleons de setge" per disposar cel·les i mòduls individuals. Cal prendre la seguretat com a premissa i aprofitar al màxim cada centímetre d'espai.
Hi ha principalment les maneres següents de"aprimar" el paquet de bateries.
Optimitzar l'estructura del disseny
Des de l'aspecte de les dimensions, la disposició interna del sistema es pot optimitzar per fer que els components interns de la bateria siguin més compactes i eficients.
Optimització de la topologia
Realitzem un disseny de reducció de pes sota la premissa de garantir la rigidesa i la fiabilitat estructural mitjançant el càlcul de simulació. Mitjançant aquesta tecnologia, es pot aconseguir l'optimització de la topologia i l'optimització de la topografia i, finalment, ajudar a aconseguir armaris de bateries lleugers.
Selecció de material
Podem triar materials de baixa densitat. Per exemple, la coberta de la bateria ha canviat gradualment d'una coberta de xapa tradicional a una coberta de material compost, que pot reduir el pes en un 35%. Pel que fa a la caixa inferior del paquet de bateries, ha canviat gradualment de la solució tradicional de xapa a la solució de perfil d'alumini, reduint el pes al voltant d'un 40% i l'efecte lleuger és evident.
Disseny integrat de vehicles
El disseny integrat de tot el vehicle i el disseny estructural de tot el vehicle es consideren de manera integral, i les parts estructurals es comparteixen i es comparteixen tant com sigui possible, com ara el disseny anticolisió, per aconseguir el màxim lleuger.
La bateria és un producte molt complet. Si voleu millorar un aspecte del rendiment, podeu sacrificar altres aspectes del rendiment. Aquesta és la base per entendre el disseny i desenvolupament de la bateria. Les bateries d'energia es dediquen als vehicles, de manera que la densitat d'energia no és l'única mesura de la qualitat de la bateria.
