Introducción 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 automóvil eléctrico, las personas esperan que la densidad de energía de la batería alcance un nuevo nivel, de modo que la duración de la batería o el rango de crucero ya no sea un factor importante que asole el producto.

Desde baterías de plomo-ácido, baterías de níquel-cadmio, baterías de níquel-hidrógeno, hasta baterías de iones de litio, la densidad de energía ha aumentado continuamente. Sin embargo, la velocidad de ascensión es demasiado lenta en comparación con el grado de demanda humana de energía, en relación con la velocidad de escala industrial. Algunas personas incluso bromearon diciendo que el progreso humano se ha quedado atascado en la "batería". Por supuesto, si un día puede lograr la transmisión de energía inalámbrica global, donde sea que pueda obtener energía "inalámbricamente" (como la señal de un teléfono celular), entonces los humanos ya no necesitarán una batería y el desarrollo social, naturalmente, no se quedará atascado en la batería.

En vista de la situación actual, la densidad energética 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 y esperan liderar la industria de las baterías para lograr avances significativos en la densidad de energía. Los objetivos para 2020 fijados por los gobiernos u organizaciones industriales de China, Estados Unidos, Japón y otros países apuntan básicamente al valor de 300Wh / kg, que equivale a casi el doble del nivel actual. El objetivo a largo plazo de 2030 es alcanzar los 500Wh / kg o incluso los 700Wh / 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. ¿Cuáles son las limitaciones obvias de los sistemas químicos y las estructuras existentes de las baterías de iones de litio?

Como analizamos anteriormente, el papel del portador de energía eléctrica es en realidad el elemento de litio en la batería. Otras sustancias son "residuos", pero para obtener un portador de energía eléctrica estable, continuo y seguro, estos "residuos" son indispensables. . Por ejemplo, en una batería de iones de litio, la masa de litio es generalmente más del 1% y el 99% restante son otras sustancias que no soportan almacenamiento de energía. Edison tiene un dicho famoso que dice que el éxito es 99% de sudor más 1% de talento. Parece que este principio es universal. El 1% es cártamo y el 99% restante son hojas verdes.

Entonces, para aumentar la densidad de energía, lo primero que pensamos es aumentar la proporción de litio y, al mismo tiempo, dejar que la mayor cantidad de iones de litio salgan del electrodo positivo, pasen al electrodo negativo y luego regresen al electrodo positivo. electrodo positivo del número original del electrodo negativo (no se puede reducir) el re-transporte de energía.

1. Incrementar la proporción de materiales activos positivos

El aumento de la proporción de materiales activos positivos es principalmente para aumentar la proporción de litio. En el mismo sistema químico de batería, el contenido de litio aumenta (otras condiciones no cambian) y la densidad de energía se mejorará en consecuencia. Por lo tanto, bajo ciertas restricciones de volumen y peso, esperamos que el material activo positivo sea cada vez más.

2. Incrementar la proporción de materiales activos negativos.

En realidad, esto es para aumentar la cantidad de material activo positivo y necesita más material activo negativo para acomodar los iones de litio que nadan y almacenan energía. Si el material activo negativo es insuficiente, los iones de litio adicionales se depositarán en la superficie del electrodo negativo en lugar de incrustarse en el interior, lo que provocará reacciones químicas irreversibles y una disminución de la capacidad de la batería.

3. Mejorar la capacidad específica del material del electrodo positivo (capacidad en gramos)

La proporción de sustancias activas positivas tiene un límite superior y no puede aumentarse sin límite. En el caso de una cierta cantidad de sustancias activas positivas, la densidad de energía se puede aumentar solo cuando se eliminan tantos iones de litio como sea posible del electrodo positivo y participan en la reacción química. Así que queremos tener un alto porcentaje de iones de litio removibles en relación con el ánodo activo, que es más alto que el índice de capacidad.

Es por eso que hemos estudiado y seleccionado diferentes materiales de cátodos, desde cobaltato de litio hasta fosfato de hierro y litio hasta materiales ternarios.

Como se analizó anteriormente, el cobaltato de litio puede alcanzar 137 mAh / g, los valores reales de manganato de litio y fosfato de hierro y litio son de alrededor de 120 mAh / gy el ternario de níquel-cobalto-manganeso puede alcanzar los 180 mAh / g. Si quieres volver a subir, necesitas investigar nuevos materiales de cátodos y avanzar en la industrialización.

4. Mejorar la capacidad específica del material del ánodo.

Por el contrario, la capacidad específica del material del ánodo no es el principal cuello de botella de la densidad de energía de la batería de iones de litio, pero si la capacidad específica del ánodo aumenta aún más, significa que el material del cátodo con menos masa puede acomodar más litio. iones. Logra el objetivo de aumentar la densidad energética.

El material de carbono de grafito se utiliza como electrodo negativo y la capacidad específica teórica es de 372 mAh / g. Sobre la base del material de carbono duro y el material de nano carbono, la capacidad específica se puede aumentar a 600 mAh / go más. Los materiales de ánodo a base de estaño y de silicio también pueden aumentar la capacidad específica del electrodo negativo a un nivel muy alto, que es el punto caliente de la investigación actual.

5. Pérdida de peso

Además de los materiales activos de los electrodos positivos y negativos, los electrolitos, separadores, aglutinantes, agentes conductores, colectores de corriente, sustratos, materiales de carcasa, etc., son el "peso muerto" de las baterías de iones de litio, que representan el peso de toda la batería en alrededor del 40%. Si se puede reducir el peso de estos materiales sin afectar el rendimiento de la batería, también se puede aumentar la densidad de energía de la batería de iones de litio.

Para hacer un escándalo al respecto, es necesario realizar una investigación y un análisis detallados sobre electrolitos, separadores, aglutinantes, sustratos y colectores de corriente, materiales de carcasa, procesos de fabricación, etc., para encontrar una solución razonable. Las mejoras en todos los aspectos pueden aumentar considerablemente la densidad de energía de la batería.

Del análisis anterior, se puede ver que mejorar la densidad de energía de las baterías de iones de litio es un proyecto sistemático. Comenzando por mejorar los procesos de fabricación, mejorando el rendimiento de los materiales existentes y desarrollando nuevos materiales y nuevos sistemas químicos, busque soluciones a corto, mediano y largo plazo.

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