Análisis de densidad energética de baterías de iones de litio

Se puede decir que la densidad de energía es el mayor cuello de botella que restringe el desarrollo de baterías de iones de litio. Ya sea un teléfono móvil o un automóvil eléctrico, la gente espera que la densidad de energía de la batería alcance un nivel completamente nuevo, de modo que la vida útil del producto o el kilometraje ya no sea el factor principal que lo perturbe.

Desde baterías de plomo-ácido, baterías de níquel-cadmio, baterías de hidruro metálico de níquel hasta baterías de iones de litio, la densidad de energía ha ido en aumento. Sin embargo, la velocidad de aumento en relación con la velocidad de desarrollo de la escala industrial, en relación con el grado de demanda humana de energía, es demasiado lenta. Algunas personas incluso argumentan que el progreso humano está atascado en la "batería" aquí. Por supuesto, si el mundo pudiera transmitir electricidad de forma inalámbrica y sin cables en cualquier lugar (como las señales de los teléfonos móviles), los seres humanos ya no necesitarían baterías y, naturalmente, el desarrollo social no se quedaría atascado en ellos.

En vista del hecho de que la densidad de energía se ha convertido en un cuello de botella, todos los países del mundo han formulado objetivos de política 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 establecidos por gobiernos u organizaciones industriales como China, Estados Unidos y Japón apuntan básicamente al valor de 300 Wh / kg, lo que equivale a casi el doble del nivel actual. El objetivo a largo plazo para 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 antes de que sea posible 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?

Lo que hemos analizado antes es que el elemento de litio de la batería se utiliza en realidad como portador de energía eléctrica. Otras sustancias son "desechos", pero son para obtener portadores de energía eléctrica estables, continuos y seguros. Estos "desechos" también son indispensables. de. Por ejemplo, en una batería de iones de litio, la calidad del 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 tenía un dicho famoso de que el éxito es 99% de sudor más 1% de talento. Parece que esta verdad es universalmente correcta. El 1% es flor roja y el 99% restante de hojas verdes no son menos.

Entonces, para aumentar la densidad de energía, lo primero que queremos hacer es aumentar la proporción de litio, mientras permitimos que la mayor cantidad posible de iones de litio corran desde el polo positivo, se muevan al polo negativo y luego regresen del polo negativo. número al polo positivo (no se puede reducir).), Energía en constante movimiento.

1. Incrementar la proporción de sustancias activas polares positivas

El aumento de la proporción de sustancias positivamente activas es principalmente para aumentar la proporción de litio. En el mismo sistema químico de batería, el contenido de litio aumenta (las demás condiciones no cambian) y la densidad de energía también aumentará en consecuencia. Por lo tanto, bajo ciertas restricciones de volumen y peso, esperamos que haya más sustancias activas polares positivas y más.

2. Aumentar la proporción de sustancias negativamente activas.

En realidad, esto es para igualar el aumento de sustancias activas polares positivas, y se necesitan más sustancias activas polares negativas para acomodar los iones de litio que nadan y almacenan energía. Si el electrodo negativo no es lo suficientemente activo, los iones de litio adicionales se depositarán en la superficie del electrodo negativo en lugar de incrustarse en el interior, con reacciones químicas irreversibles y atenuación de la capacidad de la batería.

3. Incrementar la capacidad específica (en gramos) de material positivo

La proporción de sustancias activas polares positivas es limitada y no puede aumentarse indefinidamente. Con la condición de que la cantidad total de sustancias activas polares positivas sea cierta, solo la mayor cantidad posible de iones de litio pueden considerarse depositados en el polo positivo y participar en reacciones químicas para aumentar la densidad de energía. Por lo tanto, esperamos que la calidad de los iones de litio considerados en lechos en relación con las sustancias activas polares positivas sea mayor, es decir, mayor que el índice de capacidad.

Es por eso que estudiamos y elegimos diferentes materiales positivos, desde el ácido de cobalto de litio hasta el fosfato de hierro y litio hasta materiales ternarios, todos orientados a este objetivo.

Como se analizó anteriormente, el ácido de litio y cobalto puede alcanzar 137 mAh / g, el ácido de litio-manganeso y el fosfato de litio y hierro tienen valores reales de aproximadamente 120 mAh / gy el níquel-cobalto-manganeso puede alcanzar los 180 mAh / g. Si queremos mejorar, debemos estudiar nuevos materiales positivos y avanzar en la industrialización.

4. Incrementar la capacidad específica del material del electrodo negativo.

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. Sin embargo, si la capacidad específica del electrodo negativo aumenta aún más, significa que se pueden acomodar más iones de litio con menos masa del material del electrodo negativo. Para lograr el objetivo de aumentar la densidad energética.

Utilizando materiales de carbono de grafito como polos negativos, 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 600 mAh / go más. Los materiales de electrodo negativo a base de estaño y silicio también pueden aumentar la capacidad específica del polo negativo a un nivel muy alto, que es una dirección de investigación caliente.

5. Bajar de peso

Además de las sustancias activas positivas y negativas, los electrolitos, las membranas de aislamiento, los aglutinantes, los agentes conductores, los fluidos colectores, las matrices, los materiales de la carcasa, etc., son todos "pesos muertos" de las baterías de iones de litio, que representan el peso total de la batería. Alrededor del 40%. Si puede reducir el peso de estos materiales sin afectar el rendimiento de la batería, también puede aumentar la densidad de energía de las baterías de iones de litio.

En este sentido, es necesario estudiar y analizar en detalle el electrolito, la película de aislamiento, el aglutinante, la matriz y el fluido de recolección, el material de la carcasa, el proceso de fabricación, etc., para encontrar una solución razonable. Al mejorar todos los aspectos, la densidad de energía total de la batería se puede incrementar en una amplitud.

Del análisis anterior, se puede ver que aumentar la densidad de energía de las baterías de iones de litio es un proyecto sistemático. Es necesario encontrar soluciones a corto, medio y largo plazo desde los aspectos de mejora del proceso de fabricación, mejora del rendimiento de los materiales existentes y desarrollo de nuevos materiales y nuevos sistemas químicos.

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