Два показники продуктивності літій-іонних акумуляторів: щільність енергії та швидкість заряду-розряду

. Коротко проаналізуйте два показники ефективності літій-іонних акумуляторів: щільність енергії та швидкість заряду-розряду.

Щільність енергії означає кількість енергії, яку можна зберегти на одиницю об’єму. або вага. Звичайно, чим вищий індекс, тим краще. Усе, що сконцентровано, є сутністю. Швидкість заряджання та розряджання — це швидкість накопичення та вивільнення енергії, бажано в секундах. Він заповнюється або звільняється миттєво, і він може приходити і йти, як тільки його викликають.

Звичайно, це все ідеали, і насправді вони підпорядковані різним практичним факторам. Ми не можемо ні отримати нескінченну енергію, ні здійснити миттєву передачу енергії. Як постійно долати ці обмеження та виходити на вищий рівень – складна проблема, яку нам потрібно вирішити.

(A) Щільність енергії літій-іонних батарей

Можна сказати, що щільність енергії є найбільшим вузьким місцем, яке обмежує розробку поточних літій-іонних батарей. Незалежно від того, чи це мобільний телефон чи електричний транспортний засіб, люди очікують, що щільність енергії батареї досягне абсолютно нового рівня, так що термін служби батареї або пробіг виробу більше не будуть головним фактором, який заважає продукту.

Від свинцево-кислотних акумуляторів, нікель-кадмієвих акумуляторів, нікель-метал-гідридних акумуляторів до літій-іонних акумуляторів, щільність енергії постійно покращується. Проте швидкість удосконалення надто повільна порівняно зі швидкістю промислового розвитку та ступенем людського попиту на енергію. Дехто навіть жартує, що людський прогрес застряг у «батарейці». Звичайно, якщо одного дня глобальну передачу електроенергії можна буде досягти бездротовим способом, і електроенергію можна буде отримати «бездротовим способом» будь-де (як сигнал мобільного телефону), тоді людям більше не будуть потрібні батареї, і соціальний розвиток, природно, не буде залежати від батарейок. .

У відповідь на статус-кво, коли щільність енергії стала вузьким місцем, країни в усьому світі сформулювали відповідні цілі політики галузі акумуляторів, сподіваючись привести галузь акумуляторів до значних проривів у щільності енергії. Цілі до 2020 року, встановлені урядами або галузевими організаціями в Китаї, Сполучених Штатах і Японії, в основному вказують на значення 300 Вт-год/кг, що еквівалентно майже подвоєнню поточної бази. Довгострокова мета до 2030 року – досягти 500 Вт-год/кг або навіть 700 Вт-год/кг. Щоб досягти цієї мети, галузь виробництва акумуляторів має здійснити серйозний прорив у хімічній системі.

Є багато факторів, які впливають на щільність енергії літій-іонних батарей. Що стосується існуючої хімічної системи та структури літій-іонних акумуляторів, які очевидні обмеження?

Раніше ми аналізували, що те, що діє як носій електричної енергії, насправді є літієвим елементом в акумуляторі, а інші речовини є «відходами», але для отримання стабільного, стійкого та безпечного носія електричної енергії ці «відходи» є незамінними. . Наприклад, у літій-іонній батареї масова частка літію зазвичай становить трохи більше 1%, а решта 99% компонентів складають інші речовини, які не виконують функції накопичення енергії. Едісон сказав, що успіх - це 99% поту плюс 1% таланту. Здається, цей принцип діє всюди. 1% - це сафлор, а решта 99% - зелене листя.

Отже, щоб покращити щільність енергії, перше, про що ми думаємо, це збільшити частку літієвих елементів, і в той же час дозволити стільки іонів літію витікати з позитивного електрода, переходити до негативного електрода, а потім повертатися з негативний електрод до позитивного електрода (не може бути менше) , цикл транспортування енергії.

1. Збільшити частку позитивного активного матеріалу

Збільшення частки позитивних активних матеріалів полягає головним чином у збільшенні частки елементів літію. У тій же хімічній системі батареї збільшується вміст літієвих елементів (інші умови залишаються незмінними), відповідно зросте і щільність енергії. Тож за певних обмежень щодо об’єму та ваги ми сподіваємося, що буде більше позитивних активних матеріалів тощо.

2. Збільшити частку негативного активного матеріалу

Насправді це відповідає збільшенню позитивних активних матеріалів, а більше негативних активних матеріалів потрібні для розміщення іонів літію, які плавають і накопичують енергію. Якщо активного матеріалу негативного електрода недостатньо, додаткові іони літію осідають на поверхні негативного електрода, а не вбудовуються всередину, що призведе до незворотної хімічної реакції та зниження ємності акумулятора.

3. Поліпшити питому ємність (грамемність) матеріалу катода

Частка позитивних активних речовин має верхню межу і не може бути збільшена нескінченно. Коли загальна кількість позитивних активних матеріалів постійна, лише стільки іонів літію можна деінтеркалувати з позитивного електрода для участі в хімічних реакціях, щоб покращити щільність енергії. Таким чином, ми сподіваємося, що масове відношення іонів літію, які можуть бути деінтеркаловані, відносно позитивного активного матеріалу вище, тобто індекс питомої ємності вищий.

Ось чому ми досліджуємо та вибираємо різні катодні матеріали, від оксиду літію-кобальту до фосфату літію-заліза та потрійних матеріалів, усі вони поспішають до цієї мети.

Як було проаналізовано раніше, оксид літію-кобальту може досягати 137 мАг/г, фактичні значення марганату літію та фосфату літію-заліза становлять близько 120 мАг/г, а потрійний нікель-кобальт-марганець може досягати 180 мА-год/г. Якщо ми хочемо вдосконалюватися далі, нам потрібно вивчати нові катодні матеріали та досягати прогресу в індустріалізації.

4. Підвищення питомої ємності анодних матеріалів

Відносно кажучи, питома ємність матеріалу негативного електрода не є головним вузьким місцем щільності енергії літій-іонної батареї, але якщо питома ємність негативного електрода буде покращена далі, це означає, що матеріал негативного електрода з меншою масою може вмістити більше іонів літію, таким чином досягаючи мети збільшення щільності енергії.

Використовуючи графітоподібні вуглецеві матеріали як негативний електрод, теоретична питома ємність становить 372 мАг/г. Тверді вуглецеві матеріали та нановуглецеві матеріали, досліджені на цій основі, можуть збільшити питому ємність до понад 600 мАг/г. Анодні матеріали на основі олова та кремнію також можуть збільшити питому ємність анода до дуже високого рівня, що є актуальним напрямком поточних досліджень.

5. Схуднути

На додаток до активних матеріалів позитивних і негативних електродів, електроліти, сепаратори, сполучні речовини, провідні агенти, струмоприймачі, підкладки, матеріали оболонки тощо є «мертвим вантажем» літій-іонних акумуляторів, що становить частку повна вага батареї близько 40%. Якщо вагу цих матеріалів можна зменшити без шкоди для продуктивності батареї, це також може підвищити щільність енергії літій-іонних батарей.

Щоб підняти галас у цьому відношенні, необхідно провести детальні дослідження та аналіз електролітів, сепараторів, зв’язуючих речовин, підкладок і струмоприймачів, матеріалів оболонки, виробничих процесів тощо, щоб знайти розумне рішення. Якщо всі аспекти покращено, загальну щільність енергії акумулятора можна збільшити до певної міри.

З наведеного вище аналізу видно, що підвищення щільності енергії літій-іонних акумуляторів є систематичним проектом. Ми повинні почати з удосконалення виробничого процесу, покращення продуктивності існуючих матеріалів і розробки нових матеріалів і нових хімічних систем. і довгострокові рішення.