Dois indicadores de desempenho de baterias de íon-lítio: densidade de energia e taxa de carga-descarga

Analise brevemente os dois indicadores de desempenho de baterias de íon-lítio: densidade de energia e taxa de carga-descarga A

densidade de energia refere-se à quantidade de energia que pode ser armazenada por unidade de volume ou peso. Claro, quanto maior o índice, melhor. Tudo o que está concentrado é a essência. A taxa de carga e descarga é a velocidade de armazenamento e liberação de energia, preferencialmente em segundos. Ele é preenchido ou liberado em um instante, e pode ir e vir tão logo seja chamado.

Claro, todos esses são ideais e, de fato, estão sujeitos a vários fatores práticos. É impossível para nós obter energia infinita, nem realizar a transferência instantânea de energia. Como romper continuamente essas limitações e alcançar um nível mais alto é um problema difícil que precisamos resolver.

(A) A densidade de energia das baterias de íon-lítio

Pode-se dizer que a densidade de energia é o maior gargalo que restringe o desenvolvimento das baterias de íon-lítio atuais. Seja um telefone celular ou um veículo elétrico, as pessoas esperam que a densidade de energia da bateria atinja um nível totalmente novo, para que a vida útil da bateria ou a quilometragem do produto deixem de ser o principal fator que atormenta o produto.

De baterias de chumbo-ácido, baterias de níquel-cádmio, baterias de níquel-hidreto metálico e baterias de íon-lítio, a densidade de energia foi continuamente aprimorada. No entanto, a velocidade de melhoria é muito lenta em comparação com a velocidade de desenvolvimento em escala industrial e o grau de demanda humana por energia. Algumas pessoas até brincam que o progresso humano está preso na “bateria”. É claro que, se um dia a transmissão global de energia puder ser alcançada sem fio e a energia puder ser obtida "sem fio" em qualquer lugar (como um sinal de telefone celular), os seres humanos não precisarão mais de baterias e o desenvolvimento social naturalmente não ficará preso a baterias. .

Em resposta ao status quo de que a densidade de energia se tornou um gargalo, países ao redor do mundo formularam metas relevantes de políticas da indústria de baterias, na esperança de levar a indústria de baterias a alcançar avanços significativos na densidade de energia. As metas para 2020 estabelecidas por governos ou organizações do setor na China, Estados Unidos e Japão apontam basicamente para um valor de 300Wh/kg, o que equivale a quase dobrar a base atual. A meta de longo prazo em 2030 é atingir 500Wh/kg ou até 700Wh/kg. A indústria de baterias deve ter um grande avanço no sistema químico para atingir esse objetivo.

Existem muitos fatores que afetam a densidade de energia das baterias de íons de lítio. No que diz respeito ao sistema químico existente e à estrutura das baterias de íons de lítio, quais são as limitações óbvias?

Já analisamos anteriormente que o que atua como portador de energia elétrica é na verdade o elemento lítio na bateria, e outras substâncias são “resíduos”, mas para obter um portador de energia elétrica estável, sustentável e seguro, esses “resíduos” são indispensáveis. . Por exemplo, em uma bateria de íons de lítio, a proporção em massa de lítio é geralmente um pouco mais de 1%, e os 99% restantes dos componentes são outras substâncias que não realizam funções de armazenamento de energia. Edison disse que o sucesso é 99% de transpiração mais 1% de talento. Parece que este princípio se aplica em todos os lugares. 1% é cártamo e os 99% restantes são folhas verdes.

Então, para melhorar a densidade de energia, a primeira coisa que pensamos é aumentar a proporção de elementos de lítio e, ao mesmo tempo, deixar que tantos íons de lítio saiam do eletrodo positivo, passem para o eletrodo negativo e depois retornem do eletrodo. eletrodo negativo ao eletrodo positivo (não pode ser menor), o ciclo de transporte de energia.

1. Aumente a proporção de material ativo positivo

Aumentar a proporção de materiais ativos positivos é principalmente aumentar a proporção de elementos de lítio. No mesmo sistema químico da bateria, o conteúdo de elementos de lítio aumenta (outras condições permanecem inalteradas) e a densidade de energia também aumenta de acordo. Portanto, sob certas restrições de volume e peso, esperamos que haja mais materiais ativos positivos e muito mais.

2. Aumente a proporção de material ativo negativo

Isso é, na verdade, para corresponder ao aumento de materiais ativos positivos, e mais materiais ativos negativos são necessários para acomodar os íons de lítio que nadam e armazenam energia. Se o material ativo do eletrodo negativo não for suficiente, os íons de lítio extras serão depositados na superfície do eletrodo negativo em vez de serem incorporados no interior, resultando em uma reação química irreversível e diminuição da capacidade da bateria.

3. Melhore a capacidade específica (capacidade em gramas) do material catódico

A proporção de materiais ativos positivos tem um limite superior e não pode ser aumentada indefinidamente. Quando a quantidade total de materiais ativos positivos é constante, apenas tantos íons de lítio quanto possível podem ser desintercalados do eletrodo positivo para participar de reações químicas, a fim de melhorar a densidade de energia. Portanto, esperamos que a razão de massa dos íons de lítio que podem ser desintercalados em relação ao material ativo positivo seja maior, ou seja, o índice de capacidade específica seja maior.

É por isso que pesquisamos e selecionamos diferentes materiais catódicos, desde óxido de cobalto de lítio a fosfato de ferro e lítio, até materiais ternários, todos correndo para esse objetivo.

Conforme analisado anteriormente, o óxido de lítio-cobalto pode chegar a 137mAh/g, os valores reais de manganato de lítio e fosfato de ferro-lítio são todos em torno de 120mAh/g, e o ternário de níquel-cobalto manganês pode chegar a 180mAh/g. Se quisermos melhorar ainda mais, precisamos estudar novos materiais catódicos e progredir na industrialização.

4. Melhore a capacidade específica dos materiais anódicos

Relativamente falando, a capacidade específica do material do eletrodo negativo não é o principal gargalo da densidade de energia da bateria de íons de lítio, mas se a capacidade específica do eletrodo negativo for melhorada, ela significa que o material do eletrodo negativo com menos massa pode acomodar mais íons de lítio, atingindo assim o objetivo de aumentar a densidade de energia.

Usando materiais de carbono semelhantes a grafite como eletrodo negativo, a capacidade específica teórica é de 372mAh/g. Os materiais de carbono duro e materiais de nanocarbono estudados nesta base podem aumentar a capacidade específica para mais de 600mAh/g. Materiais anódicos à base de estanho e silício também podem aumentar a capacidade específica do anodo para um nível muito alto, que são direções quentes da pesquisa atual.

5. Perder peso

Além dos materiais ativos de eletrodos positivos e negativos, eletrólitos, separadores, ligantes, agentes condutores, coletores de corrente, substratos, materiais de casca, etc. peso total da bateria em torno de 40%. Se o peso desses materiais puder ser reduzido sem comprometer o desempenho da bateria, também poderá melhorar a densidade de energia das baterias de íons de lítio.

Para fazer alarido a este respeito, é necessário realizar pesquisas e análises detalhadas sobre eletrólitos, separadores, ligantes, substratos e coletores de corrente, materiais de revestimento, processos de fabricação, etc., para encontrar uma solução razoável. Se todos os aspectos forem melhorados, a densidade geral de energia da bateria pode ser aumentada em certa medida.

A partir da análise acima, pode-se ver que melhorar a densidade de energia das baterias de íons de lítio é um projeto sistemático. Devemos começar melhorando o processo de fabricação, melhorando o desempenho dos materiais existentes e desenvolvendo novos materiais e novos sistemas químicos. e soluções de longo prazo.