Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien

Es kann gesagt werden, dass die Energiedichte der größte Engpass ist, der die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien einschränkt. Unabhängig davon, ob es sich um ein Mobiltelefon oder ein Elektrofahrzeug handelt, erwarten die Menschen, dass die Energiedichte der Batterie eine neue Größenordnung erreicht, sodass die Akkulaufzeit oder Kilometerleistung des Produkts nicht mehr der Hauptfaktor ist, der das Produkt beeinflusst.

Von Blei-Säure-Batterien über Nickel-Cadmium-Batterien bis hin zu Nickel-Metall-Hydridbatterien bis hin zu Lithium-Ionen-Batterien hat sich die Energiedichte ständig verbessert. Die Verbesserungsrate ist jedoch zu langsam im Vergleich zum Entwicklungstempo auf industriellem Maßstab und im Vergleich zum Umfang des menschlichen Energiebedarfs. Einige Leute scherzen sogar, dass der menschliche Fortschritt in der "Batterie" steckt. Wenn eines Tages die globale drahtlose Energieübertragung von Energie erreicht werden kann, mit "drahtlosen" Zugang zu Strom überall (wie Mobiltelefonsignalen), werden die Menschen keine Batterien mehr benötigen, und die soziale Entwicklung wird natürlich nicht festhalten die Batterie.

Als Reaktion auf die Situation, in der die Energiedichte zu einem Engpass geworden ist, haben Länder auf der ganzen Welt relevante politische Ziele für die Batterieindustrie formuliert, in der Hoffnung, die Batterieindustrie zu führen, um erhebliche Durchbrüche in der Energiedichte zu erzielen. Die von Regierungen oder Industrieorganisationen in China, den Vereinigten Staaten, Japan und anderen Ländern festgelegten Ziele von 2020 verweisen im Wesentlichen auf einen Wert von 300Wh/kg, was auf der derzeitigen Basis fast verdoppelt wird. Das langfristige Ziel für 2030 beträgt 500 WH/kg oder sogar 700Wh/kg, und die Batterieindustrie benötigt einen großen Durchbruch in der Chemie, um dies zu erreichen.

Es gibt viele Faktoren, die die Energiedichte von Lithiumbatterien im Hinblick auf das vorhandene chemische System und die Struktur von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen, was sind die offensichtlichen Einschränkungen?

Wir haben zuvor als Träger elektrischer Energie analysiert, tatsächlich das Lithiumelement in der Batterie, andere Substanzen sind "Abfall" . Zum Beispiel beträgt die Masse von Lithium in einer Lithium-Ionen-Batterie im Allgemeinen etwas mehr als 1%, und die verbleibenden 99% der Komponenten sind andere Substanzen, die nicht die Funktion der Speicherung von Energie haben. Edison hat ein berühmtes Sprichwort, Erfolg beträgt 99% Schweiß plus 1% Talent. Es scheint, dass diese Wahrheit universell ist, 1% rote Blumen, die restlichen 99% sind grüne Blätter, die nicht.

Um die Energiedichte zu erhöhen, ist unser erster Gedanke, den Anteil der Lithiumelemente zu erhöhen und gleichzeitig so viele Lithiumionen wie möglich zu ermöglichen, die positive Elektrode zu verlassen, sich zur negativen Elektrode zu bewegen und dann aus der negativen Elektrode zurückzukehren (kann nicht reduziert werden), der Zyklus der Handhabungsenergie.

1. Erhöhen Sie die Menge an positiven aktiven Substanzen

Das Erhöhen des Anteils positiver aktiver Materialien bedeutet hauptsächlich, den Anteil von Lithium zu erhöhen. In demselben Batteriechemie -System steigt der Gehalt an Lithium (andere Bedingungen bleiben unverändert) und die Energiedichte wird auch entsprechend verbessert. Innerhalb bestimmter Volumen- und Gewichtsgrenzen wollen wir also ein positiveres aktives Material und mehr aktiveres Material.

2. Erhöhen Sie die Menge an negativem aktivem Material

Dies liegt daran, dass ein negativeres aktives Material erforderlich ist, um die Lithiumionen, die überschwimmen und Energie speichern, ein negativeres aktives Material benötigt, um mit der Zunahme des positiven aktiven Materials Schritt zu halten. Wenn nicht genügend negatives aktives Material vorhanden ist, werden die zusätzlichen Lithiumionen auf der negativen Oberfläche abgelagert, anstatt innen eingebettet zu werden, was zu irreversiblen chemischen Reaktionen und Verlust der Batteriekapazität führt.

3. Verbesserung der spezifischen Kapazität des positiven Elektrodenmaterials (Grammkapazität)

Die Menge an positivem aktiven Material ist begrenzt und kann nicht auf unbestimmte Zeit erhöht werden. Für eine bestimmte Menge positiver aktives Material werden nur so viele Lithiumionen wie möglich aus der positiven Elektrode entfernt, um an chemischen Reaktionen teilzunehmen, um die Energiedichte zu erhöhen. Wir hoffen daher, dass der Massenanteil von abnehmbaren Lithiumionen im Vergleich zum positiven aktiven Material hoch ist, dh der spezifische Kapazitätsindex ist hoch.

Dies ist der Grund, warum wir verschiedene Kathodenmaterialien untersuchen und auswählen, von Lithium -Kobaltat bis hin zu Lithium -Eisenphosphat und dann zu ternären Materialien zu diesem Ziel.

Zuvor analysiert, kann Lithium -Kobaltat 137MAH/g, Lithium -Manganat und Lithium -Eisenphosphat -Werte bei etwa 120 mAh/g erreichen. Nickel -Kobalt -Mangan -Ternär kann 180 mAh/g erreichen. Wenn Sie steigen möchten, müssen Sie neue Kathodenmaterialien studieren und Fortschritte bei der Industrialisierung erzielen.

4. Verbesserung der spezifischen Kapazität des Anodenmaterials

Relativ gesehen ist die spezifische Kapazität des negativen Elektrodenmaterials nicht der Haupt Engpass für die Energiedichte der Lithium -Eisen -Phosphatbatterie , aber wenn die spezifische Kapazität der negativen Elektrode weiter erhöht wird, bedeutet dies, dass mehr Lithiumionen mit weniger untergebracht werden können Masse des negativen Elektrodenmaterials, wodurch das Ziel erreicht wird, die Energiedichte zu erhöhen.

Bei Graphitkohlenstoffmaterialien als negative Elektrode beträgt die theoretische spezifische Kapazität 372 mAh/g, und die auf dieser Basis untersuchten harten Kohlenstoffmaterialien und Nankohlenstoffmaterialien können die spezifische Kapazität auf mehr als 600 mAh/g erhöhen. Anodenmaterial auf Zinn- und Siliziumbasis können auch die spezifische Kapazität der Anode auf eine sehr hohe Ordnung erhöhen, was der aktuelle Forschungsfokus ist.

5. Gewichtsreduzierung

Zusätzlich zu den aktiven Materialien der positiven und negativen Elektroden, des Elektrolyten, des Isolierfilms, des Bindemittels, des Leitmittels, des Flüssigkeitskollektors, der Matrix, des Gehäusematerials usw. sind das "totes Gewicht" von Lithium-Ionen-Batterien, die etwa 40 ausmachen % des Gewichts der gesamten Batterie. Wenn das Gewicht dieser Materialien verringert werden kann, ohne die Leistung der Batterie zu beeinflussen, kann die Energiedichte von Li-Ionen-Batterien verbessert werden.

In dieser Hinsicht ist es notwendig, detaillierte Forschungen und Analysen zu Elektrolyten, Isolierfilmen, Bindemittel, Matrix- und Flüssigkeitskollektor, Gehäusematerial, Herstellungsprozess usw. durchzuführen, um ein angemessenes Programm zu finden. Wenn alle Aspekte verbessert werden, kann die Energiedichte der Batterie als Ganzes um einen Grad verbessert werden.

Aus der obigen Analyse ist es ersichtlich, dass die Verbesserung der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien eine systematische Technik ist, um den Herstellungsprozess zu verbessern, die Leistung bestehender Materialien zu verbessern und neue Materialien und neue chemische Systeme aus diesen Aspekten zu entwickeln und nach zu suchen kurze, mittlere und langfristige Lösungen.