Fortschritte und Herausforderungen der Lithium-Ionen-Batterie in Elektrofahrzeugen

Kürzlich veröffentlichten Professor TobiasPlacke von der Universität Münster in Deutschland und Professor Martin Winter (Kommunikationsautor) einen Syntheseartikel "Performance and Cosofimaterialsforlithium-basedregeablauteotiticebetters" über Natureenergy. In diesem Artikel werden die Fortschritte und Herausforderungen von Lithium-Ionen-Batteriematerialien in Elektrofahrzeugen untersucht, insbesondere im Hinblick auf Kosten- und Leistungsparameter. Der Produktionsprozess von positiven und negativen Materialien wird diskutiert und die Fülle und die Kosten von Materialien sowie die Vorteile und Herausforderungen verschiedener Elektrolyte für Elektrofahrzeuge werden hervorgehoben. Schließlich werden die Energiedichte und die Kosten vielversprechender chemischer Batterien sowie die Möglichkeit, Antriebsziele für Elektrofahrzeuge zu erreichen, streng bewertet.

[Einführung]

Die Jahre von 1900 bis 1912 waren das goldene Zeitalter in der Geschichte der Elektrofahrzeuge. Bis 1912 erreichte der Einsatz von Elektrofahrzeugen in den Vereinigten Staaten 30.000. Die Leistung dieser Elektrofahrzeuge war hauptsächlich eine Blei-Säure-Batterie (LAB). Die Batteriespannung beträgt ca. 2V. Aufgrund der schlechten Nutzungsrate und des Lade-Entlade-Mechanismus in LABs beträgt der tatsächliche Kapazitätsgehalt nur 40 Wh / kg und 90 Wh / l, und der Coulomb-Wirkungsgrad und die Energieeffizienz betragen nur 80% und 70%, so dass diese Art von Elektrizität Auto ist Verbrennungsmotor Auto ersetzt. Mit fortschreitender Technologie und zunehmendem Umweltbewusstsein ist es wichtig, die Fahrzeugemissionen zu reduzieren. Elektroautos treten in ein weiteres goldenes Zeitalter ein: 2016 werden in den USA 160.000 Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV) verkauft.

Nickelhydrid (NiMH) -Batterien sind die erste Wahl für Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs). Die nominelle Batteriespannung von NiMH-Batterien beträgt 1,2 V, was eine Kapazität von 80 Wh / kg und 250 Wh / l bieten kann. Der Coulomb-Wirkungsgrad (70%) und die Energieeffizienz (65%) sind jedoch noch niedriger als die von LABs .

Heutzutage verwenden PHEVs und Elektrofahrzeuge (BEVs) nur lithium-ionen-batterien (LIBs), die Kapazitäten von bis zu 260 Wh / kg und 700 Wh / l sowie höhere Coulomb-Verhältnisse (99%) und Energieeffizienz (bis zu 95%) bieten ). Um die Durchdringung des Massenmarktes zu erreichen, schätzen das US-Energieministerium und die Advanced Battery Association, dass mindestens 500 Kilometer Kilometer erforderlich sind, was der Batteriekapazität des Batteriepacks entspricht, die 235 Wh / kg erreichen muss 500 Wh / l, und die Batteriekapazität der Batterieeinheit muss 350 Wh / kg erreichen. Bei 750 Wh / l müssen die Kosten für den akku weniger als 125 US $ kWh - 1 betragen.

[Negatives Material]

Künstlicher Graphit (SGs) und natürlicher Graphit (NGs) sowie amorpher Kohlenstoff (harter Kohlenstoff und weicher Kohlenstoff) sind häufiger verwendete kohlenstoffnegative Materialien. SGs weisen im Vergleich zu NGs eine hohe Reinheit und geringe Flüchtigkeit auf. Es wird normalerweise mit einer Mischung aus amorphem und grafischem Kohlenstoff optimiert, z. B. durch Optimierung des Verhältnisses von P zu E. Derzeit wird in einigen handelsüblichen Batterien (wie Panasonic oder Hitachi) eine kleine Menge Silizium (hauptsächlich SiOx) zugesetzt Kohlenstoffelektrode zur weiteren Erhöhung der Batteriekapazität.

Darüber hinaus wird lithiumtitanat (LTO) aufgrund seiner niedrigen Batteriespannung (in diesem Fall der gebildeten Vollbatteriespannung) und seiner hohen Leistungskapazität besser in kommerziellen Batterien (wie Toshibas SCiB) verwendet. LTO-basierte Batterien sind besser geeignet für Hochleistungsanwendungen, insbesondere in Elektrobussen. Lithiummetall gilt als das vielversprechendste negative Elektrodenmaterial der Zukunft, insbesondere in Vollfestbatterien (ASSBs) mit Keramik- oder Polymerelektrolyten, die heute in Lithiummetall-Polymerbatterien verwendet werden.

Derzeit haben SGs einen Marktanteil von 43 Prozent und NGs von 46 Prozent (Daten für 2016), während amorpher Kohlenstoff nur 7 Prozent ausmacht, was die Dominanz von negativen polaren Materialien auf Kohlenstoffbasis deutlich zeigt. Im Gegensatz dazu machen negative Elektrodenmaterialien auf LTO- und Siliziumbasis nur etwa 2% aus.

[Positives Material]

Seit der Kommerzialisierung von LIBs sind positive Pole zu einem Engpass bei der Gesamtkapazität von Batterien geworden. Die wichtigsten Anforderungen an die positiv polaren Wirkstoffe von Autobatterien sind: hohe spezifische Kapazität, hohes Entladungspotential, hohe Sicherheit, hohe Energiedichte, schnelle Kinetik der Batteriereaktion und gute Stabilität. Gegenwärtig ist die Technologie mit einer Schichtoxid-positiven Elektrode vom LiMO2-Typ ausgereifter, die Übergangsmetalle (M) wie Nickel, Kobalt und Mangan (NMC) oder Nickel, Kobalt und Aluminium (NCA) enthält, die in positiven Autobatterien weit verbreitet sind aktive Materialien.

Batterien an Elektroautos

In den letzten Jahren hat die Kapazität von Elektrofahrzeugen weiter zugenommen, und es war möglich, eine Laufleistung von 300 km zu erreichen. Aufgrund der Marktförderung, einer großen Investition in die LIBS-Forschung, ist die Energiewachstumsrate sehr hoch. Gegenwärtig kann die Energiedichte von zylindrischen 18650-Batterien erreicht werden (etwa 250 Wkg-1 und 670 Wkg-1). Bei der Anwendung von Elektrofahrzeugen wurden verschiedene Formen von Batteriestrukturen wie prismatisch, zylindrisch oder beutelartig entworfen und in bestimmten Situationen verwendet. Die meisten EV-Batterien basieren auf Graphit-Negativpolen, und neuere Studien haben den Negativpolen eine kleine Menge Silizium hinzugefügt. Wenn Silizium erfolgreich zum negativen Pol hinzugefügt werden kann, verkürzt dies nicht nur nicht die Zykluslebensdauer, sondern erhöht auch die Energiedichte weiter.

Gegenwärtig können NCA, NMC-532 und NMC-622 als die fortschrittlichsten positiven Materialien angesehen werden, hauptsächlich aufgrund ihrer geringeren Volumenexpansion. lithiumeisenphosphat (LFP) -positives Elektrodenmaterial ist in Elektrofahrzeugen weit verbreitet. Der Anwendungsbereich ist derzeit der größte. Dies ist auf die gute Stabilität des LFP und seine gute Lebensdauer und Verhältnisleistung wie Busse und Lastwagen zurückzuführen. Wurde weit verbreitet.

Die Seite enthält den Inhalt der maschinellen Übersetzung.