تجزیه و تحلیل چگالی انرژی باتری های لیتیومی، چگونه می توان چگالی انرژی باتری های لیتیومی را بهبود بخشید؟

خلاصه

چگالی انرژی (Energy density) به مقدار انرژی ذخیره شده در یک واحد از یک فضا یا جرم خاص از ماده اشاره دارد. چگالی انرژی یک باتری، انرژی الکتریکی آزاد شده توسط میانگین واحد حجم یا جرم باتری است. چگالی انرژی باتری به طور کلی به دو بعد تقسیم می شود: چگالی انرژی وزنی و چگالی انرژی حجمی.

چگالی انرژی چیست؟

وزن باتری چگالی انرژی=ظرفیت باتری × سکوی تخلیه / وزن، واحد اصلی Wh/kg (وات ساعت/کیلوگرم) است.

تراکم انرژی حجم باتری=ظرفیت باتری × پلت فرم تخلیه / حجم، واحد اصلی Wh / L (وات ساعت / لیتر) است.

هر چه چگالی انرژی باتری بیشتر باشد، برق بیشتری در واحد حجم یا وزن ذخیره می شود.

چگالی انرژی مونومر چقدر است؟

چگالی انرژی یک باتری اغلب به دو مفهوم متفاوت اشاره دارد، یکی چگالی انرژی یک سلول واحد و دیگری چگالی انرژی سیستم باتری است.

سلول باتری کوچکترین واحد یک سیستم باتری است. باتری های M یک ماژول را تشکیل می دهند و ماژول های N یک بسته باتری را تشکیل می دهند. این ساختار اصلی باتری برق خودرو است.

چگالی انرژی یک سلول، همانطور که از نامش پیداست، چگالی انرژی یک سطح سلولی است.

با توجه به"ساخت چین 2025"؛، برنامه توسعه برای باتری های قدرت تعریف شده است: در سال 2020، چگالی انرژی باتری به 300Wh/kg خواهد رسید. در سال 2025، چگالی انرژی باتری به 400Wh/kg خواهد رسید. در سال 2030، چگالی انرژی باتری به 500Wh/kg خواهد رسید. این به چگالی انرژی یک سطح سلولی اشاره دارد.

چگالی انرژی سیستم چقدر است؟

چگالی انرژی سیستم به وزن یا حجم کل سیستم باتری در مقایسه با وزن یا حجم کل سیستم باتری پس از تکمیل ترکیب مونومر اشاره دارد. از آنجا که سیستم باتری شامل سیستم مدیریت باتری، سیستم مدیریت حرارتی، مدارهای فشار قوی و پایین و غیره است که بخشی از وزن و فضای داخلی سیستم باتری را اشغال می کند، چگالی انرژی سیستم باتری کمتر از چگالی انرژی مونومر است. .

چگالی انرژی سیستم=قدرت سیستم باتری / وزن سیستم باتری یا حجم سیستم باتری

چه چیزی چگالی انرژی باتری های لیتیومی را محدود می کند؟

سیستم شیمیایی پشت باتری دلیل اصلی است.

به طور کلی، چهار بخش یک باتری لیتیومی بسیار حیاتی هستند: الکترود مثبت، الکترود منفی، الکترولیت و دیافراگم. قطب مثبت و منفی محل وقوع واکنش های شیمیایی هستند که معادل دو رگه رن دو و دو هستند و جایگاه مهم آنها به چشم می خورد. همه ما می دانیم که چگالی انرژی سیستم بسته باتری با لیتیوم سه تایی به عنوان الکترود مثبت بیشتر از سیستم بسته باتری با فسفات آهن لیتیوم به عنوان الکترود مثبت است. چرا این هست؟

بیشتر مواد آند فعلی برای باتری‌های لیتیوم یون گرافیت است و ظرفیت گرم نظری گرافیت 372 میلی‌آمپرساعت بر گرم است. ظرفیت گرم نظری ماده الکترود مثبت لیتیوم آهن فسفات تنها 160 میلی آمپر ساعت بر گرم است، در حالی که ماده سه تایی نیکل کبالت منگنز (NCM) حدود 200 میلی آمپر ساعت بر گرم است.

طبق تئوری بشکه، سطح آب توسط کوتاه ترین قسمت بشکه تعیین می شود و حد پایین تر چگالی انرژی باتری های لیتیوم یونی به ماده کاتد بستگی دارد.

پلت فرم ولتاژ لیتیوم فسفات آهن 3.2 ولت و شاخص سه تایی 3.7 ولت است. با مقایسه دو فاز، چگالی انرژی زیاد است و اختلاف آن 16 درصد است.

البته علاوه بر سیستم شیمیایی، سطح فرآیند تولید مانند تراکم تراکم، ضخامت فویل و غیره نیز بر چگالی انرژی تأثیر خواهد گذاشت. به طور کلی، هر چه تراکم تراکم بیشتر باشد، ظرفیت باتری در یک فضای محدود بیشتر است، بنابراین تراکم تراکم ماده اصلی نیز به عنوان یکی از شاخص های مرجع چگالی انرژی باتری در نظر گرفته می شود.

در قسمت چهارم"Great Power Heavy Equipment II"، CATL از فویل مسی 6 میکرونی استفاده کرد و از فناوری پیشرفته برای افزایش چگالی انرژی استفاده کرد.

اگر می توانید به هر خط پایبند باشید، آن را بخوانید و تا اینجا به خواندن ادامه دهید. تبریک می گویم، درک شما از باتری ها به سطحی رسیده است.

چگونه چگالی انرژی را افزایش دهیم؟

پذیرش سیستم‌های مواد جدید، تنظیم دقیق ساختار باتری لیتیومی، و بهبود قابلیت‌های ساخت، سه مرحله برای مهندسان R&D تا"رقص خوب آستین بلند&است. quot;. در زیر از دو بعد مونومر و سیستم توضیح خواهیم داد.

چگالی انرژی مونومر عمدتاً به پیشرفت سیستم شیمیایی بستگی دارد

1. حجم باتری را افزایش دهید

سازندگان باتری می توانند با افزایش اندازه باتری اصلی به اثر افزایش ظرفیت دست یابند. آشناترین مثال این است که تسلا، یک شرکت خودروسازی برقی معروف که برای اولین بار از باتری پاناسونیک's 18650 استفاده کرد، آن را با یک باتری جدید 21700 جایگزین خواهد کرد.

با این حال، "چاقی" یا "رشد" باتری ها فقط یک درمان موقت است، نه یک درمان دائمی. روش استخراج حقوق از ته کتری این است که فناوری کلیدی برای افزایش چگالی انرژی از مواد مثبت و منفی که سلول های باتری و ترکیب الکترولیت را تشکیل می دهند، پیدا کنید.

2. تغییرات در سیستم شیمیایی

همانطور که قبلا ذکر شد، چگالی انرژی باتری توسط الکترودهای مثبت و منفی باتری محدود می شود. از آنجایی که چگالی انرژی ماده الکترود منفی فعلی بسیار بیشتر از الکترود مثبت است، افزایش چگالی انرژی مستلزم ارتقاء مداوم مواد الکترود مثبت است.

کاتد نیکل بالا

مواد سه تایی به طور کلی به خانواده بزرگ اکسیدهای لیتیوم اکسید منگنز نیکل کبالت اشاره دارند. ما می توانیم با تغییر نسبت سه عنصر نیکل، کبالت و منگنز، عملکرد باتری را تغییر دهیم.

آند کربن سیلیکون در تصویر

ظرفیت ویژه مواد الکترود منفی مبتنی بر سیلیکون می تواند به 4200 میلی آمپر ساعت در گرم برسد، که بسیار بالاتر از ظرفیت ویژه نظری الکترود منفی گرافیت 372 میلی آمپر بر گرم است، بنابراین به یک جایگزین قدرتمند برای الکترود منفی گرافیت تبدیل شده است.

در حال حاضر، استفاده از مواد کامپوزیت سیلیکون-کربن برای افزایش چگالی انرژی باتری به یکی از جهت‌های توسعه شناخته شده صنعت' برای مواد آند باتری لیتیوم یون تبدیل شده است. مدل 3 منتشر شده توسط تسلا از آند کربن سیلیکونی استفاده می کند.

در آینده، اگر می‌خواهید گامی فراتر بردارید و سد تک سلولی 350 وات ساعت بر کیلوگرم را بشکنید، ممکن است همتایان صنعت نیاز به تمرکز بر روی سیستم باتری منفی لیتیوم فلزی داشته باشند، اما این بدان معناست که کل فرآیند تولید باتری تغییر کرده و تلاش می‌کند. از چندین ماده سه تایی معمولی می توان دریافت که نسبت نیکل بیشتر و بیشتر است و نسبت کبالت کمتر و کمتر است. هر چه میزان نیکل بیشتر باشد، ظرفیت ویژه سلول نیز بیشتر است. علاوه بر این، به دلیل کمبود منابع کبالت، افزایش نسبت نیکل باعث کاهش میزان مصرف کبالت می شود.

3. چگالی انرژی سیستم: بهبود کارایی بسته های باتری

آزمایش بسته های باتری در گروه توانایی باتری"شیر محاصره" برای چیدمان سلول ها و ماژول های منفرد. لازم است که ایمنی را به عنوان پیش فرض در نظر بگیرید و از هر اینچ فضا نهایت استفاده را ببرید.

عمدتاً راه‌های زیر برای"لاغر کردن" وجود دارد. بسته باتری

بهینه سازی ساختار طرح

از جنبه ابعاد، طرح داخلی سیستم را می توان بهینه کرد تا اجزای داخلی بسته باتری فشرده تر و کارآمدتر شود.

بهینه سازی توپولوژی

ما طراحی کاهش وزن را با فرض اطمینان از صلبیت و قابلیت اطمینان سازه از طریق محاسبه شبیه سازی درک می کنیم. از طریق این فناوری می توان به بهینه سازی توپولوژی و بهینه سازی توپوگرافی دست یافت و در نهایت به دستیابی به کابینت های باتری سبک وزن کمک کرد.

انتخاب مواد

ما می توانیم مواد با چگالی کم را انتخاب کنیم. به عنوان مثال، پوشش بسته باتری به تدریج از یک روکش فلزی سنتی به یک پوشش کامپوزیت تغییر یافته است که می تواند وزن را تا حدود 35 درصد کاهش دهد. در مورد جعبه پایینی بسته باتری، به تدریج از محلول ورق فلزی سنتی به محلول پروفیل آلومینیومی تغییر کرده است و وزن آن را تا حدود 40 درصد کاهش می دهد و اثر سبک وزن آن مشهود است.

طراحی یکپارچه خودرو

طراحی یکپارچه کل وسیله نقلیه و طراحی ساختاری کل وسیله نقلیه به طور جامع در نظر گرفته شده است و قطعات ساختاری تا حد امکان به اشتراک گذاشته شده و به اشتراک گذاشته می شود، مانند طراحی ضد برخورد، برای رسیدن به سبک وزن نهایی.

باتری محصول بسیار جامعی است. اگر می خواهید یکی از جنبه های عملکرد را بهبود بخشید، ممکن است جنبه های دیگر عملکرد را قربانی کنید. این مبنایی برای درک طراحی و توسعه باتری است. باتری های برق به وسایل نقلیه اختصاص داده شده اند، بنابراین چگالی انرژی تنها معیار کیفیت باتری نیست.

دانش

تجزیه و تحلیل چگالی انرژی باتری های لیتیومی، چگونه می توان چگالی انرژی باتری های لیتیومی را بهبود بخشید؟