Si può dire che la densità di energia è il più grande collo di bottiglia che limita lo sviluppo delle batterie agli ioni di litio. Che si tratti di un telefono cellulare o di un veicolo elettrico, le persone si aspettano che la densità di energia della batteria raggiunga un nuovo ordine di grandezza in modo che la durata della batteria o il chilometraggio del prodotto non siano più il fattore principale che colpisce il prodotto.
Dalle batterie al piombo-acido, alle batterie in nichel-cadmio, alle batterie a idruro di nichel-metallo, alle batterie agli ioni di litio, la densità di energia è sempre migliorata. Ma il tasso di miglioramento è troppo lento rispetto al ritmo dello sviluppo su scala industriale e rispetto alla scala dei bisogni energetici umani. Alcune persone scherzano persino che il progresso umano è bloccato nella "batteria". Naturalmente, se un giorno la trasmissione wireless globale di energia può essere raggiunta, con l'accesso "wireless" all'elettricità ovunque (come i segnali di telefonia mobile), allora gli esseri umani non avranno più bisogno di batterie e lo sviluppo sociale ovviamente non sarà bloccato la batteria.
In risposta alla situazione in cui la densità energetica è diventata un collo di bottiglia, i paesi di tutto il mondo hanno formulato obiettivi politici pertinenti per l'industria delle batterie, sperando di guidare l'industria delle batterie per ottenere significative scoperte di densità energetica. Gli obiettivi del 2020 fissati da governi o organizzazioni del settore in Cina, Stati Uniti, Giappone e altri paesi indicano sostanzialmente un valore di 300Wh/kg, che è quasi un raddoppio sulla base attuale. L'obiettivo a lungo termine per il 2030 è di 500Wh/kg o anche 700Wh/kg, e l'industria delle batterie avrà bisogno di una svolta importante in chimica per raggiungere questo obiettivo.
Esistono molti fattori che influenzano la densità di energia delle batterie al litio, in termini di sistema chimico esistente e struttura delle batterie agli ioni di litio, quali sono le limitazioni ovvie?
Abbiamo analizzato prima, poiché un vettore di energia elettrica, in effetti, è l'elemento di litio nella batteria, altre sostanze sono "rifiuti", ma per ottenere un vettore stabile, sostenibile e sicuro di energia elettrica, questo "rifiuto" è indispensabile . Ad esempio, in una batteria agli ioni di litio, la massa di litio è generalmente poco più dell'1% e il restante 99% dei componenti è altre sostanze che non hanno la funzione di conservare l'energia. Edison ha un detto famoso che il successo è il 99% di sudore più l'1% di talento, sembra che questa verità sia universale AH, l'1% è fiori rossi, il restante 99% è foglie verdi, il che non lo è.
Quindi, per aumentare la densità di energia, il nostro primo pensiero è aumentare la percentuale di elementi di litio, consentendo al contempo il maggior numero possibile di ioni di litio per esaurire l'elettrodo positivo, passare all'elettrodo negativo e quindi di tornare dall'elettrodo negativo (non può essere ridotto), il ciclo della gestione dell'energia.
1. Aumentare la quantità di sostanze attive positive
L'aumento della percentuale di materiali attivi positivi è principalmente aumentare la proporzione di litio, nello stesso sistema di chimica della batteria, il contenuto di litio aumenta (altre condizioni rimangono invariate) e anche la densità di energia sarà di conseguenza migliorata. Quindi, entro un certo limite di volume e peso, vogliamo materiale attivo più positivo e materiale più attivo.
2. Aumentare la quantità di materiale attivo negativo
Questo perché, al fine di tenere il passo con l'aumento del materiale attivo positivo, è necessario un materiale attivo più negativo per accogliere gli ioni di litio che nuotano e immagazzinano energia. Se non c'è abbastanza materiale attivo negativo, gli ioni di litio extra verranno depositati sulla superficie negativa invece di essere incorporati all'interno, causando reazioni chimiche irreversibili e perdita della capacità della batteria.
3. Miglioramento della capacità specifica del materiale dell'elettrodo positivo (capacità di grammo)
La quantità di materiale attivo positivo è limitata e non può essere aumentata indefinitamente. Per una determinata quantità di materiale attivo positivo, solo il maggior numero possibile di ioni al litio viene rimossa dall'elettrodo positivo per partecipare alle reazioni chimiche per aumentare la densità di energia. Pertanto, speriamo che la frazione di massa di ioni di litio rimovibile rispetto al materiale attivo positivo sia elevata, ovvero l'indice di capacità specifico sia elevata.
Questo è il motivo per cui stiamo studiando e selezionando materiali di catodo diversi, dal cobaltato di litio al fosfato di ferro al litio e quindi ai materiali ternari, verso questo obiettivo.
Precedentemente analizzato, il cobaltato di litio può raggiungere i valori effettivi di 137 mAh/g, manganato di litio e fosfato di ferro al litio sono di circa 120 mAh/g, il ternario manganese di nichel cobalto può raggiungere 180 mAh/g. Se vuoi salire, devi studiare nuovi materiali catodici e fare progressi nell'industrializzazione.
4. Migliorare la capacità specifica del materiale anodo
Relativamente parlando, la capacità specifica del materiale dell'elettrodo negativo non è il collo di bottiglia principale della densità di energia della batteria del fosfato di ferro al litio , ma se la capacità specifica dell'elettrodo negativo è ulteriormente aumentata, significa che più ioni di litio possono essere ospitati con meno Mass del materiale elettrodo negativo, raggiungendo così l'obiettivo di aumentare la densità di energia.
Con i materiali di carbonio di grafite come elettrodo negativo, la capacità specifica teorica è di 372 mAh/g e i materiali di carbonio duro e i materiali di nanocarbonio studiati su questa base possono aumentare la capacità specifica a oltre 600 mAh/g. I materiali anodi a base di stagno e silicio possono anche aumentare la capacità specifica dell'anodo a un ordine molto elevato, che è l'attuale focus di ricerca.
5. Riduzione del peso
Oltre ai materiali attivi degli elettrodi positivi e negativi, l'elettrolita, pellicola isolante, legante, agente conduttivo, collezionista di fluidi, matrice, materiale involucro, ecc. % del peso dell'intera batteria. Se il peso di questi materiali può essere ridotto senza influire sulle prestazioni della batteria, la densità di energia delle batterie agli ioni di litio può essere migliorata.
A questo proposito, è necessario effettuare ricerche e analisi dettagliate su elettroliti, pellicola isolante, legante, matrice e collezionista di fluidi, materiale di involucro, processo di produzione, ecc., Per trovare un programma ragionevole. Se tutti gli aspetti sono migliorati, la densità di energia della batteria nel suo insieme può essere migliorata di un grado.
Dall'analisi di cui sopra, si può vedere che il miglioramento della densità energetica delle batterie agli ioni di litio è un ingegneria sistematica per migliorare il processo di produzione, migliorare le prestazioni dei materiali esistenti e sviluppare nuovi materiali e nuovi sistemi chimici da questi aspetti, alla ricerca di soluzioni a breve, medio e lungo termine.