Zwei Leistungsindikatoren von Lithium-Ionen-Batterien: Energiedichte und Lade-Entladerate

Analysieren Sie kurz die beiden Leistungsindikatoren von Lithium-Ionen-Batterien: Energiedichte und Lade-Entladerate

Energiedichte bezeichnet die Energiemenge, die pro Volumeneinheit gespeichert werden kann oder Gewicht. Je höher der Index, desto besser. Alles, was konzentriert ist, ist die Essenz. Die Lade- und Entladerate ist die Geschwindigkeit der Energiespeicherung und -freisetzung, vorzugsweise in Sekunden. Es wird augenblicklich gefüllt oder freigegeben, und es kann kommen und gehen, sobald es aufgerufen wird.

Natürlich sind dies alles Ideale, und tatsächlich unterliegen sie verschiedenen praktischen Faktoren. Es ist uns unmöglich, unendliche Energie zu erhalten oder die sofortige Übertragung von Energie zu realisieren. Wie wir diese Beschränkungen kontinuierlich durchbrechen und ein höheres Niveau erreichen können, ist ein schwieriges Problem, das wir lösen müssen.

(A) Die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien

Man kann sagen, dass die Energiedichte der größte Engpass ist, der die Entwicklung aktueller Lithium-Ionen-Batterien einschränkt. Ob Mobiltelefon oder Elektrofahrzeug, die Menschen erwarten, dass die Energiedichte des Akkus ein ganz neues Niveau erreicht, sodass die Akkulaufzeit oder die Laufleistung des Produkts nicht mehr der Hauptfaktor sind, der das Produkt plagt.

Von Blei-Säure-Akkus, Nickel-Cadmium-Akkus, Nickel-Metallhydrid-Akkus bis hin zu Lithium-Ionen-Akkus wurde die Energiedichte kontinuierlich verbessert. Die Verbesserungsgeschwindigkeit ist jedoch im Vergleich zur Geschwindigkeit der Entwicklung im industriellen Maßstab und dem Grad des menschlichen Energiebedarfs zu langsam. Manche Leute scherzen sogar, dass der menschliche Fortschritt in der „Batterie“ stecke. Wenn natürlich eines Tages die weltweite Stromübertragung drahtlos erfolgen kann und Strom überall "drahtlos" bezogen werden kann (wie ein Handysignal), dann braucht der Mensch keine Batterien mehr und die gesellschaftliche Entwicklung wird natürlich nicht an Batterien hängen bleiben .

Als Reaktion auf den Status quo, dass 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 bedeutenden Durchbrüchen bei der Energiedichte zu führen. Die von Regierungen oder Industrieorganisationen in China, den Vereinigten Staaten und Japan festgelegten Ziele für 2020 weisen im Wesentlichen auf einen Wert von 300 Wh/kg hin, was einer nahezu Verdoppelung der aktuellen Basis entspricht. Das langfristige Ziel im Jahr 2030 ist es, 500 Wh/kg oder sogar 700 Wh/kg zu erreichen. Um dieses Ziel zu erreichen, muss die Batterieindustrie einen großen Durchbruch im chemischen System erzielen.

Es gibt viele Faktoren, die die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen. Was sind die offensichtlichen Einschränkungen in Bezug auf das bestehende chemische System und die Struktur von Lithium-Ionen-Batterien?

Wir haben zuvor analysiert, dass das, was als elektrischer Energieträger fungiert, eigentlich das Lithiumelement in der Batterie ist und andere Substanzen „Abfall“ sind, aber um einen stabilen, nachhaltigen und sicheren elektrischen Energieträger zu erhalten, sind diese „Abfälle“ unverzichtbar. . Beispielsweise beträgt in einer Lithium-Ionen-Batterie der Massenanteil von Lithium in der Regel etwas mehr als 1 %, die restlichen 99 % der Bestandteile sind andere Stoffe, die keine Energiespeicherfunktionen übernehmen. Edison sagte bekanntlich, dass Erfolg zu 99 % aus Schweiß plus 1 % Talent besteht. Dieses Prinzip scheint überall zu gelten. 1 % ist Saflor und die restlichen 99 % sind grüne Blätter.

Um die Energiedichte zu verbessern, denken wir also zuerst daran, den Anteil der Lithiumelemente zu erhöhen und gleichzeitig möglichst viele Lithiumionen aus der positiven Elektrode herauslaufen zu lassen, zur negativen Elektrode zu wandern und dann von der zurückzukommen negative Elektrode zur positiven Elektrode (kleiner geht nicht), der Kreislauf des Energietransports.

1. Erhöhen Sie den Anteil an positivem Aktivmaterial

Die Erhöhung des Anteils an positiven Aktivmaterialien dient hauptsächlich dazu, den Anteil an Lithiumelementen zu erhöhen. Im selben Batteriechemiesystem steigt der Gehalt an Lithiumelementen (andere Bedingungen bleiben unverändert) und die Energiedichte wird ebenfalls entsprechend zunehmen. Unter bestimmten Volumen- und Gewichtsbeschränkungen hoffen wir also, dass es mehr positive aktive Materialien und mehr gibt.

2. Erhöhen Sie den Anteil an negativem Aktivmaterial

Dies entspricht eigentlich der Zunahme positiver aktiver Materialien, und es werden mehr negative aktive Materialien benötigt, um die Lithium-Ionen aufzunehmen, die darüber schwimmen und Energie speichern. Wenn das aktive Material der negativen Elektrode nicht ausreicht, werden die zusätzlichen Lithiumionen auf der Oberfläche der negativen Elektrode abgelagert, anstatt darin eingebettet zu werden, was zu einer irreversiblen chemischen Reaktion und einem Abfall der Batteriekapazität führt.

3. Verbesserung der spezifischen Kapazität (Grammkapazität) des Kathodenmaterials

Der Anteil an positiven Aktivmaterialien ist nach oben begrenzt und kann nicht beliebig gesteigert werden. Bei konstanter Gesamtmenge an positiven Aktivmaterialien können zur Verbesserung der Energiedichte nur möglichst viele Lithium-Ionen von der positiven Elektrode deinterkaliert werden, um an chemischen Reaktionen teilzunehmen. Daher hoffen wir, dass das Massenverhältnis der deinterkalierbaren Lithiumionen relativ zum positiven Aktivmaterial höher ist, dh der spezifische Kapazitätsindex höher ist.

Deshalb erforschen und selektieren wir verschiedene Kathodenmaterialien, von Lithium-Cobalt-Oxid über Lithium-Eisen-Phosphat bis hin zu ternären Materialien, die alle auf dieses Ziel zueilen.

Wie zuvor analysiert, kann Lithium-Kobalt-Oxid 137 mAh/g erreichen, die tatsächlichen Werte von Lithium-Manganat und Lithium-Eisenphosphat liegen alle bei etwa 120 mAh/g und das ternäre Nickel-Kobalt-Mangan kann 180 mAh/g erreichen. Wenn wir uns weiter verbessern wollen, müssen wir neue Kathodenmaterialien untersuchen und Fortschritte bei der Industrialisierung machen.

4. Verbesserung der spezifischen Kapazität von Anodenmaterialien

Relativ gesehen ist die spezifische Kapazität des negativen Elektrodenmaterials nicht der Hauptengpass der Energiedichte der Lithium-Ionen-Batterie, aber wenn die spezifische Kapazität der negativen Elektrode weiter verbessert wird, ist es bedeutet, dass das Material der negativen Elektrode mit weniger Masse mehr Lithiumionen aufnehmen kann, wodurch das Ziel der Erhöhung der Energiedichte erreicht wird.

Unter Verwendung graphitartiger Kohlenstoffmaterialien als negative Elektrode beträgt die theoretische spezifische Kapazität 372 mAh/g. Die auf dieser Basis untersuchten Hartkohlenstoffmaterialien und Nanokohlenstoffmaterialien können die spezifische Kapazität auf über 600 mAh/g steigern. Anodenmaterialien auf Zinn- und Siliziumbasis können auch die spezifische Kapazität der Anode auf ein sehr hohes Niveau steigern, was in der aktuellen Forschung heiß begehrt ist.

5. Abnehmen

Neben den Aktivmaterialien von positiven und negativen Elektroden, Elektrolyten, Separatoren, Bindemitteln, Leitmitteln, Stromableitern, Substraten, Hüllenmaterialien usw. macht das „Eigengewicht“ von Lithium-Ionen-Batterien den Anteil aus Gesamtgewicht der Batterie ca. 40 %. Wenn das Gewicht dieser Materialien reduziert werden kann, ohne die Leistung der Batterie zu beeinträchtigen, könnte dies auch die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien verbessern.

Um hier viel Aufhebens zu machen, bedarf es detaillierter Recherchen und Analysen zu Elektrolyten, Separatoren, Bindemitteln, Substraten und Stromabnehmern, Hüllenmaterialien, Herstellungsverfahren etc., um eine vernünftige Lösung zu finden. Wenn alle Aspekte verbessert werden, kann die Gesamtenergiedichte der Batterie um ein gewisses Maß erhöht werden.

Aus der obigen Analyse ist ersichtlich, dass die Verbesserung der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien ein systematisches Projekt ist. Wir sollten damit beginnen, den Herstellungsprozess zu verbessern, die Leistung bestehender Materialien zu verbessern und neue Materialien und neue chemische Systeme zu entwickeln. und langfristige Lösungen.