¿Cómo calcular la densidad de energía de las celdas de batería de iones de litio con diferentes materiales de ánodo?

Primero, cálculo de la densidad de energía de las celdas de batería de iones de litio con diferentes materiales de ánodo

Los materiales positivos y negativos determinan la densidad de energía de la batería, pero la mayor parte de la literatura calcula la densidad de energía en función de la calidad de un solo material de cátodo activo. Algunas literaturas consideran la suma de los materiales activos de los materiales positivos y negativos. Se descuida la calidad del material de la batería inactiva, lo que hace que los resultados calculados se desvíen mucho de los reales.

De acuerdo con el método de cálculo de la literatura, se calcula la densidad de energía de los materiales de batería de litio positivos y negativos comunes. La capacidad y el voltaje se muestran en la Tabla 1 y la Tabla 2. Recientemente, la capacidad de los materiales del cátodo está aumentando, pero todavía hay una gran brecha con el valor teórico. La selección de la capacidad más alta no usa el valor más alto reportado, sino la factibilidad de seleccionar los indicadores técnicos para seleccionar los valores de las Tablas 1 y 2. Todavía existen muchos problemas para lograr este valor, como controlar la expansión del volumen, las características de la tasa y características del ciclo. La Tabla 3 da los parámetros típicos para la eliminación de materiales de encapsulación y cables, materiales inactivos dentro del material de encapsulación [4].

Sin embargo, la forma de la batería varía, y la celda en este trabajo se refiere a todos los demás materiales que no contienen el material de encapsulación y los cables, y la mayoría de los cálculos se basan en los resultados de la celda. Además, dado que el espesor admisible del revestimiento del electrodo, la batería de diferentes formas y los parámetros característicos del material inactivo tienen cierta influencia en el resultado del cálculo, el resultado del cálculo de la tabla puede tener una cierta desviación de la batería real, que está estrechamente relacionado con el proceso de fabricación de baterías.

Las Figuras 29 (a) - (j) muestran los resultados del cálculo de la densidad de energía de las celdas formadas por la combinación de 10 electrodos negativos diferentes y 16 materiales de electrodos positivos. La Figura 2 (i) muestra que el sistema de celdas Li-rich-300 vs.Si-C-2000 tiene la densidad de energía de masa más alta de 584Whkg-2 en todos los sistemas de baterías, y la densidad de energía volumétrica más alta de 1645WhL-1 (excluyendo el paquete ) Materiales y pestañas).

La tabla 1 calcula el material activo positivo utilizado y su capacidad y voltaje específicos.

La tabla 2 calcula la masa del material activo negativo utilizado y su capacidad y voltaje específicos.

Figura 2 Cálculo de la densidad de energía celular de diferentes materiales de ánodo y diferentes materiales de cátodo (a) grafito; (b) carbono blando SC-400; (d) carbono duro-250; (e) SiOx-420; (f) SiOx-1000; (g) Si-C-450; (h) Si-C-1000; (j) titanato de litio

En segundo lugar, cálculo de la densidad de energía de la celda de batería de iones de litio de metal

Los resultados del cálculo anterior son todos materiales de electrodo negativo, la capacidad teórica teórica del grafito es 372mAhg-1 [5], la capacidad reversible actual puede alcanzar 365mAhg-1, y la capacidad reversible de materiales de electrodo negativo de pista de alta capacidad puede alcanzar 1000- 1500 mAhg-1. Sin embargo, hay una expansión y contracción de gran volumen en el proceso de desintercalación del litio. Y es difícil ejercer completamente la capacidad real, que es solo 380-450 mAhg-1. Por el contrario, la capacidad específica teórica del litio metálico es tan alta como 3860 mAhg-1, e incluso si la tasa de utilización es del 33%, hay 1287 mAhg-1 y puede servir como fuente de litio. Sin embargo, el litio metálico tiene muchos problemas de seguridad, como la dendrita de litio, el crecimiento desigual de los poros y la reacción secundaria continua con el electrolito, los problemas de expansión de volumen y la estabilidad de la interfase durante la circulación.

Considerando las diferentes posibilidades de capacidad de litio metálico en diferentes baterías, este trabajo calcula la densidad de energía de baterías de metal litio con diferentes tasas de utilización de metal litio de 100%, 80%, 50% y 33%, respectivamente. Comparando la Fig. 3 con la Fig. 2, se puede ver que cuando se ejerce la capacidad de litio metálico, el mismo sistema de electrodo positivo, la batería de iones de litio metálico tiene una densidad de energía más significativa que la batería de litio. Por ejemplo, cuando se usa material de cátodo Li-rich-300 como electrodo negativo en litio metálico, la densidad de energía es 649 Whkg-1 y la densidad de energía es 521 Whkg-1 incluso cuando solo se ejerce el 33%.

a) Se utiliza plenamente la capacidad de Li;

(b) la capacidad de Li es del 80%;

(c) la capacidad de Li es del 50%;

(d) La capacidad de Li es del 33%.

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