Dos indicadores de rendimiento de las baterías de iones de litio: densidad de energía y tasa de carga y descarga

Analice brevemente los dos indicadores de rendimiento de las baterías de iones de litio: densidad de energía y tasa de carga y descarga

La densidad de energía se refiere a la cantidad de energía que se puede almacenar por unidad de volumen o peso. Por supuesto, cuanto mayor sea el índice, mejor. Todo lo que se concentra es la esencia. La tasa de carga y descarga es la velocidad de almacenamiento y liberación de energía, preferiblemente en segundos. Se llena o libera en un instante, y puede ir y venir tan pronto como se le llame.

Por supuesto, todos estos son ideales y, de hecho, están sujetos a varios factores prácticos. Es imposible para nosotros obtener energía infinita, ni realizar la transferencia instantánea de energía. Cómo superar continuamente estas limitaciones y alcanzar un nivel superior es un problema difícil que debemos resolver.

(A) La densidad de energía de las baterías de iones de litio

Se puede decir que la densidad de energía es el mayor cuello de botella que restringe el desarrollo de las baterías de iones de litio actuales. Ya sea un teléfono móvil o un vehículo eléctrico, la gente espera que la densidad de energía de la batería alcance un nivel completamente nuevo, de modo que la duración de la batería o el kilometraje del producto ya no sean el factor principal que afecta al producto.

Desde baterías de plomo-ácido, baterías de níquel-cadmio, baterías de hidruro de níquel-metal hasta baterías de iones de litio, la densidad de energía se ha mejorado continuamente. Sin embargo, la velocidad de mejora es demasiado lenta en comparación con la velocidad del desarrollo a escala industrial y el grado de demanda humana de energía. Algunas personas incluso bromean diciendo que el progreso humano está atascado en la "batería". Por supuesto, si algún día la transmisión mundial de energía se puede lograr de forma inalámbrica y la energía se puede obtener de forma "inalámbrica" ​​en cualquier lugar (como la señal de un teléfono móvil), entonces los seres humanos ya no necesitarán baterías y el desarrollo social, naturalmente, no se quedará atascado en las baterías. .

En respuesta al statu quo de que la densidad de energía se ha convertido en un cuello de botella, los países de todo el mundo han formulado objetivos de políticas relevantes para la industria de las baterías, con la esperanza de liderar la industria de las baterías para lograr avances significativos en la densidad de energía. Los objetivos para 2020 establecidos por los gobiernos u organizaciones industriales en China, Estados Unidos y Japón apuntan básicamente a un valor de 300 Wh/kg, lo que equivale a casi duplicar la base actual. El objetivo a largo plazo en 2030 es alcanzar los 500 Wh/kg o incluso los 700 Wh/kg. La industria de las baterías debe tener un gran avance en el sistema químico para lograr este objetivo.

Hay muchos factores que afectan la densidad de energía de las baterías de iones de litio. En cuanto al sistema químico existente y la estructura de las baterías de iones de litio, ¿cuáles son las limitaciones obvias?

Hemos analizado anteriormente que lo que actúa como portador de energía eléctrica es en realidad el elemento litio de la batería, y otras sustancias son "desechos", pero para obtener un portador de energía eléctrica estable, sostenible y seguro, estos "desechos" son indispensables. . Por ejemplo, en una batería de iones de litio, la proporción de masa de litio es generalmente un poco más del 1%, y el 99% restante de los componentes son otras sustancias que no realizan funciones de almacenamiento de energía. Edison dijo que el éxito es 99% transpiración más 1% talento. Parece que este principio se aplica en todas partes. El 1% es cártamo y el 99% restante son hojas verdes.

Entonces, para mejorar la densidad de energía, lo primero que pensamos es aumentar la proporción de elementos de litio y, al mismo tiempo, dejar que la mayor cantidad de iones de litio se escapen del electrodo positivo, se muevan hacia el electrodo negativo y luego regresen del electrodo. electrodo negativo al electrodo positivo (no puede ser menos), el ciclo de transporte de energía.

1. Aumentar la proporción de material activo positivo

El aumento de la proporción de materiales activos positivos es principalmente para aumentar la proporción de elementos de litio. En el mismo sistema químico de batería, el contenido de elementos de litio aumenta (otras condiciones permanecen sin cambios), y la densidad de energía también aumentará en consecuencia. Entonces, bajo ciertas limitaciones de volumen y peso, esperamos que haya más materiales activos positivos y más.

2. Aumentar la proporción de material activo negativo

En realidad, esto es para igualar el aumento de materiales activos positivos, y se necesitan más materiales activos negativos para acomodar los iones de litio que nadan y almacenan energía. Si el material activo del electrodo negativo no es suficiente, los iones de litio adicionales se depositarán en la superficie del electrodo negativo en lugar de quedar incrustados en el interior, lo que provocará una reacción química irreversible y la disminución de la capacidad de la batería.

3. Mejorar la capacidad específica (capacidad de gramo) del material del cátodo

La proporción de materiales activos positivos tiene un límite superior y no se puede aumentar indefinidamente. Cuando la cantidad total de materiales activos positivos es constante, solo se pueden desintercalar tantos iones de litio como sea posible del electrodo positivo para participar en reacciones químicas, con el fin de mejorar la densidad de energía. Por lo tanto, esperamos que la relación de masa de los iones de litio que se pueden desintercalar en relación con el material activo positivo sea mayor, es decir, el índice de capacidad específica sea mayor.

Por eso investigamos y seleccionamos diferentes materiales catódicos, desde óxido de cobalto y litio hasta fosfato de hierro y litio, pasando por materiales ternarios, todos los cuales se precipitan hacia este objetivo.

Como se analizó anteriormente, el óxido de cobalto de litio puede alcanzar los 137 mAh/g, los valores reales de manganato de litio y fosfato de hierro y litio rondan los 120 mAh/g, y el manganeso de cobalto de níquel ternario puede alcanzar los 180 mAh/g. Si queremos mejorar aún más, debemos estudiar nuevos materiales de cátodo y avanzar en la industrialización.

4. Mejorar la capacidad específica de los materiales del ánodo

Hablando en términos relativos, la capacidad específica del material del electrodo negativo no es el principal cuello de botella de la densidad de energía de la batería de iones de litio, pero si se mejora aún más la capacidad específica del electrodo negativo, significa que el material del electrodo negativo con menos masa puede acomodar más iones de litio, logrando así el objetivo de aumentar la densidad de energía.

Utilizando materiales de carbono similares al grafito como electrodo negativo, la capacidad específica teórica es de 372 mAh/g. Los materiales de carbono duro y los materiales de nanocarbono estudiados sobre esta base pueden aumentar la capacidad específica a más de 600 mAh/g. Los materiales de ánodo a base de estaño y silicio también pueden aumentar la capacidad específica del ánodo a un nivel muy alto, que son direcciones candentes de la investigación actual.

5. Bajar de peso

Además de los materiales activos de los electrodos positivo y negativo, los electrolitos, los separadores, los aglutinantes, los agentes conductores, los colectores de corriente, los sustratos, los materiales de la carcasa, etc., son el "peso muerto" de las baterías de iones de litio, que representan la proporción de la peso total de la batería alrededor del 40%. Si se puede reducir el peso de estos materiales sin comprometer el rendimiento de la batería, también podría mejorar la densidad de energía de las baterías de iones de litio.

Para hacer un escándalo en este sentido, es necesario realizar una investigación y análisis detallados sobre electrolitos, separadores, aglutinantes, sustratos y colectores de corriente, materiales de la carcasa, procesos de fabricación, etc., para encontrar una solución razonable. Si se mejoran todos los aspectos, la densidad de energía general de la batería puede aumentar hasta cierto punto.

Del análisis anterior, se puede ver que mejorar la densidad de energía de las baterías de iones de litio es un proyecto sistemático. Deberíamos empezar por mejorar el proceso de fabricación, mejorar el rendimiento de los materiales existentes y desarrollar nuevos materiales y nuevos sistemas químicos. y soluciones a largo plazo.