Gęstość energii odnosi się do ilości energii zmagazynowanej w określonej jednostce przestrzeni lub masie materii. Gęstość energii akumulatora to energia elektryczna uwalniana przez średnią jednostkę objętości lub masy akumulatora. Gęstość energii baterii jest ogólnie podzielona na dwa wymiary: grawimetryczna gęstość energii i wolumetryczna gęstość energii.

Czym jest gęstość energii?
Gęstość energii odnosi się do ilości energii zmagazynowanej w określonej jednostce przestrzeni lub masie materii. Gęstość energii akumulatora to energia elektryczna uwalniana przez średnią jednostkę objętości lub masy akumulatora. Gęstość energii baterii jest ogólnie podzielona na dwa wymiary: grawimetryczna gęstość energii i wolumetryczna gęstość energii.

Waga akumulatora gęstość energii = pojemność akumulatora × platforma rozładowania/masa, jednostka podstawowa to Wh/kg (watogodzina/kg)
Objętościowa gęstość energii akumulatora = pojemność akumulatora × platforma rozładowania/objętość, jednostka podstawowa to Wh/l (wato- godzina/litr)
Im większa gęstość energii akumulatora, tym więcej energii elektrycznej można zmagazynować na jednostkę objętości lub wagi.

Co to jest gęstość energii monomeru?
Gęstość energii baterii często wskazuje na dwie różne koncepcje, jedna to gęstość energii pojedynczej komórki, a druga to gęstość energii systemu baterii.

Ogniwo to najmniejsza jednostka systemu baterii. Ogniwa M tworzą moduł, a moduły N tworzą pakiet akumulatorów, który jest podstawową konstrukcją akumulatora samochodowego.

Gęstość energii pojedynczej komórki, jak sama nazwa wskazuje, to gęstość energii na poziomie pojedynczej komórki.

Według „Made in China 2025” doprecyzowano plan rozwoju akumulatorów zasilających: w 2020 r. gęstość energii akumulatorów osiągnie 300 Wh/kg; w 2025 r. gęstość energii baterii osiągnie 400Wh/kg; w 2030 r. gęstość energii baterii osiągnie 500Wh/kg. Odnosi się to do gęstości energii na poziomie pojedynczej komórki.

Co to jest gęstość energii systemu?
Gęstość energii systemu odnosi się do masy lub objętości całego systemu baterii po zakończeniu łączenia monomerów. Ponieważ system akumulatora obejmuje system zarządzania akumulatorem, system zarządzania temperaturą, obwody wysokiego i niskiego napięcia itp., które zajmują część masy i przestrzeni wewnętrznej systemu akumulatora, gęstość energii systemu akumulatora jest niższa niż gęstość energii monomeru.

Gęstość energii systemu = ładowanie systemu akumulatorów/waga systemu akumulatorów LUB objętość systemu akumulatorów
Co dokładnie ogranicza gęstość energii akumulatorów litowych?
Głównym powodem jest chemia baterii.

Ogólnie rzecz biorąc, cztery części baterii litowej są bardzo krytyczne: elektroda dodatnia, elektroda ujemna, elektrolit i membrana. Na dodatnich i ujemnych elektrodach zachodzą reakcje chemiczne, które są równoważne dwóm żyłom Ren i Du, a ich znaczenie jest oczywiste. Wszyscy wiemy, że gęstość energii systemu akumulatora z trójskładnikowym litem jako elektrodą dodatnią jest wyższa niż w systemie akumulatora z fosforanem litowo-żelazowym jako elektrodą dodatnią. Dlaczego to?

Istniejące materiały anodowe akumulatorów litowo-jonowych to głównie grafit, a teoretyczna pojemność gramowa grafitu wynosi 372 mAh/g. Teoretyczna pojemność gramowa materiału katodowego, fosforanu litowo-żelazowego, wynosi tylko 160 mAh/g, podczas gdy trójskładnikowy materiał niklowo-kobaltowo-manganowy (NCM) wynosi około 200 mAh/g.

Zgodnie z teorią beczki poziom wody określa najkrótsza część beczki, a dolna granica gęstości energii akumulatorów litowo-jonowych zależy od materiału katody.

Platforma napięciowa fosforanu litowo-żelazowego wynosi 3,2 V, a wskaźnik trójskładnikowy wynosi 3,7 V. W porównaniu z tymi dwoma, gęstość energii jest wysoka, a różnica wynosi 16%.

Oczywiście oprócz układu chemicznego na gęstość energii wpływa również poziom procesu produkcyjnego, taki jak gęstość zagęszczenia, grubość folii itp. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa gęstość zagęszczenia, tym wyższa pojemność akumulatora na ograniczonej przestrzeni, więc gęstość zagęszczenia materiału głównego jest również uważana za jeden z referencyjnych wskaźników gęstości energii akumulatora.

W czwartym odcinku „Great Power II” CATL zastosował 6-mikronową folię miedzianą, wykorzystując zaawansowaną technologię do poprawy gęstości energii.

Jeśli potrafisz trzymać się każdej linii, przeczytaj do tego momentu. Gratulacje, Twoje zrozumienie baterii osiągnęło nowy poziom.

Jak poprawić gęstość energii?
Przyjęcie nowych systemów materiałowych, dopracowanie struktury baterii litowej i poprawa zdolności produkcyjnych to trzy etapy, w których inżynierowie ds. Badań i rozwoju mogą „z wdziękiem tańczyć”. Poniżej wyjaśnimy z dwóch wymiarów singla i systemu.
—— Indywidualna gęstość energii, głównie w oparciu o przełomy w układach chemicznych

1. Zwiększ rozmiar

baterii Producenci baterii mogą osiągnąć efekt zwiększenia pojemności poprzez zwiększenie rozmiaru oryginalnej baterii. Najbardziej znamy ten przykład: Tesla, znana firma zajmująca się samochodami elektrycznymi, która przejęła inicjatywę w stosowaniu baterii Panasonic 18650, zastąpi ją nową baterią 21700.

Jednak komórki „tłuszczowe” lub „długie” są tylko tymczasowym rozwiązaniem, a nie podstawową przyczyną. Metoda pobierania wynagrodzeń z dna czajnika polega na znalezieniu kluczowej technologii poprawiającej gęstość energii z materiałów elektrod dodatnich i ujemnych oraz składników elektrolitu, które składają się na akumulator.

2. Zmiany w układzie chemicznym

Jak wspomniano wcześniej, gęstość energii akumulatora jest kontrolowana przez dodatnią i ujemną elektrodę akumulatora. Ponieważ gęstość energii materiału elektrody ujemnej jest znacznie wyższa niż gęstość energii elektrody dodatniej, konieczne jest ciągłe ulepszanie materiału elektrody dodatniej w celu poprawy gęstości energii.

Katoda wysokoniklowa

Materiały trójskładnikowe ogólnie odnoszą się do dużej rodziny tlenków niklowo-kobaltowo-manganianowych. Możemy zmienić wydajność baterii, zmieniając proporcje niklu, kobaltu i manganu.

Anoda krzemowo-węglowa na rysunku

Pojemność właściwa materiałów anodowych na bazie krzemu może osiągnąć 4200 mAh/g, co jest znacznie wyższa niż teoretyczna pojemność właściwa anod grafitowych 372 mAh/g, dzięki czemu stała się potężnym substytutem anod grafitowych.

Obecnie zastosowanie materiałów kompozytowych krzemowo-węglowych do poprawy gęstości energetycznej akumulatorów stało się jednym z uznanych przez branżę kierunków rozwoju materiałów na anody akumulatorów litowo-jonowych. Model 3 wydany przez Teslę wykorzystuje anodę krzemowo-węglową.

W przyszłości, jeśli chcesz pójść o krok dalej i przełamać barierę 350 Wh/kg dla pojedynczych ogniw, partnerzy z branży mogą być zmuszeni do skupienia się na systemach akumulatorów litowo-metalowych typu ujemnego, ale oznacza to również, że cały proces produkcji baterii ulega zmianie i wyrafinowanie. Z kilku typowych materiałów trójskładnikowych w Chinach można zobaczyć, że zawartość niklu jest coraz wyższa, a zawartość kobaltu coraz mniejsza. Im wyższa zawartość niklu, tym wyższa pojemność właściwa ogniwa. Ponadto, ze względu na niedobór zasobów kobaltu, zwiększenie udziału niklu zmniejszy ilość zużywanego kobaltu.

3. Gęstość energii systemu: popraw wydajność grupy akumulatorów
Grupowanie pakietów baterii sprawdza zdolność bateryjnych „lwów oblężniczych” do układania pojedynczych ogniw i modułów. Niezbędne jest postawienie na bezpieczeństwo i maksymalne wykorzystanie każdego centymetra przestrzeni.

Istnieją głównie następujące sposoby „odchudzenia” akumulatora.

Optymalizacja układu
Pod względem wymiarów zewnętrznych układ wewnętrzny systemu można zoptymalizować, aby rozmieszczenie komponentów wewnątrz zestawu akumulatorów było bardziej kompaktowe i wydajne.

Optymalizacja topologii
Projekt redukcji masy realizujemy poprzez obliczenia symulacyjne w założeniu zapewnienia sztywności i niezawodności konstrukcji. Dzięki tej technologii można osiągnąć optymalizację topologii i optymalizację topografii, a ostatecznie pomóc w uzyskaniu lekkich skrzynek akumulatorowych.

Dobór materiałów
Możemy wybrać materiały o małej gęstości. Na przykład górna pokrywa zestawu akumulatorów została stopniowo przekształcona z tradycyjnej górnej pokrywy z blachy w górną pokrywę z materiału kompozytowego, która może zmniejszyć wagę o około 35%. W przypadku dolnej skrzynki akumulatora tradycyjne rozwiązanie z blachy stalowej zostało stopniowo przekształcone w rozwiązanie z profilu aluminiowego, zmniejszając wagę o około 40%, a efekt lekkości jest oczywisty.

Zintegrowany projekt pojazdu

Zintegrowany projekt całego pojazdu i projekt całej konstrukcji pojazdu są brane pod uwagę, a części konstrukcyjne są w jak największym stopniu wspólne, takie jak konstrukcja antykolizyjna, aby osiągnąć maksymalną lekkość.

Akumulator to bardzo wszechstronny produkt. Jeśli chcesz poprawić wydajność jednego aspektu, możesz poświęcić wydajność innych aspektów. Jest to podstawa zrozumienia konstrukcji i rozwoju baterii. Baterie zasilające dedykowane są do pojazdów, więc gęstość energii nie jest jedyną miarą jakości baterii.