Kepadatan energi baterai lithium-ion

Dapat dikatakan bahwa kepadatan energi adalah hambatan terbesar yang membatasi pengembangan baterai lithium-ion. Apakah itu ponsel atau kendaraan listrik, orang mengharapkan kepadatan energi baterai untuk mencapai urutan besar baru sehingga masa pakai baterai atau jarak tempuh produk tidak lagi menjadi faktor utama yang mempengaruhi produk.

Dari baterai timbal-asam, hingga baterai nikel-kadmium, hingga baterai hidrida-logam nikel, hingga baterai lithium-ion, kepadatan energi telah meningkat sepanjang waktu. Tetapi tingkat peningkatan terlalu lambat dibandingkan dengan laju pembangunan pada skala industri, dan dibandingkan dengan skala kebutuhan energi manusia. Beberapa orang bahkan bercanda bahwa kemajuan manusia terjebak dalam "baterai". Tentu saja, jika suatu hari transmisi energi nirkabel global dapat dicapai, dengan akses "nirkabel" ke listrik di mana -mana (seperti sinyal ponsel), maka manusia tidak akan lagi membutuhkan baterai, dan pengembangan sosial tentu saja tidak akan terjebak baterai.

Menanggapi situasi di mana kepadatan energi telah menjadi hambatan, negara -negara di seluruh dunia telah merumuskan tujuan kebijakan yang relevan untuk industri baterai, berharap untuk memimpin industri baterai untuk mencapai terobosan yang signifikan dalam kepadatan energi. Target 2020 yang ditetapkan oleh pemerintah atau organisasi industri di Cina, Amerika Serikat, Jepang dan negara -negara lain pada dasarnya menunjuk pada nilai 300WH/kg, yang hampir dua kali lipat berdasarkan saat ini. Target jangka panjang untuk tahun 2030 adalah 500Wh/kg atau bahkan 700Wh/kg, dan industri baterai akan membutuhkan terobosan besar dalam kimia untuk mencapai ini.

Ada banyak faktor yang mempengaruhi kepadatan energi baterai lithium, dalam hal sistem kimia yang ada dan struktur baterai lithium-ion, apa batasan yang jelas?

Kami telah menganalisis sebelumnya, sebagai pembawa energi listrik, pada kenyataannya, adalah elemen lithium dalam baterai, zat lain adalah "limbah", tetapi untuk mendapatkan pembawa energi listrik yang stabil, berkelanjutan, dan aman, "limbah" ini sangat diperlukan . Misalnya, dalam baterai lithium-ion, massa lithium umumnya sedikit lebih dari 1%, dan sisanya 99% komponen adalah zat lain yang tidak memiliki fungsi penyimpanan energi. Edison memiliki pepatah yang terkenal, kesuksesan adalah 99% keringat ditambah bakat 1%, tampaknya kebenaran ini universal AH, 1% adalah bunga merah, 99% sisanya adalah daun hijau, yang tidak.

Jadi untuk meningkatkan kepadatan energi, pemikiran pertama kami adalah meningkatkan proporsi elemen lithium, sementara memungkinkan sebanyak mungkin ion lithium untuk kehabisan elektroda positif, pindah ke elektroda negatif, dan kemudian harus kembali dari elektroda negatif (Tidak dapat dikurangi), siklus penanganan energi.

1. Tingkatkan jumlah zat aktif positif

Meningkatkan proporsi bahan aktif positif terutama untuk meningkatkan proporsi lithium, dalam sistem kimia baterai yang sama, kandungan lithium naik (kondisi lain tetap tidak berubah), dan kepadatan energi juga akan ditingkatkan secara bersamaan. Jadi, dalam batas volume dan berat tertentu, kami menginginkan bahan aktif yang lebih positif dan bahan yang lebih aktif.

2. Tingkatkan jumlah bahan aktif negatif

Ini karena, untuk mengimbangi peningkatan bahan aktif positif, bahan aktif yang lebih negatif diperlukan untuk mengakomodasi ion lithium yang berenang dan menyimpan energi. Jika tidak ada bahan aktif negatif yang cukup, ion lithium tambahan akan diendapkan pada permukaan negatif alih -alih tertanam di dalam, menyebabkan reaksi kimia yang tidak dapat diubah dan hilangnya kapasitas baterai.

3. Meningkatkan kapasitas spesifik bahan elektroda positif (kapasitas gram)

Jumlah bahan aktif positif terbatas dan tidak dapat ditingkatkan tanpa batas waktu. Untuk jumlah material aktif positif tertentu, hanya sebanyak mungkin ion lithium dihilangkan dari elektroda positif untuk berpartisipasi dalam reaksi kimia untuk meningkatkan kepadatan energi. Oleh karena itu, kami berharap bahwa fraksi massa ion lithium yang dapat dilepas relatif terhadap bahan aktif positif tinggi, yaitu indeks kapasitas spesifik tinggi.

Ini adalah alasan mengapa kami mempelajari dan memilih bahan katoda yang berbeda, dari lithium kobaltat hingga lithium besi fosfat dan kemudian ke bahan terner, menuju tujuan ini.

Dianalisis sebelumnya, lithium cobaltate dapat mencapai 137mAh/g, lithium manganate dan lithium besi fosfat nilai aktual sekitar 120 mAh/g, nikel kobalt mangan ternary dapat mencapai 180mAh/g. Jika Anda ingin naik, Anda perlu mempelajari bahan katoda baru dan membuat kemajuan dalam industrialisasi.

4. Meningkatkan kapasitas spesifik bahan anoda

Secara relatif, kapasitas spesifik bahan elektroda negatif bukanlah hambatan utama dari kepadatan energi baterai lithium besi fosfat , tetapi jika kapasitas spesifik elektroda negatif semakin meningkat, itu berarti bahwa lebih banyak ion lithium dapat diakomodasi dengan lebih sedikit Massa bahan elektroda negatif, sehingga mencapai tujuan meningkatkan kepadatan energi.

Dengan bahan karbon grafit sebagai elektroda negatif, kapasitas spesifik teoritis adalah 372 mAh/g, dan bahan karbon keras dan bahan nanokarbon yang dipelajari atas dasar ini dapat meningkatkan kapasitas spesifik menjadi lebih dari 600 mAh/g. Bahan anoda berbasis timah dan silikon juga dapat meningkatkan kapasitas spesifik anoda ke urutan yang sangat tinggi, yang merupakan fokus penelitian saat ini.

5. Pengurangan Berat Badan

Selain bahan aktif dari elektroda positif dan negatif, elektrolit, film isolasi, pengikat, agen konduktif, kolektor cairan, matriks, bahan casing, dll. Adalah "bobot mati" baterai lithium-ion, terhitung sekitar 40 % dari berat seluruh baterai. Jika berat bahan-bahan ini dapat dikurangi tanpa mempengaruhi kinerja baterai, kepadatan energi baterai Li-ion dapat ditingkatkan.

Dalam hal ini, perlu melakukan penelitian dan analisis terperinci tentang elektrolit, film isolasi, pengikat, matriks dan pengumpul cairan, bahan casing, proses manufaktur, dll., Untuk menemukan program yang masuk akal. Jika semua aspek ditingkatkan, kepadatan energi baterai secara keseluruhan dapat ditingkatkan satu derajat.

Dari analisis di atas, dapat dilihat bahwa meningkatkan kepadatan energi baterai lithium-ion adalah rekayasa sistematis untuk meningkatkan proses pembuatan, meningkatkan kinerja bahan yang ada, dan mengembangkan bahan baru dan sistem kimia baru dari aspek-aspek ini, mencari Solusi pendek, menengah dan panjang.