Interpretación de la situación actual: tecnología central de la batería de litio de potencia

El sitio web de energía de litio hace unos días, hay muchas noticias de la industria de baterías de energía doméstica. Primero, SAIC se une al área de baterías de energía y coopera con Ningde, la segunda industria popular en el hogar, la tercera compañía de baterías de energía más grande del mundo. Crearon una empresa de sistemas de baterías eléctricas; Se dice que BYD dividirá el departamento de baterías de energía y el suministro para todas las empresas de automóviles. Se informa que esta acción cambiará el mercado global. La producción anual consecutiva y el volumen de ventas del mercado nacional de automóviles eléctricos mantienen el primero del mundo durante dos años. Se extiende a más de 1 millón de automóviles, lo que representa más del 50% de la propiedad del mercado mundial. China se convierte en el primero en el mercado de automóviles eléctricos con vistas a Estados Unidos. Las acciones más importantes para la perspectiva y el desarrollo de la industria del automóvil eléctrico es la mejora de la tecnología de baterías de potencia.

El desarrollo de los coches eléctricos debe ser mejores baterías, potenciar la batería que la energía, la vida, la seguridad y el precio, es muy importante para el desarrollo de vehículos eléctricos puros. Lo que tiene las ventajas de una alta energía específica, las baterías de iones de litio de larga duración es actualmente el valor más práctico de la batería de automóvil eléctrico, en vehículos híbridos, los vehículos eléctricos puros y los vehículos de celda de combustible se utilizan ampliamente. Se espera que el nivel actual de tecnología de batería de energía comercial y en los próximos 10 años alcance el objetivo como se muestra en la figura 1, y a menudo estos indicadores en la producción real son contradictorios, el rendimiento de la batería debe sopesar la consideración. Aspira a la mejora del rendimiento del material del electrodo de la batería, el electrolito, el rendimiento de la tecnología de ensamblaje del diafragma al mismo tiempo, el grupo de baterías y la tecnología de gestión del seguimiento también son importantes. El propósito de este documento es obtener baterías de la tecnología de material de la batería, la tecnología de diseño y fabricación y la tecnología de batería para baterías de iones de litio como el núcleo de los logros de desarrollo de baterías de energía, ¡al mismo tiempo en el futuro!

Discusión: situación actual de desarrollo de tecnología de núcleo de batería de litio de potencia

Figura 1 batería de energía existente e índices técnicos de los próximos 10 años de objetivos de desarrollo

1, tecnología de materiales eléctricos de litio

Los materiales de los ánodos son

El sistema de materiales del ánodo de la batería de iones de litio es muy rico (figura 2), en la actualidad, la investigación de materiales de ánodo de cobalto, litio, ácido de manganeso, fosfato de hierro y litio, níquel de litio, manganeso, cobalto ha sido madura. Los materiales de litio y ácido de cobalto a 200-210 ma · h / g, su densidad real y la densidad de compactación del material de la hoja son las más altas de los materiales de ánodo, el sistema de voltaje de carga de litio / grafito de ácido de cobalto comercial existente puede mejorar 4.40 V, ya puede cumplir teléfonos inteligentes y tabletas para la densidad de energía de alto volumen de los requisitos del paquete blando de la batería. Materiales de litio ácido de manganeso con bajo costo, proceso de producción simple, alta estabilidad térmica, buena resistencia a la sobrecarga, plataforma de alto voltaje de descarga y alta seguridad. Apto para baterías de vehículos eléctricos ligeros de bajo costo, pero la capacidad de la teoría de existencia es baja, el ciclo puede ser un elemento de manganeso en el proceso de problemas de disolución que afectan la vida útil de la batería en un entorno de alta temperatura. Los materiales domésticos de litio ácido de manganeso principalmente para satisfacer la demanda del mercado de suministro de energía móvil, herramientas eléctricas y bicicletas eléctricas, tiene la tendencia del desarrollo de la gama baja. Los materiales del ánodo de la batería laminada ternaria deslizante se aplican principalmente en el tipo de energía, excepto que todas las cuentas de un tercio del níquel, cobalto, manganeso LiNi1 / 3 co1 / 3 mn1 / 3 O2 en la aplicación de la batería de energía es relativamente madura, alta capacidad de LiNi0.5 Co0.2 Mn0.3 O2 también ha entrado en la aplicación por lotes, generalmente mezclado con litio ácido de manganeso se aplica en la batería de vehículos eléctricos. La densidad de energía de óxido de cobalto de litio dopado con níquel aluminio (NCA) puede estar cerca de las baterías de litio de ácido cobalto de alto voltaje En los últimos años, el fabricante de automóviles eléctricos tesla esta computadora se usa para impulsar baterías de vehículos eléctricos, el material se puede mezclar con litio ácido de manganeso usado en la fabricación de la batería de energía automotriz, el precursor nacional de NCA ha formado una capacidad de producción estable, el mayor desarrollo de la empresa ha completado el material de cátodo NCA, en proceso de promoción del producto. Baterías de fosfato de hierro y litio de alta seguridad, larga vida útil, el poder de los materiales Nano y el rápido desarrollo de materiales de fosfato de litio de ferromanganeso con alta densidad, alta energía y rendimiento de material de alta potencia estable, reducen aún más el costo, satisfacen la demanda del hogar mercado paso a paso y las necesidades de la etapa actual de automóviles de nueva energía de China, espinela litio níquel ácido manganeso alto voltaje y alto voltaje relación capacidad material de ánodo de manganeso litio rico todavía está en desarrollo.

Discusión: situación actual de desarrollo de tecnología de núcleo de batería de litio de potencia

Figura 2 sistema de material de electrodo de batería de iones de litio

Materiales de ánodo

Se puede utilizar para alimentar materiales de ánodo de batería con grafito, carbono duro / blando y material de aleación, los materiales de ánodo de grafito se utilizan ampliamente, la capacidad reversible puede alcanzar 360 ma · h / g. El carbón amorfo blando o duro puede cumplir con la batería a altas velocidades y aplicaciones de baja temperatura, comienzan a aplicarse, pero se mezclan principalmente con aplicaciones de grafito. En materiales de ánodo para titanato de litio tiene la relación óptima de rendimiento y rendimiento del ciclo, adecuado para baterías de carga rápida de gran corriente, pero la producción de baterías de baja energía específica y alto costo. La nano sílice se introdujo en la década de 1990 que se puede usar para ánodo de alta capacidad, mediante una pequeña cantidad de dopaje de nano silicio para mejorar la capacidad de los materiales del ánodo de carbono es un punto caliente de investigación y desarrollo actual, agregando una pequeña cantidad de nano silicio o silicio Los materiales del ánodo de óxido han comenzado a entrar en la etapa de aplicación de lotes pequeños, la capacidad reversible de 450 ma · h / g. Pero como resultado del litio incrustado en silicio después de su expansión de volumen, el ciclo de vida cuando se usa realmente reducirá los problemas que se resolverán aún más.

El electrolito

Electrolito de batería de iones de litio con alta constante dieléctrica comúnmente carbonato de anillo con mezcla de carbonato lineal de baja constante dieléctrica. En general, los electrolitos de la batería de iones de litio deben cumplir con alta conductividad iónica (10-3 ~ 10-2 s / cm), baja conductividad electrónica, amplia ventana electroquímica (0 ~ 5 v), estabilidad térmica (- 40 ~ 60 ℃), y otros requisitos. Seis fosfato de fluoruro de litio y otras sales de litio, refinación de solventes, preparación de nuevos electrolitos, tecnología de aditivos de función continúa progresando, es la dirección de desarrollo para mejorar aún más su voltaje de trabajo y el rendimiento de alta y baja temperatura, mejorar el electrolito líquido iónico seguro para la batería y se están desarrollando electrolitos sólidos.

El diafragma

Membrana microporosa de poliolefina por sus excelentes propiedades mecánicas, buena estabilidad electroquímica y la característica de ser relativamente barata, son las principales variedades en el mercado de diafragmas de baterías de iones de litio [7]. Incluyendo película monocapa de polietileno (PE), película monocapa de polipropileno (PP) y PP / Membrana microporosa compuesta de tres capas de PE / PP. Utilizando la producción de proceso seco de los fabricantes nacionales más, el diafragma de proceso húmedo de PE tiene más empresas que pueden ser de producción en masa. Ampliamente con tecnología de recubrimiento cerámico, la resistencia a altas temperaturas y alto voltaje del diafragma se convertirá en la dirección de investigación futura.

2, tecnología de batería de monómero

El diseño básico de las baterías de iones de litio aún con la compañía SONY lanzó una solicitud de patente para las mismas en 1989, la forma del monómero es cilíndrica, carcasa metálica rectangular (aluminio / acero) y paquete blando cuadrado a granel, batería cilíndrica se utiliza principalmente en computadoras portátiles, tesla ahora empresas como la selección de baterías cilíndricas 18650 para automóviles eléctricos. Cantidad promedio de celda cuadrada es mayor, baterías por volumen rao, laminado Z, laminado de bobinado, el ánodo revestido laminado, métodos de bobinado laminado como la producción. Baterías cilíndricas, la tecnología más madura, el costo de fabricación es bajo, pero la capacidad de enfriamiento de la batería cilíndrica grande es menor, por lo tanto, generalmente elija baterías cilíndricas pequeñas. La capacidad de la batería automotriz es grande, el número de celda, el sistema de administración es más complicado y costoso. La estructura de bobinado de la batería cuadrada en el proceso de producción es relativamente simple, pero para las más adecuadas para la batería de hoja blanda, la adopción de este método, excepto el material de cátodo de espinela y el material ternario, son baterías de fosfato de hierro y litio. La batería de tipo plegable de alta confiabilidad y larga duración adecuada para todo tipo de sistema de materiales, los automóviles híbridos enchufables Volt en general y las baterías de automóviles eléctricos Nissan Leaf se fabrican mediante procesos de laminación. Hasta 2015, la energía de la batería de monómero de fosfato de hierro y litio supera los 140 w. h / kg, material ternario mezcla de monómero de ácido de manganeso y litio energía de la batería de 180 w. h / kg, adopte la batería cilíndrica pequeña NCA que en energía internacional 240 w. h / kg, los próximos años que la energía de la batería de monómero de iones de litio mejorará aún más, se espera en 2020 a un máximo de 300 w. h / kg.

3, tecnología de sistema de batería

Desde el punto de vista de la comercialización del sistema de baterías de energía de iones de litio, las tecnologías centrales clave, incluida la tecnología de grupo de baterías (grupo de celdas integrado, gestión térmica, seguridad contra colisiones, seguridad eléctrica, etc.), el sistema de gestión de baterías (BMS), la medición precisa de la tecnología de compatibilidad electromagnética, la tecnología de señales (como voltaje de monómero, corriente, etc.), estimación del estado de la batería, tecnología de control de ecualización de la batería, etc.

Discusión: situación actual de desarrollo de tecnología de núcleo de batería de litio de potencia

Figura 3 diagrama del sistema de batería de potencia simple

El BMS y el sistema de batería de otros componentes centrales clave, incluidos el sensor, el controlador, el actuador y otros componentes, son básicamente del poder del monopolio de la tecnología electrónica del automóvil (Alemania y Japón, Estados Unidos). Actualmente, la parte nacional de la empresa ha desarrollado con éxito un medidor eléctrico inteligente. , corriente, voltaje, sensor de aislamiento puede reemplazar en el extranjero. Afectar la popularización y la aplicación del automóvil eléctrico es el factor principal de la seguridad de la batería de iones de litio y el costo de uso, además de la seguridad de la ontología de la batería, la vida útil y para mejorar aún más la consistencia, la tecnología modular, la tecnología de grupo de baterías (celda integrada grupo, gestión térmica, seguridad de colisión, seguridad eléctrica, etc.) también tiene una brecha más obvia con el exterior. La tecnología internacional del grupo de baterías de automóviles es relativamente madura en la actualidad, los institutos de investigación nacionales en BMS realizan la medición precisa de la tecnología de compatibilidad electromagnética, la tecnología de señal, la estimación del estado de la batería, la tecnología de control de ecualización de la batería, etc., para llevar a cabo una investigación exhaustiva.

Investigación y desarrollo de tecnología clave, incluido el modelo electroquímico integral de batería de gestión de batería eléctrica, diseño de seguridad eléctrica, estimación de estado, gestión equilibrada, diagnóstico y calibración de fallas, gestión de carga, etc. Las tecnologías clave de gestión térmica de la batería y el desarrollo del sistema deben diseñarse de acuerdo con estructura del paquete de baterías y cálculo y análisis térmico de producción de baterías, investigación de diferentes tecnologías de gestión térmica del efecto de la temperatura de enfriamiento, bajo costo, operación simple, seguridad y confiabilidad del esquema de enfriamiento de gestión térmica de la batería. El peso ligero de la estructura de la célula raíz necesita el sistema de batería y la estructura relacionada como objeto de investigación, considerando el acoplamiento mutuo entre las características, a partir de dos aspectos de la optimización del diseño estructural y la selección de materiales para la resistencia a la vibración de la estructura, la resistencia al impacto y el diseño ligero de optimización integrado del investigación tecnológica clave. Vinculación al material de las piezas, diseño estructural, esquema de diseño optimizado, la seguridad de la batería en seguridad eléctrica, mecánica y térmica sobre la base de la investigación sobre la seguridad del diseño del esquema general del sistema de batería, para la predicción de la batería, monitoreo de seguridad térmica temprano sistema de alerta para diagnóstico y prevención de averías y tecnología de llaves de control.

4, mirando

Un período bastante largo en el futuro, la batería de iones de litio sigue siendo la batería de automóvil eléctrica más aplicable, los materiales de ánodo de ácido de manganeso y litio, el sistema ternario de material de ánodo, el material de cátodo de fosfato de hierro y litio, los materiales de ánodo de carbono compuesto, la membrana de revestimiento de cerámica, el electrolito sales y tecnología de electrolitos funcionales para apoyar el desarrollo del progreso de la tecnología de baterías y el desarrollo industrial. La tecnología del sistema de batería en el progreso de la aplicación, la seguridad y la confiabilidad se mejorará aún más en los próximos años.

La investigación del modelo de batería de iones de litio y la relación entre el modelo y el parámetro, las características del paquete de batería, la estrategia equilibrada del paquete de batería de iones de litio de alta capacidad eficiente, el modelo térmico de carga y descarga de la batería de monómero y el análisis de campo de temperatura del paquete de batería, Se van a llevar a cabo métodos de investigación y control, método de optimización para batería de carga rápida. El sistema de batería de potencia debe rediseñarse en función del producto y actualizar el diseño de acuerdo con las necesidades del futuro modo de fabricación de batería de potencia de automóvil. Trabaje duro sobre la base de los materiales de la batería de energía, la tecnología de fabricación de baterías y el sistema en toda la cadena industrial al mismo tiempo, mejore la calidad del producto, reduzca el costo de la producción en masa y promueva la competitividad de la industria.

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