Analyse de la densité énergétique des batteries lithium, comment améliorer la densité énergétique des batteries lithium ?
Résumé
La densité d'énergie (densité d'énergie) fait référence à la quantité d'énergie stockée dans une unité d'un certain espace ou d'une masse de matière. La densité d'énergie d'une batterie est l'énergie électrique libérée par l'unité de volume ou de masse moyenne de la batterie. La densité énergétique d'une batterie est généralement divisée en deux dimensions : la densité énergétique pondérale et la densité énergétique volumique.
Qu'est-ce que la densité d'énergie ?
La densité d'énergie (densité d'énergie) fait référence à la quantité d'énergie stockée dans une unité d'un certain espace ou d'une masse de matière. La densité d'énergie d'une batterie est l'énergie électrique libérée par l'unité de volume ou de masse moyenne de la batterie. La densité énergétique d'une batterie est généralement divisée en deux dimensions : la densité énergétique pondérale et la densité énergétique volumique.
Densité d'énergie du poids de la batterie=capacité de la batterie × plate-forme de décharge/poids, l'unité de base est Wh/kg (wattheure/kg)
Densité d'énergie du volume de la batterie = capacité de la batterie × plate-forme de décharge/volume, l'unité de base est Wh/L (wattheure/litre)
Plus la densité énergétique de la batterie est élevée, plus il y a d'électricité stockée par unité de volume ou de poids.
Quelle est la densité énergétique du monomère ?
La densité d'énergie d'une batterie renvoie souvent à deux concepts différents, l'un est la densité d'énergie d'une seule cellule et l'autre est la densité d'énergie du système de batterie.
La cellule de batterie est la plus petite unité d'un système de batterie. M batteries forment un module et N modules forment un pack de batteries. C'est la structure de base d'une batterie d'alimentation de véhicule.
La densité d'énergie d'une seule cellule, comme son nom l'indique, est la densité d'énergie d'un seul niveau de cellule.
Selon"Made in China 2025", le plan de développement des batteries de puissance est défini : en 2020, la densité énergétique des batteries atteindra 300Wh/kg ; en 2025, la densité énergétique de la batterie atteindra 400Wh/kg ; en 2030, la densité énergétique de la batterie atteindra 500Wh/kg. Il s'agit de la densité d'énergie d'un seul niveau de cellule.
Quelle est la densité d'énergie du système ?
La densité énergétique du système fait référence au poids ou au volume de l'ensemble du système de batterie par rapport au poids ou au volume de l'ensemble du système de batterie une fois la combinaison de monomères terminée. Étant donné que le système de batterie contient un système de gestion de batterie, un système de gestion thermique, des circuits haute et basse tension, etc. occupant une partie du poids et de l'espace interne du système de batterie, la densité d'énergie du système de batterie est inférieure à la densité d'énergie du monomère .
Densité d'énergie du système=puissance du système de batterie / poids du système de batterie OU volume du système de batterie
Qu'est-ce qui limite la densité énergétique des batteries au lithium ?
Le système chimique derrière la batterie est la principale raison.
De manière générale, les quatre parties d'une batterie au lithium sont très critiques : électrode positive, électrode négative, électrolyte et diaphragme. Les pôles positif et négatif sont les endroits où se produisent les réactions chimiques, qui sont équivalentes aux deux veines de Ren Du et Du, et leur statut important peut être vu. Nous savons tous que la densité d'énergie du système de bloc-batterie avec du lithium ternaire comme électrode positive est plus élevée que celle du système de bloc-batterie avec du phosphate de fer et de lithium comme électrode positive. Pourquoi est-ce?
La plupart des matériaux d'anode actuels pour les batteries lithium-ion sont en graphite, et la capacité théorique en grammes du graphite est de 372 mAh/g. La capacité théorique en grammes du matériau d'électrode positive au lithium fer phosphate n'est que de 160 mAh/g, tandis que le matériau ternaire nickel cobalt manganèse (NCM) est d'environ 200 mAh/g.
Selon la théorie du baril, le niveau d'eau est déterminé par la partie la plus courte du baril et la limite inférieure de la densité énergétique des batteries lithium-ion dépend du matériau de la cathode.
La plate-forme de tension du phosphate de fer au lithium est de 3,2 V et l'indice ternaire est de 3,7 V. En comparant les deux phases, la densité d'énergie est élevée et la différence est de 16%.
Bien entendu, en plus du système chimique, le niveau du processus de production, tel que la densité de compactage, l'épaisseur de la feuille, etc., affectera également la densité énergétique. De manière générale, plus la densité de compactage est élevée, plus la capacité de la batterie est élevée dans un espace limité, de sorte que la densité de compactage du matériau principal est également considérée comme l'un des indicateurs de référence de la densité énergétique de la batterie.
Dans le quatrième épisode de&"Great Power Heavy Equipment II&", CATL a adopté une feuille de cuivre de 6 microns et a utilisé une technologie de pointe pour augmenter la densité énergétique.
Si vous pouvez vous en tenir à chaque ligne, lisez-la et continuez à lire jusqu'ici. Félicitations, votre compréhension des batteries a atteint un certain niveau.
Comment augmenter la densité énergétique ?
L'adoption de nouveaux systèmes de matériaux, le réglage fin de la structure de la batterie au lithium et l'amélioration des capacités de fabrication sont les trois étapes pour les ingénieurs R& D à"bonne danse à manches longues". Ci-dessous, nous expliquerons à partir des deux dimensions du monomère et du système.
——La densité d'énergie du monomère, dépend principalement de la percée du système chimique
1. Augmenter la taille de la batterie
Les fabricants de batteries peuvent obtenir l'effet d'extension de capacité en augmentant la taille de la batterie d'origine. L'exemple le plus connu est que Tesla, un constructeur de voitures électriques bien connu qui a été le premier à utiliser la batterie 18650 de Panasonic', la remplacera par une nouvelle batterie 21700.
Cependant, la "graisse" ou la "croissance" des batteries n'est qu'un remède temporaire, pas un remède permanent. La méthode pour tirer les salaires du fond de la bouilloire consiste à trouver la technologie clé pour augmenter la densité énergétique des matériaux positifs et négatifs qui constituent les cellules de la batterie et la composition de l'électrolyte.
2. Modifications du système chimique
Comme mentionné précédemment, la densité d'énergie de la batterie est limitée par les électrodes positives et négatives de la batterie. Etant donné que la densité d'énergie du matériau d'électrode négative actuel est bien supérieure à celle de l'électrode positive, l'augmentation de la densité d'énergie nécessite une mise à niveau continue du matériau d'électrode positive.
Cathode à haute teneur en nickel
Les matériaux ternaires désignent généralement la grande famille des oxydes de nickel cobalt manganèse oxyde de lithium. Nous pouvons modifier les performances de la batterie en modifiant le rapport des trois éléments nickel, cobalt et manganèse.
Anode de carbone de silicium dans l'image
La capacité spécifique du matériau d'électrode négative à base de silicium peut atteindre 4 200 mAh/g, ce qui est beaucoup plus élevé que la capacité spécifique théorique de l'électrode négative en graphite de 372 mAh/g, elle est donc devenue un puissant substitut à l'électrode négative en graphite.
À l'heure actuelle, l'utilisation de matériaux composites silicium-carbone pour augmenter la densité énergétique de la batterie est devenue l'une des directions de développement reconnues de l'industrie&pour les matériaux d'anode de batterie lithium-ion. Le modèle 3 publié par Tesla utilise une anode en carbone de silicium.
À l'avenir, si vous souhaitez franchir un pas de plus pour franchir la barrière des 350Wh/kg à cellule unique, les homologues de l'industrie devront peut-être se concentrer sur le système de batterie négative au lithium métal, mais cela signifie également que l'ensemble du processus de fabrication de la batterie change et fait preuve de diligence. On peut voir à partir de plusieurs matériaux ternaires typiques que la proportion de nickel est de plus en plus élevée et que la proportion de cobalt est de plus en plus faible. Plus la teneur en nickel est élevée, plus la capacité spécifique de la cellule est élevée. De plus, en raison de la rareté des ressources en cobalt, l'augmentation de la proportion de nickel réduira la quantité de cobalt utilisée.
3. Densité énergétique du système : améliorez l'efficacité des batteries
Le test des packs de batteries en groupes est la capacité de la batterie"les lions de siège" pour disposer des cellules individuelles et des modules. Il est nécessaire de prendre la sécurité comme prémisse et de tirer le meilleur parti de chaque centimètre d'espace.
Il existe principalement les moyens suivants pour"mincir" la batterie.
Optimiser la structure de mise en page
Du point de vue des dimensions, la disposition interne du système peut être optimisée pour rendre les composants internes de la batterie plus compacts et efficaces.
Optimisation de la topologie
Nous réalisons une conception de réduction de poids dans le but d'assurer la rigidité et la fiabilité structurelle grâce à des calculs de simulation. Grâce à cette technologie, l'optimisation de la topologie et l'optimisation de la topographie peuvent être obtenues et aident finalement à obtenir des armoires de batterie légères.
Sélection des matériaux
Nous pouvons choisir des matériaux à faible densité. Par exemple, le couvercle du bloc-batterie est progressivement passé d'un couvercle en tôle traditionnelle à un couvercle en matériau composite, ce qui peut réduire le poids d'environ 35 %. En ce qui concerne le boîtier inférieur du pack batterie, il est progressivement passé de la solution traditionnelle en tôle à la solution en profilé d'aluminium, réduisant le poids d'environ 40 %, et l'effet de légèreté est évident.
Conception de véhicule intégrée
La conception intégrée de l'ensemble du véhicule et la conception structurelle de l'ensemble du véhicule sont considérées de manière globale, et les pièces structurelles sont partagées et partagées autant que possible, telles que la conception anti-collision, pour obtenir le poids léger ultime
La batterie est un produit très complet. Si vous souhaitez améliorer un aspect des performances, vous pouvez sacrifier d'autres aspects des performances. C'est la base pour comprendre la conception et le développement des batteries. Les batteries d'alimentation sont dédiées aux véhicules, la densité énergétique n'est donc pas la seule mesure de la qualité des batteries.
