Dwa wskaźniki wydajności akumulatorów litowo-jonowych: gęstość energii i szybkość ładowania-rozładowania

Krótko przeanalizuj dwa wskaźniki wydajności akumulatorów litowo-jonowych: gęstość energii i szybkość ładowania-rozładowania

Gęstość energii odnosi się do ilości energii, którą można zmagazynować na jednostkę objętości lub wagi. Oczywiście im wyższy wskaźnik, tym lepiej. Wszystko, co jest skoncentrowane, jest esencją. Szybkość ładowania i rozładowania to szybkość magazynowania i uwalniania energii, najlepiej w sekundach. Jest napełniany lub uwalniany w jednej chwili i może przychodzić i odchodzić, gdy tylko zostanie wezwany.

Oczywiście są to wszystkie ideały, które w rzeczywistości podlegają różnym czynnikom praktycznym. Niemożliwe jest dla nas uzyskanie nieskończonej energii, ani zrealizowanie natychmiastowego transferu energii. Jak nieustannie przełamywać te ograniczenia i wchodzić na wyższy poziom to trudny problem, który musimy rozwiązać.

(A) Gęstość energii akumulatorów litowo-jonowych

Można powiedzieć, że gęstość energii jest największym wąskim gardłem ograniczającym rozwój obecnych akumulatorów litowo-jonowych. Niezależnie od tego, czy jest to telefon komórkowy, czy pojazd elektryczny, ludzie oczekują, że gęstość energii baterii osiągnie zupełnie nowy poziom, dzięki czemu żywotność baterii lub przebieg produktu nie będą już głównym czynnikiem nękającym produkt.

Od akumulatorów kwasowo-ołowiowych, przez akumulatory niklowo-kadmowe, akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe po akumulatory litowo-jonowe, gęstość energii jest stale ulepszana. Tempo poprawy jest jednak zbyt wolne w porównaniu z tempem rozwoju na skalę przemysłową i stopniem zapotrzebowania człowieka na energię. Niektórzy nawet żartują, że postęp ludzkości tkwi w „baterii”. Oczywiście, jeśli pewnego dnia globalną transmisję energii można osiągnąć bezprzewodowo, a moc będzie można uzyskać „bezprzewodowo” w dowolnym miejscu (jak sygnał telefonu komórkowego), to ludzie nie będą już potrzebować baterii, a rozwój społeczny naturalnie nie będzie utknął na bateriach .

W odpowiedzi na status quo, zgodnie z którym gęstość energii stała się wąskim gardłem, kraje na całym świecie sformułowały odpowiednie cele polityki dla branży baterii, mając nadzieję, że poprowadzą przemysł baterii do osiągnięcia znaczących przełomów w gęstości energii. Cele na 2020 r. wyznaczone przez rządy lub organizacje branżowe w Chinach, Stanach Zjednoczonych i Japonii zasadniczo wskazują na wartość 300 Wh/kg, co odpowiada prawie podwojeniu obecnej podstawy. Długoterminowym celem w 2030 roku jest osiągnięcie 500Wh/kg, a nawet 700Wh/kg. Aby osiągnąć ten cel, przemysł baterii musi dokonać poważnego przełomu w systemie chemicznym.

Na gęstość energii akumulatorów litowo-jonowych wpływa wiele czynników. Jeśli chodzi o istniejący układ chemiczny i budowę akumulatorów litowo-jonowych, jakie są oczywiste ograniczenia?

Przeanalizowaliśmy wcześniej, że tym, co pełni rolę nośnika energii elektrycznej, jest w rzeczywistości pierwiastek litowy w baterii, a inne substancje są „odpadem”, ale aby uzyskać stabilny, zrównoważony i bezpieczny nośnik energii elektrycznej, te „odpady” są niezbędne. . Na przykład w akumulatorze litowo-jonowym udział masowy litu wynosi na ogół nieco ponad 1%, a pozostałe 99% składników to inne substancje, które nie pełnią funkcji magazynowania energii. Edison powiedział, że sukces to 99% potu i 1% talentu. Wydaje się, że ta zasada obowiązuje wszędzie. 1% to krokosz, a pozostałe 99% to zielone liście.

Aby więc poprawić gęstość energii, najpierw myślimy o zwiększeniu udziału pierwiastków litowych, a jednocześnie aby jak najwięcej jonów litu wypłynęło z elektrody dodatniej, przeszło do elektrody ujemnej, a następnie wróciło z elektrody. elektroda ujemna do elektrody dodatniej (nie może być mniej), cykl transportu energii.

1. Zwiększ proporcję pozytywnego materiału aktywnego

Zwiększenie udziału pozytywnych materiałów aktywnych ma głównie na celu zwiększenie udziału pierwiastków litowych. W tym samym układzie chemicznym baterii wzrasta zawartość pierwiastków litowych (pozostałe warunki pozostają bez zmian), a gęstość energii również odpowiednio wzrasta. Mamy więc nadzieję, że przy pewnych ograniczeniach dotyczących objętości i wagi pojawi się więcej pozytywnych materiałów aktywnych i nie tylko.

2. Zwiększ udział negatywnego materiału aktywnego

W rzeczywistości ma to na celu wyrównanie wzrostu liczby dodatnich materiałów aktywnych, a więcej ujemnych materiałów aktywnych jest potrzebnych, aby pomieścić jony litu, które przepływają i magazynują energię. Jeśli aktywny materiał elektrody ujemnej jest niewystarczający, dodatkowe jony litu osadzają się na powierzchni elektrody ujemnej zamiast osadzać się w środku, powodując nieodwracalną reakcję chemiczną i spadek pojemności akumulatora.

3. Popraw pojemność właściwą (pojemność w gramach) materiału katody;

Udział pozytywnych materiałów aktywnych ma górną granicę i nie może być zwiększany w nieskończoność. Gdy całkowita ilość dodatnich materiałów aktywnych jest stała, tylko tak wiele jonów litu, jak to możliwe, może zostać zdeinterkalowane z elektrody dodatniej, aby uczestniczyć w reakcjach chemicznych w celu poprawy gęstości energii. Dlatego mamy nadzieję, że stosunek masowy jonów litu, które można deinterkalować w stosunku do dodatniego materiału aktywnego, jest wyższy, to znaczy wskaźnik pojemności właściwej jest wyższy.

Dlatego badamy i wybieramy różne materiały katodowe, od tlenku litowo-kobaltowego, przez fosforan litowo-żelazowy, po materiały trójskładnikowe, z których wszystkie dążą do tego celu.

Jak wcześniej przeanalizowano, tlenek litowo-kobaltowy może osiągnąć 137 mAh/g, rzeczywiste wartości manganianu litu i fosforanu litowo-żelazowego wynoszą około 120 mAh/g, a trójskładnikowy mangan niklowo-kobaltowy może osiągnąć 180 mAh/g. Jeśli chcemy dalej się rozwijać, musimy studiować nowe materiały katodowe i poczynić postępy w uprzemysłowieniu.

4. Popraw pojemność właściwą materiałów anodowych

Stosunkowo mówiąc, pojemność właściwa materiału elektrody ujemnej nie jest głównym wąskim gardłem gęstości energii akumulatora litowo-jonowego, ale jeśli pojemność właściwa elektrody ujemnej ulegnie dalszej poprawie, oznacza, że ​​materiał elektrody ujemnej o mniejszej masie może pomieścić więcej jonów litu, tym samym osiągając cel zwiększenia gęstości energii.

Używając materiałów węglowych podobnych do grafitu jako elektrody ujemnej, teoretyczna pojemność właściwa wynosi 372 mAh/g. Badane na tej podstawie twarde materiały węglowe i nanowęglowe mogą zwiększyć pojemność właściwą do ponad 600 mAh/g. Materiały anodowe na bazie cyny i krzemu mogą również zwiększyć pojemność właściwą anody do bardzo wysokiego poziomu, co jest gorącymi kierunkami aktualnych badań.

5. Schudnij

Oprócz materiałów aktywnych elektrod dodatnich i ujemnych, elektrolity, separatory, spoiwa, środki przewodzące, kolektory prądu, podłoża, materiały powłokowe itp. stanowią „ciężar własny” akumulatorów litowo-jonowych, stanowiący proporcję cała waga baterii około 40%. Jeśli ciężar tych materiałów można zmniejszyć bez pogorszenia wydajności akumulatora, może to również poprawić gęstość energii akumulatorów litowo-jonowych.

Aby zrobić zamieszanie w tym zakresie, konieczne jest przeprowadzenie szczegółowych badań i analiz dotyczących elektrolitów, separatorów, spoiw, podłoży i odbieraków prądu, materiałów powłokowych, procesów produkcyjnych itp., tak aby znaleźć rozsądne rozwiązanie. Jeśli wszystkie aspekty zostaną ulepszone, ogólna gęstość energii akumulatora może zostać zwiększona o pewien stopień.

Z powyższej analizy wynika, że ​​poprawa gęstości energii akumulatorów litowo-jonowych jest projektem systematycznym. Powinniśmy zacząć od udoskonalenia procesu produkcyjnego, poprawy wydajności istniejących materiałów oraz opracowania nowych materiałów i nowych systemów chemicznych. i długoterminowe rozwiązania.