Energiedichteanalyse von Lithium-Ionen-Batterien

Man kann sagen, dass die Energiedichte der größte Engpass ist, der die Entwicklung von 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 völlig neues Niveau erreicht, sodass die Lebensdauer oder Laufleistung des Produkts nicht mehr der Hauptfaktor ist, der das Produkt stört.

Von Blei-Säure-Batterien, Nickel-Cadmium-Batterien, Nickel-Metallhydrid-Batterien bis hin zu Lithium-Ionen-Batterien hat die Energiedichte zugenommen. Die Geschwindigkeit des Anstiegs im Verhältnis zur Entwicklungsgeschwindigkeit im industriellen Maßstab im Verhältnis zum Grad des menschlichen Energiebedarfs ist jedoch zu langsam. Einige Leute argumentieren sogar, dass der menschliche Fortschritt hier in der "Batterie" steckt. Wenn die Welt in der Lage wäre, Elektrizität drahtlos und drahtlos überall (wie Handysignale) zu übertragen, würde der Mensch natürlich keine Batterien mehr benötigen, und die soziale Entwicklung würde natürlich nicht daran hängen bleiben.

Angesichts der Tatsache, dass die Energiedichte zu einem Engpass geworden ist, haben alle Länder der Welt relevante politische Ziele für die Batterieindustrie formuliert und erwarten, dass die Batterieindustrie bedeutende Durchbrüche bei der Energiedichte erzielt. Die von Regierungen oder Industrieverbänden wie China, den Vereinigten Staaten und Japan 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 für 2030 ist es, 500 Wh / kg oder sogar 700 Wh / kg zu erreichen. Die Batterieindustrie muss einen großen Durchbruch im chemischen System erzielen, bevor dieses Ziel erreicht werden kann.

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?

Was wir zuvor analysiert haben, ist, dass das Lithiumelement in der Batterie tatsächlich als elektrischer Energieträger verwendet wird. Andere Substanzen sind "Abfall", aber sie sollen stabile, kontinuierliche und sichere elektrische Energieträger erhalten. Diese "Abfälle" sind ebenfalls unverzichtbar. von. Beispielsweise beträgt in einer Lithiumionenbatterie die Qualität von Lithium im Allgemeinen etwas mehr als 1%, und die verbleibenden 99% der Komponenten sind andere Substanzen, die keine energiespeicherfunktionen ausführen. Edison hatte ein berühmtes Sprichwort, dass Erfolg 99% Schweiß plus 1% Talent ist. Es scheint, dass diese Wahrheit allgemein korrekt ist. 1% ist eine rote Blume und die restlichen 99% der grünen Blätter sind nicht weniger.

Um die Energiedichte zu erhöhen, möchten wir zunächst den Lithiumanteil erhöhen und gleichzeitig möglichst viele Lithiumionen vom positiven Pol laufen lassen, zum negativen Pol bewegen und dann vom negativen Pol zurückkehren Zahl zum positiven Pol (kann nicht reduziert werden).), Ständig bewegte Energie.

1. Erhöhen Sie den Anteil an positiven polaren Wirkstoffen

Die Erhöhung des Anteils positiv aktiver Substanzen dient hauptsächlich der Erhöhung des Lithiumanteils. In demselben chemischen Batteriesystem wird der Lithiumgehalt erhöht (andere Bedingungen bleiben unverändert), und die Energiedichte wird ebenfalls entsprechend erhöht. Daher hoffen wir unter bestimmten Volumen- und Gewichtsbeschränkungen, dass es mehr positive polare Wirkstoffe und mehr gibt.

2. Erhöhen Sie den Anteil negativ aktiver Substanzen

Dies entspricht tatsächlich dem Anstieg der positiven polaren Wirkstoffe, und es werden mehr negative polare Wirkstoffe benötigt, um die darüber schwimmenden Lithiumionen aufzunehmen und Energie zu speichern. Wenn die negative Elektrode nicht aktiv genug ist, werden die zusätzlichen Lithiumionen auf der negativen Elektrodenoberfläche abgelagert und nicht in diese eingebettet, mit irreversiblen chemischen Reaktionen und einer Dämpfung der Batteriekapazität.

3. Erhöhen Sie die spezifische Kapazität (in Gramm) des positiven Materials

Der Anteil an positiven polaren Wirkstoffen ist begrenzt und kann nicht unbegrenzt erhöht werden. Unter der Bedingung, dass die Gesamtmenge an positiven polaren Wirkstoffen sicher ist, können nur so viele Lithiumionen wie möglich vom positiven Pol eingebettet werden und an chemischen Reaktionen teilnehmen, um die Energiedichte zu erhöhen. Wir hoffen daher, dass die Qualität von eingebetteten Lithiumionen im Verhältnis zu positiven polaren Wirkstoffen höher ist, dh höher als der Kapazitätsindex.

Aus diesem Grund untersuchen und wählen wir verschiedene positive Materialien aus, von Lithiumkobaltsäure über Lithiumeisenphosphat bis hin zu ternären Materialien, die alle auf dieses Ziel ausgerichtet sind.

Wie zuvor analysiert, kann Lithiumkobaltsäure 137 mAh / g erreichen, Lithiummangansäure und Lithiumeisenphosphat haben tatsächliche Werte von etwa 120 mAh / g und Nickelkobaltmangan kann 180 mAh / g erreichen. Wenn wir ein Upgrade durchführen möchten, müssen wir neue positive Materialien untersuchen und Fortschritte bei der Industrialisierung erzielen.

4. Erhöhen Sie die spezifische Kapazität des negativen Elektrodenmaterials

Relativ gesehen ist die spezifische Kapazität des negativen Elektrodenmaterials nicht der Hauptengpass der Energiedichte der Lithiumionenbatterie. Wenn jedoch die spezifische Kapazität der negativen Elektrode weiter erhöht wird, bedeutet dies, dass mehr Lithiumionen mit weniger Masse des negativen Elektrodenmaterials aufgenommen werden können. Das Ziel der Erhöhung der Energiedichte erreichen.

Unter Verwendung von Graphitkohlenstoffmaterialien als negative Pole beträgt die theoretische spezifische Kapazität 372 mAh / g. Die auf dieser Basis untersuchten Hartkohlenstoff- und Nanokohlenstoffmaterialien können die spezifische Kapazität auf 600 mAh / g oder mehr erhöhen. Negative Elektrodenmaterialien auf Zinn- und Siliziumbasis können auch die spezifische Kapazität des negativen Pols auf ein sehr hohes Niveau erhöhen, was eine heiße Forschungsrichtung ist.

5. Abnehmen

Neben den positiven und negativen Wirkstoffen sind Elektrolyte, Isolationsmembranen, Bindemittel, Leitmittel, Sammelflüssigkeiten, Matrizen, Hüllenmaterialien usw. "Eigengewichte" von Lithiumionenbatterien, die das gesamte Batteriegewicht ausmachen. Über 40%. Wenn Sie das Gewicht dieser Materialien reduzieren können, ohne die Leistung der Batterie zu beeinträchtigen, können Sie auch die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien erhöhen.

In diesem Zusammenhang müssen wir den Elektrolyten, den Isolationsfilm, das Bindemittel, die Matrix und die Sammelflüssigkeit, das Schalenmaterial, den Herstellungsprozess usw. detailliert untersuchen und analysieren, um eine vernünftige Lösung zu finden. Durch die Verbesserung aller Aspekte kann die Gesamtenergiedichte der Batterie um eine Amplitude erhöht werden.

Aus der obigen Analyse ist ersichtlich, dass die Erhöhung der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien ein systematisches Projekt ist. Es ist notwendig, kurz-, mittel- und langfristige Lösungen zu finden, um den Herstellungsprozess zu verbessern, die Leistung bestehender Materialien zu verbessern und neue Materialien und neue chemische Systeme zu entwickeln.

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