Można powiedzieć, że gęstość energii jest największym wąskim gardłem ograniczającym rozwój akumulatorów litowo-jonowych. Niezależnie od tego, czy jest to telefon komórkowy, czy pojazd elektryczny, ludzie oczekują, że gęstość energii baterii osiągnie nowy rzędu wielkości, aby żywotność baterii lub przebieg produktu nie jest już głównym czynnikiem wpływającym na produkt.
Od akumulatorów ołowiowych, przez akumulatory niklu, po akumulatory niklu-metalu, po akumulatory litowo-jonowe, gęstość energii cały czas się poprawia. Ale wskaźnik poprawy jest zbyt wolny w porównaniu z tempem rozwoju w skali przemysłowej i w porównaniu z skalą potrzeb energetycznych ludzkich. Niektórzy żartują nawet, że ludzki postęp utknął w „baterii”. Oczywiście, jeśli pewnego dnia można osiągnąć globalną bezprzewodową transmisję energii, z „bezprzewodowym” dostępem do energii elektrycznej na całym świecie (jak sygnały telefonu komórkowego), wówczas ludzie nie będą już potrzebować baterii, a rozwój społeczny oczywiście nie będzie utknięty bateria.
W odpowiedzi na sytuację, w której gęstość energii stała się wąskim gardłem, kraje na całym świecie sformułowały odpowiednie cele polityki dla branży baterii, mając nadzieję, że przemysł baterii osiągnie znaczne przełom w gęstości energii. Cele 2020 r. Wyznaczone przez rządy lub organizacje branżowe w Chinach, Stany Zjednoczone, Japonia i inne kraje zasadniczo wskazują na wartość 300W/kg, co jest prawie podwojenia na bieżąco. Długoterminowym celem na 2030 r. Wynosi 500W/kg, a nawet 700 Wh/kg, a przemysł baterii będzie wymagał poważnego przełomu w chemii, aby to osiągnąć.
Istnieje wiele czynników, które wpływają na gęstość energii akumulatorów litowych, pod względem istniejącego układu chemicznego i struktury akumulatorów litowo-jonowych, jakie są oczywiste ograniczenia?
Przeanalizowaliśmy wcześniej, jako przewoźnik energii elektrycznej, w rzeczywistości jest litowy element w akumulatorze, inne substancje to „marnotrawstwo”, ale aby uzyskać stabilny, zrównoważony, bezpieczny nośnik energii elektrycznej, ta „odpady” jest niezbędne . Na przykład w baterii litowo-jonowej masa litu jest na ogół nieco więcej niż 1%, a pozostałe 99% składników to inne substancje, które nie mają funkcji przechowywania energii. Edison ma słynne powiedzenie, sukces to 99% potu plus 1% talent, wydaje się, że ta prawda jest uniwersalna AH, 1% to czerwone kwiaty, pozostałe 99% to zielone liście, co nie jest.
Aby zwiększyć gęstość energii, naszą pierwszą myślą jest zwiększenie odsetka elementów litu, przy jednoczesnym pozwalaniu jak największej liczbie jonów litowych na elektrodę dodatnią, przejście do elektrody ujemnej, a następnie musi powrócić z elektrody ujemnej elektrody ujemnej (Nie można zmniejszyć), cykl obsługi energii.
1. Zwiększ ilość dodatnich substancji czynnych
Zwiększenie odsetka dodatnich materiałów aktywnych ma głównie zwiększyć odsetek litu, w tym samym systemie chemii akumulatora zawartość litu rośnie (inne warunki pozostają niezmienione), a gęstość energii również zostanie ulepszona. Tak więc, w ramach pewnych granic objętości i masy, chcemy bardziej dodatniego materiału aktywnego i bardziej aktywnego materiału.
2. Zwiększ ilość ujemnego materiału aktywnego
Wynika to z faktu, że aby nadążyć za wzrostem dodatniego materiału aktywnego, potrzebny jest bardziej negatywny materiał aktywny, aby pomieścić jony litowe, które pływają i przechowują energię. Jeśli nie ma wystarczającego ujemnego materiału aktywnego, dodatkowe jony litowe zostaną osadzone na powierzchni ujemnej zamiast osadzonego w środku, powodując nieodwracalne reakcje chemiczne i utratę pojemności baterii.
3. Poprawa pojemności specyficznej dodatniej materiału elektrody (pojemność Gram)
Ilość dodatniego materiału aktywnego jest ograniczona i nie można jej zwiększyć w nieskończoność. Dla danej ilości dodatniego materiału aktywnego tylko wiele jonów litowych jest usuwanych z elektrody dodatniej, aby uczestniczyć w reakcjach chemicznych w celu zwiększenia gęstości energii. Dlatego mamy nadzieję, że frakcja masy usuwalnych jonów litowych w stosunku do dodatniego materiału aktywnego jest wysoka, tj. Wskaźnik pojemności specyficznej jest wysoki.
To jest powód, dla którego studiujemy i wybieramy różne materiały katodowe, od kobaltanu litu po fosforan żelaza litowego, a następnie do materiałów trójskładnikowych, do tego celu.
Wcześniej analizowany kobaltan litowy może osiągnąć 137 mAh/g, manganian litu i fosforanu żelaza litowego rzeczywiste wartości wynoszą około 120 mAh/g, kobalt manganu trólny może osiągnąć 180 mAh/g. Jeśli chcesz pójść w górę, musisz przestudiować nowe materiały katodowe i zrobić postęp w uprzemysłowieniu.
4. Poprawa pojemności specyficznej materiału anody
Względnie mówiąc, pojemność specyficzna ujemnego materiału elektrody nie jest głównym wąskim gęstością gęstości energii akumulatora fosforanu litowego żelaza , ale jeśli pojemność specyficzna elektrody ujemnej jest dalej zwiększona, oznacza to, że więcej jonów litowych można pomieścić mniejsze z mniejszym Masa ujemnego materiału elektrody, osiągając w ten sposób cel zwiększania gęstości energii.
Z grafitowymi materiałami węglowymi jako elektrodą ujemną, teoretyczna pojemność specyficzna wynosi 372 mAh/g, a twarde materiały węglowe i materiały nanokarbonowe badane na tej podstawie mogą zwiększyć wydajność specyficzną do ponad 600 mAh/g. Materiały anodowe na bazie cyny i krzem mogą również zwiększyć wydajność specyficzną anody do bardzo wysokiego rzędu, co jest obecnym skupieniem badań.
5. Redukcja masy ciała
Oprócz aktywnych materiałów elektrod dodatnich i ujemnych, elektrolit, folia izolacyjna, spoiwo, środek przewodzący, kolektor płynu, matryca, materiał obudowy itp. Są „martwą wagą” akumulatorów litowo-jonowych, co stanowi około 40 % wagi całej baterii. Jeśli ciężar tych materiałów można zmniejszyć bez wpływu na wydajność akumulatora, można poprawić gęstość energii akumulatorów litowo-jonowych.
W związku z tym konieczne jest przeprowadzenie szczegółowych badań i analizy elektrolitu, filmu izolacyjnego, spoiwa, matrycy i płynu, materiału obudowy, procesu produkcyjnego itp., Aby znaleźć rozsądny program. Jeśli wszystkie aspekty zostaną ulepszone, gęstość energii baterii jako całości można poprawić o jeden stopień.
Z powyższej analizy można zauważyć, że poprawa gęstości energii akumulatorów litowo-jonowych jest systematyczną inżynierią w celu poprawy procesu produkcyjnego, poprawy wydajności istniejących materiałów oraz opracowywania nowych materiałów i nowych systemów chemicznych z tych aspektów, szukając Krótkie, średnie i długoterminowe rozwiązania.