Μπορεί να ειπωθεί ότι η ενεργειακή πυκνότητα είναι η μεγαλύτερη συμφόρηση που περιορίζει την ανάπτυξη μπαταριών ιόντων λιθίου. Είτε πρόκειται για κινητό τηλέφωνο είτε για ηλεκτρικό όχημα, οι άνθρωποι αναμένουν ότι η ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας θα φτάσει σε μια νέα τάξη μεγέθους, έτσι ώστε η διάρκεια ζωής της μπαταρίας ή το χιλιόμετρο του προϊόντος να μην είναι πλέον ο κύριος παράγοντας που επηρεάζει το προϊόν.
Από μπαταρίες μολύβδου-οξέος, σε μπαταρίες νικελίου-καδμίου, σε μπαταρίες υδριδίου νικελίου-μετάλλου, σε μπαταρίες ιόντων λιθίου, η ενεργειακή πυκνότητα βελτιώνεται συνεχώς. Αλλά ο ρυθμός βελτίωσης είναι πολύ αργός σε σύγκριση με το ρυθμό ανάπτυξης σε βιομηχανική κλίμακα και σε σύγκριση με την κλίμακα των ανθρώπινων ενεργειακών αναγκών. Μερικοί άνθρωποι αστειεύονται ακόμη και ότι η ανθρώπινη πρόοδος έχει κολλήσει στην "μπαταρία". Φυσικά, εάν μια μέρα μπορεί να επιτευχθεί η παγκόσμια ασύρματη μετάδοση ενέργειας, με την "ασύρματη" πρόσβαση στην ηλεκτρική ενέργεια παντού (όπως τα σήματα κινητού τηλεφώνου), τότε τα ανθρώπινα όντα δεν θα χρειάζονται πλέον μπαταρίες και η κοινωνική ανάπτυξη δεν θα κολλήσει η μπαταρία.
Απαντώντας στην κατάσταση όπου η ενεργειακή πυκνότητα έχει γίνει μια συμφόρηση, οι χώρες σε όλο τον κόσμο έχουν διατυπώσει σχετικούς στόχους πολιτικής για τη βιομηχανία μπαταριών, ελπίζοντας να οδηγήσει τη βιομηχανία μπαταριών για να επιτύχει σημαντικές ανακαλύψεις στην ενεργειακή πυκνότητα. Οι στόχοι του 2020 που καθορίζονται από κυβερνήσεις ή οργανισμούς της βιομηχανίας στην Κίνα, τις Ηνωμένες Πολιτείες, την Ιαπωνία και άλλες χώρες βασικά δείχνουν αξία 300Wh/kg, η οποία είναι σχεδόν διπλασιασμός στην τρέχουσα βάση. Ο μακροπρόθεσμος στόχος για το 2030 είναι 500Wh/kg ή ακόμα και 700Wh/kg, και η βιομηχανία μπαταριών θα χρειαστεί μια σημαντική ανακάλυψη στη χημεία για να επιτευχθεί αυτό.
Υπάρχουν πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν την ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών λιθίου, όσον αφορά το υπάρχον χημικό σύστημα και τη δομή των μπαταριών ιόντων λιθίου, ποιοι είναι οι προφανείς περιορισμοί;
Έχουμε αναλύσει πριν, ως φορέας ηλεκτρικής ενέργειας, στην πραγματικότητα, είναι το στοιχείο λιθίου της μπαταρίας, άλλες ουσίες είναι "απόβλητα", αλλά για να αποκτήσουν ένα σταθερό, βιώσιμο, ασφαλές φορέα ηλεκτρικής ενέργειας, αυτό το "απόβλητο" είναι απαραίτητο . Για παράδειγμα, σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου, η μάζα του λιθίου είναι γενικά λίγο περισσότερο από 1% και το υπόλοιπο 99% των εξαρτημάτων είναι άλλες ουσίες που δεν έχουν τη λειτουργία της αποθήκευσης ενέργειας. Ο Edison έχει ένα διάσημο ρητό, η επιτυχία είναι 99% ιδρώτα συν 1% ταλέντο, φαίνεται ότι αυτή η αλήθεια είναι καθολική AH, 1% είναι κόκκινα λουλούδια, το υπόλοιπο 99% είναι πράσινα φύλλα, που δεν είναι.
Έτσι, για να αυξήσουμε την ενεργειακή πυκνότητα, η πρώτη μας σκέψη είναι να αυξήσουμε το ποσοστό των στοιχείων του λιθίου, επιτρέποντας παράλληλα όσο το δυνατόν περισσότερα ιόντα λιθίου για να εξαντληθεί το θετικό ηλεκτρόδιο, να μετακινηθεί στο αρνητικό ηλεκτρόδιο και στη συνέχεια να επιστρέψει από το αρνητικό ηλεκτρόδιο (δεν μπορεί να μειωθεί), ο κύκλος της ενέργειας χειρισμού.
1. Αυξήστε την ποσότητα θετικών δραστικών ουσιών
Η αύξηση του ποσοστού των θετικών ενεργών υλικών είναι κυρίως η αύξηση του ποσοστού του λιθίου, στο ίδιο σύστημα χημείας μπαταρίας, το περιεχόμενο του λιθίου ανεβαίνει (άλλες συνθήκες παραμένουν αμετάβλητες) και η ενεργειακή πυκνότητα θα βελτιωθεί αντίστοιχα. Έτσι, μέσα σε ορισμένα όρια όγκου και βάρους, θέλουμε πιο θετικό ενεργό υλικό και πιο ενεργό υλικό.
2. Αυξήστε την ποσότητα αρνητικού ενεργού υλικού
Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, προκειμένου να συμβαδίσει με την αύξηση του θετικού ενεργού υλικού, απαιτείται πιο αρνητικό ενεργό υλικό για να φιλοξενήσει τα ιόντα λιθίου που κολυμπούν και αποθηκεύουν ενέργεια. Εάν δεν υπάρχει αρκετό αρνητικό ενεργό υλικό, τα επιπλέον ιόντα λιθίου θα εναποτίθενται στην αρνητική επιφάνεια αντί να ενσωματωθούν μέσα, προκαλώντας μη αναστρέψιμες χημικές αντιδράσεις και απώλεια χωρητικότητας της μπαταρίας.
3. Βελτίωση της ειδικής ικανότητας του θετικού υλικού ηλεκτροδίου (χωρητικότητα Gram)
Η ποσότητα θετικού ενεργού υλικού είναι περιορισμένη και δεν μπορεί να αυξηθεί επ 'αόριστον. Για μια δεδομένη ποσότητα θετικού ενεργού υλικού, μόνο όσο το δυνατόν περισσότερα ιόντα λιθίου απομακρύνονται από το θετικό ηλεκτρόδιο για να συμμετάσχουν σε χημικές αντιδράσεις για να αυξηθεί η ενεργειακή πυκνότητα. Ως εκ τούτου, ελπίζουμε ότι το μαζικό κλάσμα των αφαιρούμενων ιόντων λιθίου σε σχέση με το θετικό ενεργό υλικό είναι υψηλό, δηλαδή ο ειδικός δείκτης χωρητικότητας είναι υψηλός.
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μελετάμε και επιλέγουμε διαφορετικά υλικά καθόδου, από το κοβάλτιο λιθίου έως το φωσφορικό σιδήρου λιθίου και στη συνέχεια σε τριμερή υλικά, προς αυτόν τον στόχο.
Αναλύθηκε προηγουμένως, το κοβάλτιο λιθίου μπορεί να φτάσει τα 137mAh/g, το μαγγανικό λίθιο και οι πραγματικές τιμές του φωσφορικού σιδήρου λιθίου είναι περίπου 120mAh/g, το τριμερές μαγγανίο νικελίου κοβαλτίου μπορεί να φτάσει τα 180mAh/g. Εάν θέλετε να ανεβείτε, πρέπει να μελετήσετε νέα υλικά καθόδου και να κάνετε πρόοδο στην εκβιομηχάνιση.
4. Βελτίωση της συγκεκριμένης ικανότητας του υλικού ανόδου
Σχετικά, η ειδική ικανότητα του αρνητικού υλικού ηλεκτροδίου δεν είναι η κύρια συμφόρηση της ενεργειακής πυκνότητας της μπαταρίας φωσφορικού σιδήρου λιθίου , αλλά εάν η ειδική ικανότητα του αρνητικού ηλεκτροδίου αυξάνεται περαιτέρω, σημαίνει ότι περισσότερα ιόντα λιθίου μπορούν να τοποθετηθούν με λιγότερα Μάζα του αρνητικού υλικού ηλεκτροδίου, επιτυγχάνοντας έτσι τον στόχο της αύξησης της ενεργειακής πυκνότητας.
Με υλικά άνθρακα γραφίτη ως αρνητικό ηλεκτρόδιο, η θεωρητική ειδική ικανότητα είναι 372 mAh/g και τα υλικά σκληρού άνθρακα και τα υλικά νανοκαρβονικών που μελετήθηκαν σε αυτή τη βάση μπορούν να αυξήσουν την ειδική ικανότητα σε περισσότερα από 600 mAh/g. Τα υλικά ανόδου με βάση το κασσίτερο και το πυρίτιο μπορούν επίσης να αυξήσουν την ειδική ικανότητα της ανόδου σε πολύ υψηλή τάξη, η οποία είναι η τρέχουσα ερευνητική εστίαση.
5. Μείωση βάρους
Εκτός από τα ενεργά υλικά των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων, ο ηλεκτρολύτης, η μονωτική μεμβράνη, ο συνδετικός, ο αγώγιμος παράγοντας, ο συλλέκτης υγρών, η μήτρα, το υλικό περιβλήματος κ.λπ. % του βάρους ολόκληρης της μπαταρίας. Εάν το βάρος αυτών των υλικών μπορεί να μειωθεί χωρίς να επηρεαστεί η απόδοση της μπαταρίας, μπορεί να βελτιωθεί η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών ιόντων λιθίου.
Από αυτή την άποψη, είναι απαραίτητο να διεξαχθούν λεπτομερή έρευνα και ανάλυση σε ηλεκτρολύτη, μονωτικά φιλμ, συνδετικό υλικό, μήτρα και συλλέκτη υγρών, υλικό περιβλήματος, διαδικασία κατασκευής κ.λπ., προκειμένου να βρεθεί ένα λογικό πρόγραμμα. Εάν βελτιωθούν όλες οι πτυχές, η ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας στο σύνολό της μπορεί να βελτιωθεί κατά ένα βαθμό.
Από την παραπάνω ανάλυση, μπορεί να φανεί ότι η βελτίωση της ενεργειακής πυκνότητας των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι μια συστηματική μηχανική για τη βελτίωση της διαδικασίας παραγωγής, τη βελτίωση της απόδοσης των υφιστάμενων υλικών και την ανάπτυξη νέων υλικών και νέων χημικών συστημάτων από αυτές τις πτυχές, αναζητώντας για σύντομες, μεσοπρόθεσμες και μακροπρόθεσμες λύσεις.