¿Qué tan lejos está el litio de una batería de alta energía "real"?

El mayor obstáculo para la industrialización a gran escala de los vehículos eléctricos puros es la "ansiedad por el kilometraje". La esencia del problema es la densidad de energía del sistema de batería de potencia.

El sistema de batería de iones de litio existente solo puede considerarse como una batería "media" de alta energía porque su alta energía específica se basa principalmente en el potencial de electrodo extremadamente bajo. En la actualidad, varios tipos de materiales de electrodo positivo de óxido de metal de transición que se comercializan no son significativamente superiores a las baterías secundarias de agua en términos de voltaje de funcionamiento o capacidad específica.

Por lo tanto, solo hay dos formas de hacer del litio una batería de alta energía "real": aumentar el voltaje de funcionamiento de la batería o aumentar la capacidad específica de los materiales positivos y negativos. Sin embargo, debido a las limitaciones de muchos factores objetivos, la mejora de la densidad energética de las baterías de iones de litio se ha acercado al cuello de botella.

Los cálculos teóricos muestran que el sistema de material polar positivo y negativo de capacidad máxima existente (ternario de alto contenido de níquel con electrodo negativo de carbono de silicio) tiene una densidad de energía ligeramente superior de aproximadamente 300 W / kg. Debido a las estrictas restricciones de muchos indicadores técnicos, las baterías de potencia a gran escala son muy diferentes de las baterías pequeñas 3C en la selección de materiales de electrodos, colocación del sistema, tecnología Polar y diseño de la estructura del núcleo. Estos factores hacen incluso el mismo sistema de colocación polar positivo y negativo. La densidad de energía de las celdas de potencia grandes es mucho menor que la de las baterías 3C pequeñas.

Es decir, en un futuro previsible, es casi imposible que un sistema de baterías de iones de litio de alta energía que pueda comercializarse a gran escala tenga una densidad de energía de más de 250 W / Kg. Esta densidad de energía del sistema es para vehículos de pasajeros domésticos comunes. En condiciones reales y condiciones de carga, es un alcance de más de 300 km.

El Beyond LIB tiene dos "nuevas estrellas" deslumbrantes: las baterías Li-S y Li-Air. De hecho, todos son sistemas antiguos que solo se han reempaquetado en los últimos años. Si miramos de cerca estos dos sistemas electroquímicos, su problema central sigue siendo el electrodo negativo de litio metálico.

La batería Li-S debe resolver el problema del electrodo negativo de litio metálico, de lo contrario, la batería Li-S básicamente pierde la ventaja de alta energía. Junto con el exclusivo "efecto lanzadera de iones de azufre" de las baterías Li-S, el autor no cree que las baterías Li-S tengan la posibilidad de una aplicación práctica en vehículos eléctricos. En el futuro, las baterías Li-S pueden tener ciertas aplicaciones en áreas especiales como áreas militares y salvajes.

El pensamiento y el punto de partida de la batería Li-Air no son los mismos que los de las baterías Li-S. Pertenece a la categoría de baterías de aire. Pero en mi opinión personal, las celdas de metal-aire, especialmente las secundarias de metal y aire, combinan en realidad las desventajas de las celdas secundarias y de combustible de manera orgánica y magnifican las desventajas. Las baterías de Li-Air secundarias implican más problemas técnicos que las baterías de Li-S.

Personalmente, el próximo avance para los iones de litio puede estar en las baterías de iones de litio totalmente sólidas, en lugar de las baterías de Li-S y li-aire o incluso de grafeno, que actualmente están muy publicitadas. Debido al uso de litio metálico como electrodo negativo, la densidad de energía de las baterías de iones de litio totalmente sólidas mejorará en gran medida en comparación con las baterías de iones de litio líquidos actuales (el autor estima que la densidad de energía real puede alcanzar los 350 Wh / kg). La buena seguridad es otra ventaja de las baterías de iones de litio totalmente sólidas.

Sin embargo, debido a las características de transferencia de iones de los electrolitos sólidos y los problemas de resistencia de la interfaz de los electrolitos sólidos y los materiales de los electrodos positivos y negativos, se determina que el rendimiento de la relación debe ser su placa corta. Además, la reciclabilidad y el rendimiento de temperatura de las baterías totalmente sólidas aún enfrentan grandes desafíos.

Personalmente, el autor cree que las baterías de iones de litio totalmente sólidas pueden usarse en dispositivos electrónicos pequeños 3C en el futuro, y es posible que las celdas de energía grandes no sean adecuadas para su aplicación. Según la investigación y el desarrollo actuales de baterías de iones de litio totalmente sólidas en el mundo, el autor no cree que exista la posibilidad de una comercialización a gran escala de baterías de iones de litio totalmente sólidas en los próximos 5 a 10 años.

Lo que quiero enfatizar aquí es que la comprensión anterior y la comprensión de la seguridad y la densidad de energía de la electricidad de litio requieren una experiencia electroquímica considerable y prácticas de producción de electricidad de litio de alto nivel. Debido a limitaciones de espacio, el autor no da más detalles aquí.

En comparación con las celdas de energía de iones de litio y las celdas de combustible, podemos ver que hay un espacio muy limitado para un mayor aumento en la densidad de energía de las celdas de energía de iones de litio. Si lo piensas desde la perspectiva de los principios electroquímicos más básicos, este problema no es difícil de entender. El aumento de la densidad de energía de las baterías secundarias no sigue la ley de Moore.

El nuevo sistema de suministro de energía química con mayor densidad energética se encuentra todavía en la etapa de investigación básica y las perspectivas de industrialización son aún muy inciertas. En términos relativos, el problema de la densidad de energía de PEMFC no es muy importante. Incluso si el número de tanques de almacenamiento de hidrógeno se incrementa en el más simple para garantizar el kilometraje, la operatividad es relativamente fácil.

También podemos pensar desde otra perspectiva que la batería secundaria debe desarrollarse en un sistema completamente sellado y esforzarse por ser mantenible (para la energía de litio es absolutamente necesario), y precisamente porque la batería secundaria es un sistema sellado, lo que hace que sea imposible para que tenga una alta densidad de energía. De lo contrario, ¿cuál es la diferencia entre un sistema cerrado de alta energía y una bomba?

¡Desde la ley más básica de conservación de la energía no tiene sentido! Desde este punto de vista, es fácil comprender que el aumento de la densidad de energía de las baterías de iones de litio (incluidos en realidad todos los sistemas de baterías secundarias) será muy limitado. La pila de combustible es un sistema abierto. El reactor eléctrico es solo un sitio de reacción electroquímica. La densidad de energía del sistema depende principalmente de la cantidad de hidrógeno almacenado en el sistema de almacenamiento de hidrógeno.

Debido a que es un sistema abierto, las celdas de combustible tienen un mayor potencial para aumentar la densidad de energía y son inherentemente más seguras. Esta ventaja es exactamente lo que no tiene ninguna batería secundaria. Desde la perspectiva de los dispositivos electroquímicos, las pilas de combustible tienen un nivel más alto de desarrollo de fuentes de energía química que las baterías secundarias.

Básicamente, una batería secundaria, incluida una batería de iones de litio, es un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica y una pila de combustible es un dispositivo de producción de energía eléctrica. Esta diferencia fundamental determina el posicionamiento diferente de los dos en el campo de aplicación.

Muchas características diferentes de las celdas de combustible y las celdas secundarias determinan que las celdas secundarias sean adecuadas para fines de almacenamiento de energía de mediana y pequeña potencia, mientras que las celdas de combustible son más adecuadas para aplicaciones de mayor potencia. Por lo tanto, el autor cree personalmente que el posicionamiento de las baterías de iones de litio en vehículos eléctricos es un dispositivo de potencia auxiliar, y sus principales áreas de aplicación son HEV y PHEV y pequeños vehículos eléctricos puros.

La celda de combustible PEMFC se ha desarrollado como una fuente de energía a gran escala desde el principio y es una verdadera "celda de energía". Me gustaría enfatizar aquí que las pilas de combustible PEMFC y las baterías de iones de litio no se superponen en el campo de aplicación. Son relaciones complementarias en los vehículos eléctricos, no quién reemplaza a quién.

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