Wie berechnet man die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batteriezellen mit verschiedenen Anodenmaterialien?

Zunächst die Berechnung der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batteriezellen mit verschiedenen Anodenmaterialien

Die positiven und negativen Materialien bestimmen die Energiedichte der Batterie, aber der größte Teil der Literatur berechnet die Energiedichte basierend auf der Qualität eines einzelnen aktiven Kathodenmaterials. Einige Literaturen berücksichtigen die Summe der aktiven Materialien der positiven und negativen Materialien. Die Qualität des nicht aktiven Batteriematerials wird vernachlässigt, wodurch die berechneten Ergebnisse stark von den tatsächlichen abweichen.

Gemäß der Berechnungsmethode der Literatur wird die Energiedichte üblicher positiver und negativer Lithiumbatteriematerialien berechnet. Die Kapazität und Spannung sind in Tabelle 1 und Tabelle 2 gezeigt. In letzter Zeit nimmt die Kapazität von Kathodenmaterialien zu, es besteht jedoch immer noch eine große Lücke zum theoretischen Wert. Bei der Auswahl der höchsten Kapazität wird nicht der höchste angegebene Wert verwendet, sondern die Machbarkeit der Auswahl der technischen Indikatoren zur Auswahl der Werte der Tabellen 1 und 2. Es gibt immer noch viele Probleme beim Erreichen dieses Werts, wie z. B. die Steuerung der Volumenexpansion und der Rateneigenschaften und Zykluseigenschaften. Tabelle 3 enthält typische Parameter für die Entfernung von Einkapselungsmaterialien und Blei, inaktiven Materialien innerhalb des Einkapselungsmaterials [4].

Die Form der Batterie variiert jedoch, und die Zelle in dieser Arbeit bezieht sich auf alle anderen Materialien, die das Einkapselungsmaterial und die Leitungen nicht enthalten, und die meisten Berechnungen basieren auf den Ergebnissen der Zelle. Da außerdem die zulässige Dicke der Elektrodenbeschichtung, die Batterie unterschiedlicher Formen und die charakteristischen Parameter des inaktiven Materials einen gewissen Einfluss auf das Berechnungsergebnis haben, kann das Berechnungsergebnis der Tabelle eine gewisse Abweichung von der tatsächlichen Batterie aufweisen. Dies hängt eng mit dem Batterieherstellungsprozess zusammen.

Die 29 (a) - (j) zeigen die Berechnungsergebnisse der Energiedichte der Zellen, die durch die Kombination von 10 verschiedenen negativen Elektroden und 16 positiven Elektrodenmaterialien gebildet wurden. 2 (i) zeigt, dass das Li-rich-300 vs. Si-C-2000-Zellsystem die höchste Massenenergiedichte von 584 Whkg-2 in allen Batteriesystemen und die höchste volumetrische Energiedichte von 1645 Whh-1 (ohne Packung) aufweist ) Materialien und Registerkarten).

Tabelle 1 berechnet das verwendete positive aktive Material sowie dessen spezifische Kapazität und Spannung

Tabelle 2 berechnet die Masse des verwendeten negativen aktiven Materials sowie seine spezifische Kapazität und Spannung

2 Berechnung der Zellenergiedichte verschiedener Anodenmaterialien und verschiedener Kathodenmaterialien (a) Graphit; (b) Weichkohlenstoff SC-400; (d) Hartkohlenstoff-250; (e) SiOx-420; (f) SiOx-1000; (g) Si-C-450; (h) Si-C-1000; (j) lithiumtitanat

Zweitens Berechnung der Energiedichte von Metalllithiumionen-Batteriezellen

Die obigen Berechnungsergebnisse sind alle negativen Elektrodenmaterialien, die theoretische theoretische Kapazität von Graphit beträgt 372 mAhg-1 [5], die derzeitige reversible Kapazität kann 365 mAhg-1 erreichen und die reversible Kapazität von negativen Elektrodenmaterialien mit hoher Kapazität kann 1000- erreichen 1500mAhg-1. Beim Deinterkalieren von Lithium kommt es jedoch zu einer großen Volumenexpansion und -kontraktion. Und es ist schwierig, die tatsächliche Kapazität, die nur 380-450 mAhg-1 beträgt, vollständig auszuüben. Im Gegensatz dazu beträgt die theoretische spezifische Kapazität von metallischem Lithium bis zu 3.860 mAhg-1, und selbst wenn die Nutzungsrate 33% beträgt, gibt es 1287 mAhg-1 und es kann als Lithiumquelle dienen. Metallisches Lithium weist jedoch viele Sicherheitsprobleme auf, wie Lithiumdendrit, ungleichmäßiges Porenwachstum und kontinuierliche Nebenreaktion mit Elektrolyt, Volumenexpansionsprobleme und Grenzflächenstabilität während der Zirkulation.

Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Möglichkeiten der Metalllithiumkapazität in verschiedenen Batterien berechnet diese Arbeit die Energiedichte von Lithiummetallbatterien mit unterschiedlichen Lithiummetallnutzungsraten von 100%, 80%, 50% bzw. 33%. Vergleicht man Fig. 3 mit Fig. 2, so ist ersichtlich, dass die Metalllithiumionenbatterie bei Ausübung der Metalllithiumkapazität bei gleichem positiven Elektrodensystem eine signifikantere Energiedichte aufweist als die Lithiumbatterie. Wenn beispielsweise Li-reiches 300-Kathodenmaterial als negative Elektrode in metallischem Lithium verwendet wird, beträgt die Energiedichte 649 Whkg-1 und die Energiedichte 521 Whkg-1, selbst wenn nur 33% ausgeübt werden.

(a) Die Li-Kapazität ist voll ausgelastet.

(b) Die Li-Kapazität beträgt 80%;

(c) Die Li-Kapazität beträgt 50%;

(d) Die Li-Kapazität beträgt 33%.

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