La densidad de energía se refiere a la cantidad de energía almacenada en una determinada unidad de espacio o masa de materia. La densidad de energía de una batería es la energía eléctrica liberada por la unidad de volumen o masa promedio de la batería. La densidad de energía de una batería generalmente se divide en dos dimensiones: densidad de energía gravimétrica y densidad de energía volumétrica.

¿Qué es la densidad de energía?
La densidad de energía se refiere a la cantidad de energía almacenada en una determinada unidad de espacio o masa de materia. La densidad de energía de una batería es la energía eléctrica liberada por la unidad de volumen o masa promedio de la batería. La densidad de energía de una batería generalmente se divide en dos dimensiones: densidad de energía gravimétrica y densidad de energía volumétrica.

Densidad de energía del peso de la batería = capacidad de la batería × ​​plataforma de descarga/peso, la unidad básica es Wh/kg (vatio-hora/kg)
Densidad de energía volumétrica de la batería = capacidad de la batería × ​​plataforma de descarga/volumen, la unidad básica es Wh/L ( vatio-hora/kg) hora/litro)
Cuanto mayor sea la densidad de energía de una batería, más electricidad se puede almacenar por unidad de volumen o peso.

¿Qué es la densidad de energía del monómero?
La densidad de energía de las baterías a menudo apunta a dos conceptos diferentes, uno es la densidad de energía de una sola celda y el otro es la densidad de energía del sistema de batería.

Una celda es la unidad más pequeña de un sistema de batería. Las celdas M forman un módulo y los módulos N forman un paquete de baterías, que es la estructura básica de la batería de energía de un vehículo.

La densidad de energía de una sola célula, como sugiere su nombre, es la densidad de energía al nivel de una sola célula.

De acuerdo con "Hecho en China 2025", se aclara el plan de desarrollo de las baterías eléctricas: en 2020, la densidad de energía de la batería alcanzará los 300 Wh/kg; en 2025, la densidad de energía de la batería alcanzará los 400 Wh/kg; en 2030, la densidad de energía de la batería alcanzará los 500 Wh/kg. Esto se refiere a la densidad de energía al nivel de una sola célula.

¿Qué es la densidad de energía del sistema?
La densidad de energía del sistema se refiere al peso o volumen de todo el sistema de batería después de que se completa la combinación de monómeros. Debido a que el sistema de batería incluye el sistema de administración de batería, el sistema de administración térmica, los circuitos de alto y bajo voltaje, etc., que ocupan parte del peso y el espacio interno del sistema de batería, la densidad de energía del sistema de batería es menor que la densidad de energía del monómero.

Densidad de energía del sistema = carga del sistema de batería/peso del sistema de batería O volumen del sistema de batería
¿Qué limita exactamente la densidad de energía de las baterías de litio?
La química detrás de la batería es la razón principal.

En términos generales, las cuatro partes de una batería de litio son muy críticas: el electrodo positivo, el electrodo negativo, el electrolito y el diafragma. Los electrodos positivo y negativo son donde tienen lugar las reacciones químicas, que son equivalentes a las dos venas de Ren y Du, y su importancia es evidente. Todos sabemos que la densidad de energía del sistema de batería con litio ternario como electrodo positivo es mayor que la del sistema de batería con fosfato de hierro y litio como electrodo positivo. ¿Por qué es esto?

Los materiales del ánodo de la batería de iones de litio existentes son en su mayoría grafito, y la capacidad teórica en gramos del grafito es de 372 mAh/g. La capacidad teórica en gramos del fosfato de hierro y litio del material del cátodo es de solo 160 mAh/g, mientras que el material ternario de níquel-cobalto-manganeso (NCM) es de aproximadamente 200 mAh/g.

De acuerdo con la teoría del barril, el nivel del agua está determinado por la parte más corta del barril, y el límite inferior de la densidad de energía de las baterías de iones de litio depende del material del cátodo.

La plataforma de voltaje del fosfato de hierro y litio es de 3,2 V, y este indicador de ternario es de 3,7 V. En comparación con los dos, la densidad de energía es alta y la diferencia es del 16%.

Por supuesto, además del sistema químico, el nivel del proceso de producción, como la densidad de compactación, el grosor de la lámina, etc., también afecta la densidad de energía. En términos generales, cuanto mayor sea la densidad de compactación, mayor será la capacidad de la batería en un espacio limitado, por lo que la densidad de compactación del material principal también se considera uno de los indicadores de referencia de la densidad de energía de la batería.

En el cuarto episodio de "Great Power II", CATL adoptó una lámina de cobre de 6 micrones, utilizando tecnología avanzada para mejorar la densidad de energía.

Si puede ceñirse a cada línea, lea todo el camino hasta este punto. Felicitaciones, su comprensión de las baterías ha alcanzado un nuevo nivel.

¿Cómo mejorar la densidad de energía?
La adopción de nuevos sistemas de materiales, el ajuste fino de la estructura de la batería de litio y la mejora de las capacidades de fabricación son las tres etapas para que los ingenieros de I+D "bailen con gracia". A continuación, explicaremos desde las dos dimensiones de lo individual y del sistema.
——Densidad de energía individual, que depende principalmente de los avances en los sistemas químicos

1. Aumentar el tamaño de la batería Los

fabricantes de baterías pueden lograr el efecto de expansión de la capacidad al aumentar el tamaño de la batería original. Estamos más familiarizados con el ejemplo: Tesla, la conocida compañía de automóviles eléctricos que tomó la delantera en el uso de la batería 18650 de Panasonic, la reemplazará con una nueva batería 21700.

Sin embargo, las células "grasas" o "largas" son solo una solución temporal, no una causa raíz. El método para extraer salarios del fondo de la tetera es encontrar la tecnología clave para mejorar la densidad de energía de los materiales de los electrodos positivos y negativos y los componentes electrolíticos que constituyen la unidad de la batería.

2. Cambios en el sistema químico

Como se mencionó anteriormente, la densidad de energía de la batería está controlada por los electrodos positivo y negativo de la batería. Dado que la densidad de energía del material del electrodo negativo es mucho mayor que la del electrodo positivo, es necesario actualizar continuamente el material del electrodo positivo para mejorar la densidad de energía.

Cátodo alto en níquel

Los materiales ternarios generalmente se refieren a la gran familia de óxidos de manganato de níquel, cobalto y litio. Podemos cambiar el rendimiento de la batería cambiando la proporción de níquel, cobalto y manganeso.

Ánodo de carbono de silicio en la figura

La capacidad específica de los materiales de ánodo a base de silicio puede alcanzar los 4200 mAh/g, que es mucho mayor que la capacidad específica teórica de los ánodos de grafito de 372 mAh/g, por lo que se ha convertido en un poderoso sustituto de los ánodos de grafito.

En la actualidad, el uso de materiales compuestos de silicio y carbono para mejorar la densidad de energía de las baterías se ha convertido en una de las direcciones de desarrollo de materiales de ánodo de baterías de iones de litio reconocidas por la industria. El Model 3 lanzado por Tesla utiliza un ánodo de carbono de silicio.

En el futuro, si desea ir un paso más allá y romper la barrera de 350 Wh/kg para celdas individuales, es posible que los pares de la industria deban centrarse en los sistemas de baterías de tipo negativo de metal de litio, pero esto también significa que todo el proceso de fabricación de baterías cambiará. y refinamiento. Se puede ver en varios materiales ternarios típicos en China que la proporción de níquel es cada vez mayor, y la proporción de cobalto es cada vez menor. Cuanto mayor sea el contenido de níquel, mayor será la capacidad específica de la celda. Además, debido a la escasez de recursos de cobalto, aumentar la proporción de níquel reducirá la cantidad de cobalto utilizado.

3. Densidad de energía del sistema: mejora la eficiencia del grupo de paquetes de baterías
La agrupación de paquetes de baterías pone a prueba la capacidad de los "leones de asedio" de baterías para organizar celdas y módulos individuales. Es necesario tomar como premisa la seguridad y maximizar el aprovechamiento de cada centímetro de espacio.

Existen principalmente las siguientes formas de "adelgazar" la batería.

Optimice el diseño
En términos de dimensiones externas, la disposición interna del sistema se puede optimizar para que la disposición de los componentes dentro del paquete de baterías sea más compacta y eficiente.

Optimización de topología
Realizamos el diseño de reducción de peso a través del cálculo de simulación con la premisa de garantizar la rigidez y la confiabilidad estructural. A través de esta tecnología, se puede lograr la optimización de la topología y la optimización de la topografía y, en última instancia, ayudar a lograr cajas de baterías livianas.

Selección de materiales
Podemos elegir materiales de baja densidad. Por ejemplo, la cubierta superior del paquete de baterías se ha transformado gradualmente de una cubierta superior de chapa metálica tradicional a una cubierta superior de material compuesto, lo que puede reducir el peso en un 35 % aproximadamente. Para la caja inferior del paquete de baterías, la solución de chapa tradicional se ha transformado gradualmente en una solución de perfil de aluminio, lo que reduce el peso en aproximadamente un 40 % y el efecto de ligereza es evidente.

Diseño integrado del vehículo

Se tienen en cuenta el diseño integrado de todo el vehículo y el diseño de toda la estructura del vehículo, y las partes estructurales se comparten tanto como sea posible, como el diseño anticolisión, para lograr el peso ligero definitivo.

La batería es un producto muy completo. Si desea mejorar el rendimiento de un aspecto, puede sacrificar el rendimiento de otros aspectos. Esta es la base para entender el diseño y desarrollo de baterías. Las baterías de energía están dedicadas a los vehículos, por lo que la densidad de energía no es la única medida de la calidad de la batería.