Einführung in die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien

Man kann sagen, dass die Energiedichte der größte Engpass ist, der die Entwicklung aktueller Lithium-Ionen-Batterien einschränkt. Unabhängig davon, ob es sich um ein Mobiltelefon oder ein Elektroauto handelt, erwarten die Menschen, dass die Energiedichte des Akkus ein neues Niveau erreicht, sodass die Akkulaufzeit oder die Reichweite des Produkts kein wesentlicher Faktor mehr sind.

Von Blei-Säure-Batterien, Nickel-Cadmium-Batterien, Nickel-Wasserstoff-Batterien bis hin zu Lithium-Ionen-Batterien hat die Energiedichte kontinuierlich zugenommen. Die Aufstiegsgeschwindigkeit ist jedoch im Vergleich zum Grad des menschlichen Energiebedarfs im Vergleich zur Geschwindigkeit im industriellen Maßstab zu langsam. Einige Leute scherzten sogar, dass der menschliche Fortschritt in der "Batterie" steckt. Wenn eines Tages eine globale drahtlose Energieübertragung erreicht werden kann, wo immer Sie "drahtlos" Strom erhalten können (wie ein Handysignal), brauchen die Menschen natürlich keine Batterie mehr, und die soziale Entwicklung bleibt natürlich nicht an der Batterie hängen.

Angesichts der aktuellen Situation ist diese Energiedichte zu einem Engpass geworden. Länder auf der ganzen Welt haben relevante politische Ziele für die Batterieindustrie formuliert und erwarten, dass die Batterieindustrie bedeutende Durchbrüche bei der Energiedichte erzielt. Die von den Regierungen oder Industrieverbänden Chinas, der Vereinigten Staaten, Japans und anderer Länder festgelegten Ziele für 2020 weisen grundsätzlich auf einen Wert von 300 Wh / kg hin, was fast dem Doppelten des derzeitigen Niveaus entspricht. Das langfristige Ziel von 2030 ist es, 500 Wh / kg oder sogar 700 Wh / kg zu erreichen. Die Batterieindustrie muss einen großen Durchbruch im chemischen System erzielen, um dieses Ziel zu erreichen.

Es gibt viele Faktoren, die die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen. Was sind die offensichtlichen Einschränkungen der vorhandenen chemischen Systeme und Strukturen von Lithium-Ionen-Batterien?

Wie wir zuvor analysiert haben, ist die Rolle des elektrischen Energieträgers tatsächlich das Lithiumelement in der Batterie. Andere Substanzen sind „Abfall“, aber um einen stabilen, kontinuierlichen und sicheren elektrischen Energieträger zu erhalten, sind diese „Abfälle“ unverzichtbar. . Beispielsweise beträgt in einer Lithium-Ionen-Batterie die Lithiummasse im Allgemeinen mehr als 1%, und die verbleibenden 99% sind andere Substanzen, die keinen energiespeicher tragen. Edison hat ein berühmtes Sprichwort, dass Erfolg 99% Schweiß plus 1% Talent ist. Es scheint, dass dieses Prinzip universell ist. 1% sind Saflor und die restlichen 99% sind grüne Blätter.

Um die Energiedichte zu erhöhen, denken wir zunächst daran, den Lithiumanteil zu erhöhen und gleichzeitig möglichst viele Lithiumionen aus der positiven Elektrode herauslaufen zu lassen, sich zur negativen Elektrode zu bewegen und dann zur Elektrode zurückzukehren positive Elektrode von der ursprünglichen Anzahl der negativen Elektrode (kann nicht reduziert werden) der Rücktransport von Energie.

1. Erhöhen Sie den Anteil an positiven Wirkstoffen

Das Erhöhen des Anteils an positiven aktiven Materialien dient hauptsächlich dem Erhöhen des Anteils an Lithium. In demselben chemischen Batteriesystem wird der Lithiumgehalt erhöht (andere Bedingungen bleiben unverändert), und die Energiedichte wird entsprechend verbessert. Daher hoffen wir unter bestimmten Volumen- und Gewichtsbeschränkungen, dass das positive aktive Material immer mehr wird.

2. Erhöhen Sie den Anteil an negativ aktiven Materialien

Dies dient tatsächlich dazu, die Menge an positivem aktivem Material zu erhöhen, und es benötigt mehr negativ aktives Material, um die Lithiumionen aufzunehmen, die schwimmen und Energie speichern. Wenn das negativ aktive Material nicht ausreicht, lagern sich die zusätzlichen Lithiumionen auf der Oberfläche der negativen Elektrode ab, anstatt in diese eingebettet zu werden, was zu irreversiblen chemischen Reaktionen und einem Abfall der Batteriekapazität führt.

3. Verbessern Sie die spezifische Kapazität des positiven Elektrodenmaterials (Grammkapazität).

Der Anteil positiver Wirkstoffe hat eine Obergrenze und kann nicht unbegrenzt erhöht werden. Bei einer bestimmten Menge positiver Wirkstoffe kann die Energiedichte nur erhöht werden, wenn möglichst viele Lithiumionen von der positiven Elektrode entfernt werden und an der chemischen Reaktion teilnehmen. Wir wollen also einen hohen Prozentsatz an entfernbaren Lithiumionen im Verhältnis zur aktiven Anode haben, der höher als der Kapazitätsindex ist.

Aus diesem Grund haben wir verschiedene Kathodenmaterialien untersucht und ausgewählt, von Lithiumcobaltat über Lithiumeisenphosphat bis hin zu ternären Materialien.

Wie zuvor analysiert, kann Lithiumcobaltat 137 mAh / g erreichen, die tatsächlichen Werte von Lithiummanganat und Lithiumeisenphosphat liegen alle bei 120 mAh / g und Nickel-Cobalt-Mangan-Ternär kann 180 mAh / g erreichen. Wenn Sie wieder aufsteigen möchten, müssen Sie nach neuen Kathodenmaterialien suchen und Fortschritte bei der Industrialisierung erzielen.

4. Verbessern Sie die spezifische Kapazität des Anodenmaterials

Im Gegensatz dazu ist die spezifische Kapazität des Anodenmaterials nicht der Hauptengpass der Energiedichte der Lithiumionenbatterie, aber wenn die spezifische Kapazität der Anode weiter erhöht wird, bedeutet dies, dass das Kathodenmaterial mit weniger Masse mehr Lithium aufnehmen kann Ionen. Erreichen Sie das Ziel der Erhöhung der Energiedichte.

Das Graphitkohlenstoffmaterial wird als negative Elektrode verwendet und die theoretische spezifische Kapazität beträgt 372 mAh / g. Auf der Basis des Hartkohlenstoffmaterials und des Nanokohlenstoffmaterials kann die spezifische Kapazität auf 600 mAh / g oder mehr erhöht werden. Anodenmaterialien auf Zinn- und Siliziumbasis können auch die spezifische Kapazität der negativen Elektrode auf ein sehr hohes Niveau erhöhen, was der Hot Spot der aktuellen Forschung ist.

5. Gewichtsverlust

Zusätzlich zu den aktiven Materialien der positiven und negativen Elektroden sind Elektrolyte, Separatoren, Bindemittel, leitende Mittel, Stromkollektoren, Substrate, Hüllenmaterialien usw. das "Eigengewicht" von Lithium-Ionen-Batterien, das das Gewicht von ausmacht die gesamte Batterie bei rund 40%. Wenn das Gewicht dieser Materialien verringert werden kann, ohne die Leistung der Batterie zu beeinträchtigen, kann auch die Energiedichte der Lithiumionenbatterie erhöht werden.

Um dies in Aufruhr zu versetzen, müssen detaillierte Untersuchungen und Analysen zu Elektrolyten, Separatoren, Bindemitteln, Substraten und Stromkollektoren, Schalenmaterialien, Herstellungsverfahren usw. durchgeführt werden, um eine vernünftige Lösung zu finden. Verbesserungen in allen Aspekten können die Energiedichte der Batterie um einen ganzen Betrag erhöhen.

Aus der obigen Analyse ist ersichtlich, dass die Verbesserung der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien ein systematisches Projekt ist. Ausgehend von der Verbesserung der Herstellungsprozesse, der Verbesserung der Leistung bestehender Materialien und der Entwicklung neuer Materialien und neuer chemischer Systeme sollten Sie nach kurz-, mittel- und langfristigen Lösungen suchen.

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