Deux indicateurs de performance des batteries lithium-ion : densité d'énergie et taux de charge-décharge Analysez

brièvement les deux indicateurs de performance des batteries lithium-ion : densité d'énergie et taux de charge-décharge

La densité d'énergie fait référence à la quantité d'énergie qui peut être stockée par unité de volume ou poids. Bien sûr, plus l'indice est élevé, mieux c'est. Tout ce qui est concentré est l'essence. Le taux de charge et de décharge est la vitesse de stockage et de libération d'énergie, de préférence en secondes. Il est rempli ou libéré en un instant, et il peut aller et venir dès qu'il est appelé.

Bien sûr, ce sont tous des idéaux et, en fait, ils sont soumis à divers facteurs pratiques. Il nous est impossible d'obtenir de l'énergie infinie, ni de réaliser le transfert instantané d'énergie. Comment briser continuellement ces limitations et atteindre un niveau supérieur est un problème difficile que nous devons résoudre.

(A) La densité d'énergie des batteries lithium-ion

On peut dire que la densité d'énergie est le plus grand goulot d'étranglement limitant le développement des batteries lithium-ion actuelles. Qu'il s'agisse d'un téléphone portable ou d'un véhicule électrique, les gens s'attendent à ce que la densité d'énergie de la batterie atteigne un tout autre niveau, de sorte que la durée de vie de la batterie ou le kilométrage du produit ne sera plus le principal facteur qui afflige le produit.

Des batteries plomb-acide, batteries nickel-cadmium, batteries nickel-hydrure métallique, aux batteries lithium-ion, la densité d'énergie a été continuellement améliorée. Cependant, la vitesse d'amélioration est trop lente par rapport à la vitesse du développement à l'échelle industrielle et au degré de demande humaine en énergie. Certaines personnes plaisantent même en disant que le progrès humain est bloqué dans la "batterie". Bien sûr, si un jour la transmission mondiale d'énergie peut être réalisée sans fil, et que l'énergie peut être obtenue "sans fil" n'importe où (comme un signal de téléphone portable), alors les êtres humains n'auront plus besoin de piles, et le développement social ne sera naturellement pas bloqué sur les piles. .

En réponse au statu quo selon lequel la densité énergétique est devenue un goulot d'étranglement, les pays du monde entier ont formulé des objectifs politiques pertinents pour l'industrie des batteries, dans l'espoir de mener l'industrie des batteries à réaliser des percées significatives en matière de densité énergétique. Les objectifs pour 2020 fixés par les gouvernements ou les organisations industrielles en Chine, aux États-Unis et au Japon indiquent essentiellement une valeur de 300 Wh/kg, ce qui équivaut à presque doubler la base actuelle. L'objectif à long terme en 2030 est d'atteindre 500Wh/kg voire 700Wh/kg. L'industrie des batteries doit avoir une percée majeure dans le système chimique pour atteindre cet objectif.

De nombreux facteurs affectent la densité d'énergie des batteries lithium-ion. En ce qui concerne le système chimique et la structure existants des batteries lithium-ion, quelles sont les limites évidentes ?

Nous avons analysé précédemment que ce qui agit comme vecteur d'énergie électrique est en fait l'élément lithium dans la batterie, et que d'autres substances sont des "déchets", mais pour obtenir un vecteur d'énergie électrique stable, durable et sûr, ces "déchets" sont indispensables. . Par exemple, dans une batterie lithium-ion, la proportion massique de lithium est généralement d'un peu plus de 1 %, et les 99 % restants des composants sont d'autres substances qui n'assurent pas de fonctions de stockage d'énergie. Edison a dit que le succès est composé de 99% de transpiration plus 1% de talent. Il semble que ce principe s'applique partout. 1% est du carthame et les 99% restants sont des feuilles vertes.

Donc, pour améliorer la densité d'énergie, la première chose à laquelle nous pensons est d'augmenter la proportion d'éléments lithium, et en même temps de laisser autant d'ions lithium s'écouler de l'électrode positive, se déplacer vers l'électrode négative, puis revenir de l'électrode électrode négative à l'électrode positive (ça ne peut pas être moins), le cycle de transport de l'énergie.

1. Augmenter la proportion de matière active positive

Augmenter la proportion de matières actives positives revient principalement à augmenter la proportion d'éléments lithium. Dans le même système chimique de batterie, la teneur en éléments au lithium augmente (les autres conditions restent inchangées) et la densité d'énergie augmentera également en conséquence. Alors sous certaines contraintes de volume et de poids, on espère qu'il y aura plus de matières actives positives, et plus encore.

2. Augmenter la proportion de matière active négative

Cela correspond en fait à l'augmentation des matériaux actifs positifs, et davantage de matériaux actifs négatifs sont nécessaires pour accueillir les ions lithium qui nagent et stockent l'énergie. Si le matériau actif de l'électrode négative ne suffit pas, les ions lithium supplémentaires se déposeront à la surface de l'électrode négative au lieu d'être intégrés à l'intérieur, ce qui entraînera une réaction chimique irréversible et une diminution de la capacité de la batterie.

3. Améliorer la capacité spécifique (capacité en grammes) du matériau cathodique

La proportion de matières actives positives a une limite supérieure et ne peut être augmentée indéfiniment. Lorsque la quantité totale de matières actives positives est constante, seuls autant d'ions lithium que possible peuvent être désintercalés de l'électrode positive pour participer à des réactions chimiques, afin d'améliorer la densité d'énergie. On espère donc que le rapport massique des ions lithium désintercalables par rapport à la matière active positive est plus élevé, c'est-à-dire que l'indice de capacité spécifique est plus élevé.

C'est pourquoi nous recherchons et sélectionnons différents matériaux de cathode, de l'oxyde de lithium-cobalt au phosphate de lithium-fer, en passant par les matériaux ternaires, qui se précipitent tous vers cet objectif.

Comme analysé précédemment, l'oxyde de cobalt et de lithium peut atteindre 137 mAh/g, les valeurs réelles du manganate de lithium et du phosphate de fer et de lithium sont toutes d'environ 120 mAh/g, et le manganèse nickel cobalt ternaire peut atteindre 180 mAh/g. Si nous voulons encore nous améliorer, nous devons étudier de nouveaux matériaux cathodiques et progresser dans l'industrialisation.

4. Améliorer la capacité spécifique des matériaux d'anode

Relativement parlant, la capacité spécifique du matériau d'électrode négative n'est pas le principal goulot d'étranglement de la densité d'énergie de la batterie lithium-ion, mais si la capacité spécifique de l'électrode négative est encore améliorée, elle signifie que le matériau d'électrode négative avec moins de masse peut accueillir plus d'ions lithium, atteignant ainsi l'objectif d'augmentation de la densité d'énergie.

En utilisant des matériaux en carbone de type graphite comme électrode négative, la capacité spécifique théorique est de 372 mAh/g. Les matériaux carbonés durs et nano-carbonés étudiés sur cette base permettent d'augmenter la capacité spécifique à plus de 600mAh/g. Les matériaux d'anode à base d'étain et de silicium peuvent également augmenter la capacité spécifique de l'anode à un niveau très élevé, qui sont des directions brûlantes de la recherche actuelle.

5. Perdre du poids

Outre les matières actives des électrodes positives et négatives, les électrolytes, les séparateurs, les liants, les agents conducteurs, les collecteurs de courant, les substrats, les matériaux de coque, etc., constituent le "poids mort" des batteries lithium-ion, représentant la proportion de la poids total de la batterie d'environ 40 %. Si le poids de ces matériaux peut être réduit sans compromettre les performances de la batterie, cela pourrait également améliorer la densité énergétique des batteries lithium-ion.

Pour faire toute une histoire à cet égard, il est nécessaire de mener des recherches et des analyses détaillées sur les électrolytes, les séparateurs, les liants, les substrats et les collecteurs de courant, les matériaux de coque, les procédés de fabrication, etc., afin de trouver une solution raisonnable. Si tous les aspects sont améliorés, la densité énergétique globale de la batterie peut être augmentée dans une certaine mesure.

De l'analyse ci-dessus, on peut voir que l'amélioration de la densité d'énergie des batteries lithium-ion est un projet systématique. Nous devrions commencer par améliorer le processus de fabrication, améliorer les performances des matériaux existants et développer de nouveaux matériaux et de nouveaux systèmes chimiques. et des solutions à long terme.