Analyse der Energiedichte von Lithium-Batterien, wie kann die Energiedichte von Lithium-Batterien verbessert werden?
Zusammenfassung
Energiedichte (Energiedichte) bezieht sich auf die Menge an Energie, die in einer Einheit eines bestimmten Raumes oder einer bestimmten Materiemasse gespeichert ist. Die Energiedichte einer Batterie ist die elektrische Energie, die durch das durchschnittliche Einheitsvolumen oder die Masse der Batterie freigesetzt wird. Die Energiedichte einer Batterie wird im Allgemeinen in zwei Dimensionen unterteilt: Gewichtsenergiedichte und Volumenenergiedichte.
Was ist Energiedichte?
Energiedichte (Energiedichte) bezieht sich auf die Menge an Energie, die in einer Einheit eines bestimmten Raumes oder einer bestimmten Materiemasse gespeichert ist. Die Energiedichte einer Batterie ist die elektrische Energie, die durch das durchschnittliche Einheitsvolumen oder die Masse der Batterie freigesetzt wird. Die Energiedichte einer Batterie wird im Allgemeinen in zwei Dimensionen unterteilt: Gewichtsenergiedichte und Volumenenergiedichte.
Batteriegewicht Energiedichte = Batteriekapazität × Entladeplattform/Gewicht, die Grundeinheit ist Wh/kg (Wattstunde/kg)
Batterievolumen Energiedichte = Batteriekapazität × Entladeplattform/Volumen, die Grundeinheit ist Wh/L (Wattstunde/Liter)
Je größer die Energiedichte der Batterie ist, desto mehr Strom wird pro Volumen- oder Gewichtseinheit gespeichert.
Wie hoch ist die Energiedichte des Monomers?
Die Energiedichte einer Batterie weist oft auf zwei verschiedene Konzepte hin, eines ist die Energiedichte einer einzelnen Zelle und das andere ist die Energiedichte des Batteriesystems.
Die Batteriezelle ist die kleinste Einheit eines Batteriesystems. M-Batterien bilden ein Modul und N-Module bilden einen Akkupack. Dies ist die Grundstruktur einer Fahrzeugbatterie.
Die Energiedichte einer einzelnen Zelle ist, wie der Name schon sagt, die Energiedichte einer einzelnen Zellebene.
Laut "Made in China 2025" wird der Entwicklungsplan für Power-Batterien definiert: Im Jahr 2020 wird die Batterie-Energiedichte 300Wh/kg erreichen; im Jahr 2025 wird die Energiedichte der Batterie 400Wh/kg erreichen; im Jahr 2030 wird die Energiedichte der Batterie 500Wh/kg erreichen. Dies bezieht sich auf die Energiedichte einer einzelnen Zellebene.
Was ist die Energiedichte des Systems?
Die Systemenergiedichte bezieht sich auf das Gewicht oder Volumen des gesamten Batteriesystems im Vergleich zum Gewicht oder Volumen des gesamten Batteriesystems nach Abschluss der Monomerkombination. Da das Batteriesystem ein Batteriemanagementsystem, ein Wärmemanagementsystem, Hoch- und Niederspannungsschaltungen usw. enthält, die einen Teil des Gewichts und des Innenraums des Batteriesystems einnehmen, ist die Energiedichte des Batteriesystems niedriger als die Energiedichte des Monomers.
Systemenergiedichte = Batteriesystemleistung / Batteriesystemgewicht ODER Batteriesystemvolumen
Was begrenzt die Energiedichte von Lithium-Batterien?
Das chemische System hinter der Batterie ist der Hauptgrund.
Im Allgemeinen sind die vier Teile einer Lithiumbatterie sehr kritisch: positive Elektrode, negative Elektrode, Elektrolyt und Membran. Die positiven und negativen Pole sind die Orte, an denen chemische Reaktionen stattfinden, die den beiden Adern von Ren Du und Du entsprechen, und ihr wichtiger Status kann gesehen werden. Wir alle wissen, dass die Energiedichte des Batteriepacksystems mit ternärem Lithium als positiver Elektrode höher ist als die des Batteriepacksystems mit Lithiumeisenphosphat als positiver Elektrode. Woran liegt das?
Die meisten der aktuellen Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien sind Graphit, und die theoretische Grammkapazität von Graphit beträgt 372 mAh / g. Die theoretische Grammkapazität des positiven Elektrodenmaterials Lithiumeisenphosphat beträgt nur 160mAh/g, während das ternäre Material Nickel-Kobalt-Mangan (NCM) etwa 200mAh/g beträgt.
Nach der Fasstheorie wird der Wasserstand durch den kürzesten Teil des Fasses bestimmt, und die untere Grenze der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien hängt vom Kathodenmaterial ab.
Die Spannungsplattform von Lithiumeisenphosphat beträgt 3,2 V und der ternäre Index 3,7 V. Vergleicht man die beiden Phasen, ist die Energiedichte hoch und der Unterschied beträgt 16%.
Natürlich wirkt sich neben dem chemischen System auch die Ebene des Produktionsprozesses wie Verdichtungsdichte, Foliendicke usw. auf die Energiedichte aus. Generell gilt: Je höher die Verdichtungsdichte, desto höher die Kapazität der Batterie auf begrenztem Raum, so dass auch die Verdichtungsdichte des Hauptmaterials als einer der Referenzindikatoren für die Batterieenergiedichte gilt.
In der vierten Episode von "Great Power Heavy Equipment II" übernahm CATL 6-Mikron-Kupferfolie und verwendete fortschrittliche Technologie, um die Energiedichte zu erhöhen.
Wenn Sie sich an jede Zeile halten können, lesen Sie sie herunter und lesen Sie weiter bis hierher. Herzlichen Glückwunsch, Ihr Verständnis von Batterien hat ein Niveau erreicht.
Wie kann man die Energiedichte erhöhen?
Die Einführung neuer Materialsysteme, die Feinabstimmung der Lithiumbatteriestruktur und die Verbesserung der Fertigungskapazitäten sind die drei Stufen für F & E-Ingenieure zum "long-sleeve good dance". Im Folgenden werden wir die beiden Dimensionen von Monomer und System erklären.
——Monomer-Energiedichte, hängt hauptsächlich vom Durchbruch des chemischen Systems ab
1. Erhöhen Sie die Batteriegröße
Batteriehersteller können den Effekt der Kapazitätserweiterung erzielen, indem sie die ursprüngliche Batteriegröße erhöhen. Das bekannteste Beispiel ist, dass Tesla, ein bekanntes Elektroautounternehmen, das als erstes die 18650-Batterie von Panasonic verwendete, diese durch eine neue 21700-Batterie ersetzen wird.
Die "Fettigkeit" oder das "Wachstum" von Batterien ist jedoch nur eine vorübergehende Heilung, keine dauerhafte Heilung. Die Methode, Gehälter von der Unterseite des Wasserkochers zu ziehen, besteht darin, die Schlüsseltechnologie zu finden, um die Energiedichte aus den positiven und negativen Materialien zu erhöhen, aus denen die Batteriezellen und die Zusammensetzung des Elektrolyten bestehen.
2. Veränderungen im chemischen System
Wie bereits erwähnt, wird die Energiedichte der Batterie durch die positiven und negativen Elektroden der Batterie begrenzt. Da die Energiedichte des aktuellen negativen Elektrodenmaterials viel größer ist als die der positiven Elektrode, erfordert die Erhöhung der Energiedichte eine kontinuierliche Aufwertung des positiven Elektrodenmaterials.
Kathode mit hohem Nickelgehalt
Ternäre Materialien beziehen sich im Allgemeinen auf die große Familie der Nickel-Kobalt-Manganoxid-Lithiumoxide. Wir können die Leistung der Batterie ändern, indem wir das Verhältnis der drei Elemente Nickel, Kobalt und Mangan ändern.
Silizium-Kohlenstoff-Anode im Bild
Die spezifische Kapazität des siliziumbasierten negativen Elektrodenmaterials kann 4200mAh / g erreichen, was viel höher ist als die theoretische spezifische Kapazität der graphitnegativen Elektrode von 372mAh / g, so dass es zu einem leistungsstarken Ersatz für die graphitnegative Elektrode geworden ist.
Derzeit ist die Verwendung von Silizium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen zur Erhöhung der Batterieenergiedichte zu einer der anerkannten Entwicklungsrichtungen der Branche für Lithium-Ionen-Batterieanodenmaterialien geworden. Das von Tesla veröffentlichte Model 3 verwendet eine Silizium-Kohlenstoffanode.
Wenn Sie in Zukunft einen Schritt weiter gehen und die 350Wh / kg-Einzelzellenbarriere durchbrechen möchten, müssen sich die Branchenkollegen möglicherweise auf das negative Lithium-Metall-Batteriesystem konzentrieren, aber dies bedeutet auch, dass sich der gesamte Batterieherstellungsprozess ändert und sorgfältig ist. Aus mehreren typischen ternären Materialien lässt sich erkennen, dass der Anteil von Nickel immer höher und der Anteil von Kobalt immer niedriger ist. Je höher der Nickelgehalt, desto höher die spezifische Kapazität der Zelle. Darüber hinaus wird aufgrund der Knappheit der Kobaltressourcen die Erhöhung des Nickelanteils die Menge des verwendeten Kobalts reduzieren.
3. Systemenergiedichte: Verbesserung der Effizienz von Batteriepacks
Der Test von Batteriepacks in Gruppen ist die Fähigkeit der Batterie "Belagerungslöwen", einzelne Zellen und Module auszulegen. Es ist notwendig, die Sicherheit als Prämisse zu nehmen und das Beste aus jedem Zentimeter Platz zu machen.
Es gibt hauptsächlich die folgenden Möglichkeiten, den Akku "abzunehmen".
Optimieren der Layoutstruktur
Unter dem Aspekt der Abmessungen kann das interne Layout des Systems optimiert werden, um die internen Komponenten des Akkupacks kompakter und effizienter zu gestalten.
Topologieoptimierung
Wir realisieren gewichtsreduzierende Konstruktion unter der Prämisse, Steifigkeit und strukturelle Zuverlässigkeit durch Simulationsberechnung zu gewährleisten. Durch diese Technologie können Topologieoptimierung und Topographieoptimierung erreicht werden und letztendlich dazu beitragen, leichte Batterieschränke zu erreichen.
Materialauswahl
Wir können Materialien mit geringer Dichte wählen. Zum Beispiel hat sich die Batterieabdeckung allmählich von einer traditionellen Blechabdeckung zu einer Verbundmaterialabdeckung geändert, die das Gewicht um etwa 35% reduzieren kann. In Bezug auf die untere Box des Akkupacks hat sie sich allmählich von der traditionellen Blechlösung zur Aluminiumprofillösung gewandelt, wodurch das Gewicht um etwa 40% reduziert wurde, und der leichte Effekt ist offensichtlich.
Integriertes Fahrzeugdesign
Das integrierte Design des gesamten Fahrzeugs und das strukturelle Design des gesamten Fahrzeugs werden umfassend betrachtet, und die strukturellen Teile werden so weit wie möglich geteilt und geteilt, wie z. B. antikollisionsorientiertes Design, um das ultimative Leichtgewicht zu erreichen
Die Batterie ist ein sehr umfassendes Produkt. Wenn Sie einen Aspekt der Leistung verbessern möchten, können Sie andere Aspekte der Leistung opfern. Dies ist die Grundlage für das Verständnis von Batteriedesign und -entwicklung. Leistungsbatterien sind für Fahrzeuge bestimmt, daher ist die Energiedichte nicht das einzige Maß für die Batteriequalität.
