Mật độ năng lượng của pin lithium-ion

Có thể nói rằng mật độ năng lượng là nút cổ chai lớn nhất hạn chế sự phát triển của pin lithium-ion. Cho dù đó là điện thoại di động hay xe điện, mọi người mong đợi mật độ năng lượng của pin sẽ đạt đến một thứ tự mới để thời lượng pin hoặc số dặm của sản phẩm không còn là yếu tố chính ảnh hưởng đến sản phẩm.

Từ pin axit chì, đến pin niken-cadmium, pin hydride kim loại niken, đến pin lithium-ion, mật độ năng lượng đã được cải thiện mọi lúc. Nhưng tốc độ cải thiện quá chậm so với tốc độ phát triển trên quy mô công nghiệp và so với quy mô của nhu cầu năng lượng của con người. Một số người thậm chí nói đùa rằng sự tiến bộ của con người bị mắc kẹt trong "pin". Tất nhiên, nếu có thể đạt được một ngày, việc truyền năng lượng không dây toàn cầu có thể đạt được, với việc tiếp cận điện "không dây" ở khắp mọi nơi (như tín hiệu điện thoại di động), thì con người sẽ không còn cần pin, và tất nhiên sẽ phát triển xã hội sẽ không bị kẹt trong cục pin.

Để đối phó với tình huống mật độ năng lượng đã trở thành một nút cổ chai, các quốc gia trên thế giới đã xây dựng các mục tiêu chính sách có liên quan cho ngành công nghiệp pin, hy vọng sẽ khiến ngành công nghiệp pin đạt được những đột phá đáng kể về mật độ năng lượng. Các mục tiêu năm 2020 được đặt ra bởi các chính phủ hoặc các tổ chức ngành công nghiệp ở Trung Quốc, Hoa Kỳ, Nhật Bản và các quốc gia khác về cơ bản chỉ ra giá trị 300Wh/kg, gần như tăng gấp đôi trên cơ sở hiện tại. Mục tiêu dài hạn cho năm 2030 là 500Wh/kg hoặc thậm chí 700Wh/kg, và ngành công nghiệp pin sẽ cần một bước đột phá lớn trong hóa học để đạt được điều này.

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến mật độ năng lượng của pin lithium, về hệ thống hóa học hiện có và cấu trúc của pin lithium-ion, những hạn chế rõ ràng là gì?

Chúng tôi đã phân tích trước đây, như một chất mang năng lượng điện, trên thực tế, là nguyên tố lithium trong pin, các chất khác là "chất thải", nhưng để có được một chất mang điện an toàn, ổn định, bền vững, "chất thải" này là không thể thiếu . Ví dụ, trong pin lithium-ion, khối lượng của lithium thường hơn 1% và 99% các thành phần còn lại là các chất khác không có chức năng lưu trữ năng lượng. Edison có một câu nói nổi tiếng, thành công là 99% mồ hôi cộng với 1% tài năng, có vẻ như sự thật này là ah phổ quát, 1% là hoa đỏ, 99% còn lại là lá xanh, không.

Vì vậy, để tăng mật độ năng lượng, suy nghĩ đầu tiên của chúng tôi là tăng tỷ lệ các nguyên tố lithium, đồng thời cho phép càng nhiều ion lithium càng tốt để hết điện cực dương, chuyển sang điện cực âm và sau đó phải trở về từ điện cực âm (không thể giảm), chu kỳ của năng lượng xử lý.

1. Tăng số lượng hoạt chất dương

Tăng tỷ lệ vật liệu hoạt động tích cực chủ yếu là làm tăng tỷ lệ lithium, trong cùng một hệ thống hóa học pin, hàm lượng lithium tăng lên (các điều kiện khác vẫn không thay đổi) và mật độ năng lượng cũng sẽ được cải thiện tương ứng. Vì vậy, trong giới hạn khối lượng và trọng lượng nhất định, chúng tôi muốn vật liệu hoạt động tích cực hơn và vật liệu tích cực hơn.

2. Tăng lượng vật liệu hoạt động âm tính

Điều này là do, để theo kịp sự gia tăng vật liệu hoạt động tích cực, cần có nhiều vật liệu hoạt động tiêu cực hơn để phù hợp với các ion lithium bơi qua và lưu trữ năng lượng. Nếu không có đủ vật liệu hoạt động âm, các ion lithium thêm sẽ được lắng đọng trên bề mặt âm thay vì được nhúng bên trong, gây ra các phản ứng hóa học không thể đảo ngược và mất dung lượng pin.

3. Cải thiện công suất cụ thể của vật liệu điện cực dương (công suất gram)

Lượng vật liệu hoạt động tích cực bị hạn chế và không thể tăng vô thời hạn. Đối với một lượng vật liệu hoạt động dương nhất định, chỉ càng nhiều ion lithium càng tốt được loại bỏ khỏi điện cực dương để tham gia vào các phản ứng hóa học để tăng mật độ năng lượng. Do đó, chúng tôi hy vọng rằng tỷ lệ khối lượng của các ion lithium có thể tháo rời so với vật liệu hoạt động dương là cao, tức là chỉ số công suất cụ thể là cao.

Đây là lý do tại sao chúng ta đang nghiên cứu và lựa chọn các vật liệu catốt khác nhau, từ lithium coban đến phốt phát sắt lithium và sau đó đến các vật liệu ternary, hướng tới mục tiêu này.

Được phân tích trước đây, lithium coban có thể đạt 137mAh/g, lithium manganate và lithium sắt phosphate giá trị thực tế là khoảng 120mAh/g, ternary mangan coban cobalt có thể đạt 180mAh/g. Nếu bạn muốn đi lên, bạn cần nghiên cứu các vật liệu catốt mới và tiến bộ trong công nghiệp hóa.

4. Cải thiện công suất cụ thể của vật liệu cực dương

Nói một cách tương đối, công suất cụ thể của vật liệu điện cực âm không phải là nút cổ chai chính của mật độ năng lượng của pin lithium sắt phosphate , nhưng nếu công suất cụ thể của điện cực âm được tăng thêm Khối lượng của vật liệu điện cực âm, do đó đạt được mục tiêu tăng mật độ năng lượng.

Với vật liệu carbon than chì là điện cực âm, công suất cụ thể về mặt lý thuyết là 372 mAh/g, và vật liệu carbon cứng và vật liệu nanocarbon được nghiên cứu trên cơ sở này có thể làm tăng khả năng cụ thể lên hơn 600 mAh/g. Vật liệu cực dương dựa trên thiếc và silicon cũng có thể tăng khả năng cụ thể của cực dương lên một thứ tự rất cao, đó là trọng tâm nghiên cứu hiện tại.

5. Giảm cân

Ngoài các vật liệu hoạt động của các điện cực dương và âm, chất điện phân, màng cách điện, chất kết dính, tác nhân dẫn điện, bộ thu chất lỏng, ma trận, vật liệu vỏ, v.v. là "trọng lượng chết" của pin lithium-ion, chiếm khoảng 40 % trọng lượng của toàn bộ pin. Nếu trọng lượng của các vật liệu này có thể giảm mà không ảnh hưởng đến hiệu suất của pin, mật độ năng lượng của pin Li-ion có thể được cải thiện.

Về vấn đề này, cần thực hiện nghiên cứu và phân tích chi tiết về chất điện phân, màng cách điện, chất kết dính, ma trận và bộ thu chất lỏng, vật liệu vỏ, quy trình sản xuất, v.v., để tìm một chương trình hợp lý. Nếu tất cả các khía cạnh được cải thiện, mật độ năng lượng của toàn bộ pin có thể được cải thiện ở một độ.

Từ phân tích trên, có thể thấy rằng việc cải thiện mật độ năng lượng của pin lithium-ion là một kỹ thuật có hệ thống để cải thiện quy trình sản xuất, cải thiện hiệu suất của các vật liệu hiện có và phát triển các vật liệu mới và các hệ thống hóa học mới từ các khía cạnh này, tìm kiếm Các giải pháp ngắn, trung bình và dài hạn.