Progresos y desafíos de la batería de iones de litio en vehículos eléctricos

Recientemente, el profesor TobiasPlacke de la Universidad de Minster en Alemania y el profesor MartinWinter (autor de la comunicación) publicaron un artículo de síntesis "Performance and cosofimaterialsforlithium-basedregeablauteotiticebetters" en Natureenergy. Este documento revisa el progreso y los desafíos de los materiales de las baterías de iones de litio en los vehículos eléctricos, especialmente en términos de parámetros de costo y rendimiento. Se discute el proceso de producción de materiales positivos y negativos, y se enfatiza la abundancia y costo de los materiales y las ventajas y desafíos de los diferentes electrolitos para los vehículos eléctricos. Finalmente, se evalúa rigurosamente la densidad de energía y el costo de las prometedoras baterías químicas, así como la posibilidad de lograr los objetivos de propulsión de vehículos eléctricos.

[Introducción]

Los años 1900 a 1912 fueron la edad de oro en la historia de los vehículos eléctricos. En 1912, el uso de vehículos eléctricos en Estados Unidos alcanzó los 30.000. La potencia de estos vehículos eléctricos era principalmente una batería de plomo-ácido (LAB). El voltaje de la batería es de aproximadamente 2 V. Debido a la tasa de utilización de baja calidad y al mecanismo de carga-descarga en los LAB, su contenido de capacidad real es de solo 40 Wh / kg y 90 Wh / l, y la eficiencia de Coulomb y la eficiencia energética son solo del 80% y 70%, por lo que este tipo de electricidad El coche tiene motor de combustión interna sustituido. A medida que avanza la tecnología y aumenta la conciencia medioambiental, es fundamental reducir las emisiones de los vehículos. Los coches eléctricos entrarán en otra época dorada: en 2016 se venderán 160.000 vehículos eléctricos híbridos (PHEV) en Estados Unidos.

Las baterías de hidruro de níquel (NiMH) son la opción principal para los vehículos eléctricos híbridos (HEV). El voltaje nominal de la batería de las baterías de NiMH es de 1,2 V, lo que puede proporcionar una capacidad de 80 Wh / kg y 250 Wh / l, pero su eficiencia Coulomb (70%) y eficiencia energética (65%) son incluso inferiores a las de los LAB. .

Hoy en día, los PHEV y los vehículos eléctricos (BEV) utilizan solo baterías de iones de litio (LIB), que ofrecen capacidades de hasta 260Wh / kg y 700Wh / l, así como mayores relaciones de Coulomb (99%) y eficiencia energética (hasta 95%). ). Para lograr la penetración del mercado masivo, el Departamento de Energía de EE. UU. Y la Asociación de Baterías Avanzadas estiman que se requieren al menos 500 kilómetros de kilometraje, lo que equivale a la capacidad de la batería que el paquete de baterías necesita para alcanzar 235Wh / kg y 500Wh / l, y la capacidad de la batería de la unidad de batería debe alcanzar los 350Wh / kg. Y 750Wh / l, además, el costo del paquete de baterías debe ser inferior a 125US $ kWh – 1.

[Material negativo]

El grafito artificial (SG) y el grafito natural (NG) y el carbono amorfo (carbono duro y carbono blando) son los materiales negativos de carbono más utilizados. En comparación con los NG, los SG tienen alta pureza y baja volatilidad. Por lo general, se optimiza con una mezcla de carbono amorfo y graficado, como optimizar la proporción de P a E. Actualmente, en algunas baterías comerciales (como Panasonic o Hitachi), se agrega una pequeña cantidad de silicio (principalmente SiOx) al electrodo de carbono para aumentar aún más la capacidad de la batería.

Además, el titanato de litio (LTO) también se utiliza en baterías comerciales (como la SCiB de Toshiba) debido a su bajo voltaje de batería (en este caso, el voltaje de batería completo formado) y su alta capacidad de potencia, las baterías basadas en LTO son más adecuadas. para aplicaciones de alta potencia, especialmente en autobuses eléctricos. El metal de litio se considera el material de electrodo negativo más prometedor en el futuro, especialmente en baterías totalmente sólidas (ASSB) que utilizan electrolitos de cerámica o polímero, que ahora se utilizan en baterías de polímero de metal de litio.

Actualmente, las SG tienen una cuota de mercado del 43% y las NG del 46% (datos de 2016), mientras que el carbono amorfo representa solo el 7%, lo que demuestra claramente el predominio de los materiales polares negativos basados en carbono. Por el contrario, los materiales de electrodos negativos basados en LTO y en silicio representan solo alrededor del 2%.

[Material positivo]

Desde la comercialización de LIB, los polos positivos se han convertido en un cuello de botella en la capacidad general de las baterías. Los requisitos clave para los materiales activos polares positivos de las baterías de automóviles incluyen: alta capacidad específica, alto potencial de descarga, alta seguridad, alta densidad de energía, cinética de reacción rápida de la batería y buena estabilidad. En la actualidad, la tecnología es más madura con un electrodo positivo de óxido en capas de tipo LiMO2, que contiene metales de transición (M) como níquel, cobalto y manganeso (NMC) o níquel, cobalto y aluminio (NCA) son ampliamente utilizados en baterías automotrices positivas. materiales activos.

Baterías de coches eléctricos

En los últimos años, la capacidad de los vehículos eléctricos ha seguido aumentando y se ha logrado alcanzar un kilometraje de 300 km. Debido a la promoción del mercado, una gran cantidad de inversión en investigación LIBS, su tasa de crecimiento energético es muy grande. En la actualidad, se puede alcanzar la densidad de energía de las baterías cilíndricas 18650 (aproximadamente 250 Wkg-1 y 670 Wkg-1). En la aplicación de vehículos eléctricos, se han diseñado y utilizado diferentes formas de estructuras de batería, como prismáticas, cilíndricas o en forma de bolsa, en situaciones específicas. La mayoría de las baterías de vehículos eléctricos se basan en polos negativos de grafito y estudios recientes han agregado una pequeña cantidad de silicio a los polos negativos. Si se puede agregar silicio con éxito al polo negativo, no solo no acortará el ciclo de vida, sino que aumentará aún más la densidad de energía.

En la actualidad, NCA, NMC-532 y NMC-622 pueden considerarse los materiales positivos más avanzados, principalmente debido a su menor expansión de volumen. El material de electrodo positivo de fosfato de litio y hierro (LFP) se ha utilizado ampliamente en vehículos eléctricos. La escala de aplicación es actualmente la más grande. Esto se debe a la buena estabilidad de LFP y su buen ciclo de vida y rendimiento de relaciones, como autobuses y camiones. Ha sido ampliamente utilizado.

La página contiene el contenido de la traducción automática.