Densidade de energia refere-se à quantidade de energia armazenada em uma determinada unidade de espaço ou massa de matéria. A densidade de energia de uma bateria é a energia elétrica liberada pela unidade média de volume ou massa da bateria. A densidade de energia de uma bateria é geralmente dividida em duas dimensões: densidade de energia gravimétrica e densidade de energia volumétrica.

O que é densidade de energia?
Densidade de energia refere-se à quantidade de energia armazenada em uma determinada unidade de espaço ou massa de matéria. A densidade de energia de uma bateria é a energia elétrica liberada pela unidade média de volume ou massa da bateria. A densidade de energia de uma bateria é geralmente dividida em duas dimensões: densidade de energia gravimétrica e densidade de energia volumétrica.

Peso da bateria Densidade de energia = capacidade da bateria × plataforma de descarga/peso, a unidade básica é Wh/kg (watt-hora/kg)
Densidade de energia volumétrica da bateria = capacidade da bateria × plataforma de descarga/volume, a unidade básica é Wh/L (watt- hora/litro)
Quanto maior a densidade de energia de uma bateria, mais eletricidade pode ser armazenada por unidade de volume ou peso.

O que é densidade de energia do monômero?
A densidade de energia das baterias geralmente aponta para dois conceitos diferentes, um é a densidade de energia de uma única célula e o outro é a densidade de energia do sistema de baterias.

Uma célula é a menor unidade de um sistema de bateria. As células M formam um módulo e os módulos N formam uma bateria, que é a estrutura básica de uma bateria de energia do veículo.

A densidade de energia de uma única célula, como o nome sugere, é a densidade de energia no nível de uma única célula.

De acordo com "Made in China 2025", o plano de desenvolvimento de baterias de energia é esclarecido: em 2020, a densidade de energia da bateria atingirá 300Wh/kg; em 2025, a densidade de energia da bateria chegará a 400Wh/kg; em 2030, a densidade de energia da bateria atingirá 500Wh/kg. Isso se refere à densidade de energia no nível de uma única célula.

O que é densidade de energia do sistema?
A densidade de energia do sistema refere-se ao peso ou volume de todo o sistema de bateria após a conclusão da combinação de monômeros. Como o sistema de bateria inclui o sistema de gerenciamento de bateria, sistema de gerenciamento térmico, circuitos de alta e baixa tensão, etc., que ocupam parte do peso e espaço interno do sistema de bateria, a densidade de energia do sistema de bateria é menor que a densidade de energia do monômero.

Densidade de energia do sistema = carga do sistema de bateria/peso do sistema de bateria OU volume do sistema de bateria
O que exatamente limita a densidade de energia das baterias de lítio?
A química por trás da bateria é o principal motivo.

De um modo geral, as quatro partes de uma bateria de lítio são muito críticas: o eletrodo positivo, o eletrodo negativo, o eletrólito e o diafragma. Os eletrodos positivo e negativo são onde ocorrem as reações químicas, que são equivalentes às duas veias de Ren e Du, e sua importância é evidente. Todos sabemos que a densidade de energia do sistema de bateria com lítio ternário como eletrodo positivo é maior do que a do sistema de bateria com fosfato de ferro de lítio como eletrodo positivo. Por que é isso?

Os materiais de ânodo de bateria de íon de lítio existentes são principalmente grafite, e a capacidade teórica de grama de grafite é 372mAh/g. A capacidade teórica em gramas do fosfato de ferro-lítio do material catódico é de apenas 160mAh/g, enquanto o material ternário níquel-cobalto-manganês (NCM) é de cerca de 200mAh/g.

De acordo com a teoria do barril, o nível da água é determinado pela parte mais curta do barril, e o limite inferior da densidade de energia das baterias de íons de lítio depende do material do cátodo.

A plataforma de tensão do fosfato de ferro e lítio é de 3,2V, e este indicador de ternário é de 3,7V. Comparado com os dois, a densidade de energia é alta e a diferença é de 16%.

Obviamente, além do sistema químico, o nível do processo de produção, como densidade de compactação, espessura da folha, etc., também afeta a densidade de energia. De um modo geral, quanto maior a densidade de compactação, maior a capacidade da bateria em um espaço limitado, portanto, a densidade de compactação do material principal também é considerada um dos indicadores de referência da densidade de energia da bateria.

No quarto episódio de "Great Power II", o CATL adotou folha de cobre de 6 mícrons, usando tecnologia avançada para melhorar a densidade de energia.

Se você puder se ater a cada linha, leia todo o caminho até este ponto. Parabéns, sua compreensão das baterias atingiu um novo nível.

Como melhorar a densidade de energia?
A adoção de novos sistemas de materiais, o ajuste fino da estrutura da bateria de lítio e a melhoria das capacidades de fabricação são os três estágios para os engenheiros de P&D "dançarem graciosamente". Abaixo, explicaremos a partir das duas dimensões do único e do sistema.
——Densidade de energia individual, principalmente contando com avanços em sistemas químicos

1. Aumente o tamanho da bateria Os

fabricantes de baterias podem obter o efeito de expansão da capacidade aumentando o tamanho da bateria original. Estamos mais familiarizados com o exemplo: a Tesla, a conhecida empresa de carros elétricos que assumiu a liderança no uso da bateria 18650 da Panasonic, a substituirá por uma nova bateria 21700.

No entanto, as células "gordas" ou "longas" são apenas uma solução temporária, não uma causa raiz. O método de sacar salários do fundo da chaleira é encontrar a tecnologia-chave para melhorar a densidade de energia dos materiais dos eletrodos positivos e negativos e dos componentes eletrolíticos que constituem a unidade da bateria.

2. Alterações no sistema químico

Como mencionado anteriormente, a densidade de energia da bateria é controlada pelos eletrodos positivo e negativo da bateria. Como a densidade de energia do material do eletrodo negativo é muito maior do que a do eletrodo positivo, é necessário atualizar continuamente o material do eletrodo positivo para melhorar a densidade de energia.

Cátodo de níquel alto

Materiais ternários geralmente se referem à grande família de óxidos de manganato de níquel-cobalto-lítio. Podemos alterar o desempenho da bateria alterando a proporção de níquel, cobalto e manganês.

Ânodo de carbono de silício na figura

A capacidade específica dos materiais anódicos à base de silício pode chegar a 4200mAh/g, que é muito maior do que a capacidade específica teórica dos ânodos de grafite de 372mAh/g, tornando-se um poderoso substituto para ânodos de grafite.

Atualmente, o uso de materiais compostos de silício-carbono para melhorar a densidade de energia das baterias tornou-se uma das direções de desenvolvimento de materiais de ânodo de bateria de íon-lítio reconhecidos pela indústria. O Model 3 lançado pela Tesla usa um ânodo de carbono de silício.

No futuro, se você quiser dar um passo adiante e romper a barreira de 350 Wh/kg para células únicas, os colegas do setor podem precisar se concentrar em sistemas de baterias do tipo negativo de metal de lítio, mas isso também significa que todo o processo de fabricação de baterias Muda e refinamento. Pode ser visto em vários materiais ternários típicos na China que a proporção de níquel está ficando cada vez maior, e a proporção de cobalto está ficando cada vez menor. Quanto maior o teor de níquel, maior a capacidade específica da célula. Além disso, devido à escassez de recursos de cobalto, aumentar a proporção de níquel reduzirá a quantidade de cobalto utilizada.

3. Densidade de energia do sistema: melhore a eficiência do grupo de baterias
O agrupamento de baterias testa a capacidade dos "leões de cerco" da bateria para organizar células e módulos individuais. É preciso ter a segurança como premissa e maximizar o uso de cada centímetro de espaço.

Existem principalmente as seguintes maneiras de "emagrecer" a bateria.

Otimize o layout
Em termos de dimensões externas, o arranjo interno do sistema pode ser otimizado para tornar o arranjo dos componentes dentro da bateria mais compacto e eficiente.

Otimização de topologia
Realizamos o projeto de redução de peso através do cálculo de simulação com a premissa de garantir rigidez e confiabilidade estrutural. Por meio dessa tecnologia, a otimização da topologia e a otimização da topografia podem ser alcançadas e, em última análise, ajudar a obter caixas de bateria leves.

Seleção de materiais
Podemos escolher materiais de baixa densidade. Por exemplo, a tampa superior da bateria foi gradualmente transformada de uma tampa superior de chapa metálica tradicional para uma tampa superior de material compósito, o que pode reduzir o peso em cerca de 35%. Para a caixa inferior da bateria, a solução tradicional de chapa metálica foi gradualmente transformada em uma solução de perfil de alumínio, reduzindo o peso em cerca de 40%, e o efeito leve é ​​óbvio.

Projeto integrado do veículo

O design integrado de todo o veículo e o design de toda a estrutura do veículo são levados em consideração, e as partes estruturais são compartilhadas o máximo possível, como o design anticolisão, para obter o máximo peso leve.

A bateria é um produto muito abrangente. Se você deseja melhorar o desempenho de um aspecto, pode sacrificar o desempenho de outros aspectos. Esta é a base para entender o design e o desenvolvimento da bateria. As baterias de energia são dedicadas aos veículos, portanto, a densidade de energia não é a única medida da qualidade da bateria.