Mật độ năng lượng đề cập đến lượng năng lượng được lưu trữ trong một đơn vị không gian hoặc khối lượng vật chất nhất định. Mật độ năng lượng của pin là năng lượng điện được giải phóng bởi đơn vị thể tích hoặc khối lượng trung bình của pin. Mật độ năng lượng của pin thường được chia thành hai chiều: mật độ năng lượng trọng trường và mật độ năng lượng thể tích.

Mật độ năng lượng là gì?
Mật độ năng lượng đề cập đến lượng năng lượng được lưu trữ trong một đơn vị không gian hoặc khối lượng vật chất nhất định. Mật độ năng lượng của pin là năng lượng điện được giải phóng bởi đơn vị thể tích hoặc khối lượng trung bình của pin. Mật độ năng lượng của pin thường được chia thành hai chiều: mật độ năng lượng trọng trường và mật độ năng lượng thể tích.

Mật độ năng lượng trọng lượng pin = dung lượng pin × nền xả / trọng lượng, đơn vị cơ bản là Wh / kg (watt-giờ / kg)
Mật độ năng lượng thể tích của pin = dung lượng pin × nền xả / thể tích, đơn vị cơ bản là Wh / L (watt- giờ / lít)
Mật độ năng lượng của pin càng lớn thì lượng điện có thể được lưu trữ trên một đơn vị thể tích hoặc trọng lượng càng nhiều.

Mật độ năng lượng monome là gì?
Mật độ năng lượng của pin thường chỉ ra hai khái niệm khác nhau, một là mật độ năng lượng của một tế bào, và hai là mật độ năng lượng của hệ thống pin.

Tế bào là đơn vị nhỏ nhất của hệ thống pin. M tế bào tạo thành một mô-đun và N mô-đun tạo thành một bộ pin, đây là cấu trúc cơ bản của pin nguồn xe.

Mật độ năng lượng của một tế bào, như tên cho thấy, là mật độ năng lượng ở cấp độ của một tế bào.

Theo “Made in China 2025”, quy hoạch phát triển pin điện được làm rõ: năm 2020, mật độ năng lượng của pin đạt 300Wh / kg; năm 2025, mật độ năng lượng pin đạt 400Wh / kg; năm 2030, mật độ năng lượng của pin đạt 500Wh / kg. Điều này đề cập đến mật độ năng lượng ở cấp độ của một tế bào.

Mật độ năng lượng hệ thống là gì?
Mật độ năng lượng hệ thống đề cập đến trọng lượng hoặc thể tích của toàn bộ hệ thống pin sau khi kết hợp monomer được hoàn thành. Bởi vì hệ thống pin bao gồm hệ thống quản lý pin, hệ thống quản lý nhiệt, các mạch điện áp cao và thấp, v.v., chiếm một phần trọng lượng và không gian bên trong của hệ thống pin nên mật độ năng lượng của hệ thống pin thấp hơn mật độ năng lượng của monome.

Mật độ năng lượng hệ thống = điện tích hệ thống pin / trọng lượng hệ thống pin HOẶC khối lượng hệ thống pin
Điều gì giới hạn chính xác mật độ năng lượng của pin lithium?
Nguyên nhân chính là do hóa chất đằng sau pin.

Nói chung, bốn phần của pin lithium rất quan trọng: điện cực dương, điện cực âm, chất điện phân và màng ngăn. Điện cực âm và dương là nơi diễn ra các phản ứng hóa học, tương đương với hai tĩnh mạch Ren và Du, tầm quan trọng của chúng là điều hiển nhiên. Chúng ta đều biết rằng mật độ năng lượng của hệ thống gói pin với lithium bậc ba làm điện cực dương cao hơn so với hệ thống pin với lithium iron phosphate làm điện cực dương. Tại sao thế này?

Vật liệu làm cực dương của pin lithium-ion hiện tại chủ yếu là graphit, và dung lượng gam trên lý thuyết của graphit là 372mAh / g. Dung lượng gam lý thuyết của vật liệu catốt lithium sắt phosphate chỉ là 160mAh / g, trong khi vật liệu bậc ba niken-coban-mangan (NCM) là khoảng 200mAh / g.

Theo lý thuyết thùng, mực nước được xác định bởi phần ngắn nhất của thùng, và giới hạn dưới của mật độ năng lượng của pin lithium-ion phụ thuộc vào vật liệu làm catốt.

Nền tảng điện áp của lithium iron phosphate là 3,2V, và chỉ số này của bậc ba là 3,7V. So với hai loại, mật độ năng lượng cao và chênh lệch 16%.

Tất nhiên, ngoài hệ thống hóa học, mức độ của quá trình sản xuất, chẳng hạn như mật độ nén, độ dày lá, v.v., cũng ảnh hưởng đến mật độ năng lượng. Nói chung, mật độ nén càng cao, dung lượng của pin càng cao trong một không gian hạn chế, vì vậy mật độ nén của vật liệu chính cũng được coi là một trong những chỉ số tham chiếu của mật độ năng lượng pin.

Trong tập thứ tư của "Sức mạnh vĩ đại II", CATL đã sử dụng lá đồng 6 micron, sử dụng công nghệ tiên tiến để cải thiện mật độ năng lượng.

Nếu bạn có thể bám sát từng dòng, hãy đọc hết cho đến thời điểm này. Xin chúc mừng, hiểu biết của bạn về pin đã lên một tầm cao mới.

Làm thế nào để cải thiện mật độ năng lượng?
Việc áp dụng các hệ thống vật liệu mới, tinh chỉnh cấu trúc pin lithium và nâng cao năng lực sản xuất là ba giai đoạn để các kỹ sư R&D “múa may duyên dáng”. Dưới đây, chúng tôi sẽ giải thích từ hai chiều của đơn lẻ và hệ thống.
—— Mật độ năng lượng riêng lẻ, chủ yếu dựa vào sự đột phá trong hệ thống hóa học

1. Tăng kích thước của pin Các

nhà sản xuất pin có thể đạt được hiệu quả mở rộng dung lượng bằng cách tăng kích thước của pin ban đầu. Chúng ta quen thuộc nhất với ví dụ: Tesla, hãng xe điện nổi tiếng đi đầu trong việc sử dụng pin 18650 của Panasonic, sẽ thay thế bằng pin 21700 mới.

Tuy nhiên, các tế bào “mỡ” hay “dài” chỉ là giải pháp tạm thời, không phải là nguyên nhân sâu xa. Phương pháp rút lương từ đáy ấm là tìm ra công nghệ then chốt để cải thiện mật độ năng lượng từ các vật liệu điện cực âm dương và các thành phần chất điện phân cấu thành bộ phận pin.

2. Những thay đổi trong hệ thống hóa học

Như đã đề cập trước đó, mật độ năng lượng của pin được điều khiển bởi các điện cực âm và dương của pin. Vì mật độ năng lượng của vật liệu điện cực âm cao hơn nhiều so với mật độ năng lượng của điện cực dương, nên cần phải liên tục nâng cấp vật liệu điện cực dương để cải thiện mật độ năng lượng.

Cực âm niken cao

Vật liệu bậc ba thường đề cập đến họ lớn các oxit niken coban lithium manganate. Chúng ta có thể thay đổi hiệu suất của pin bằng cách thay đổi tỷ lệ niken, coban và mangan.

Anode carbon silicon trong hình

Dung lượng cụ thể của vật liệu anode làm từ silicon có thể đạt tới 4200mAh / g, cao hơn nhiều so với dung lượng cụ thể trên lý thuyết của cực dương graphit là 372mAh / g, vì vậy nó đã trở thành một chất thay thế mạnh mẽ cho cực dương graphit.

Hiện nay, việc sử dụng vật liệu composite silicon-carbon để cải thiện mật độ năng lượng của pin đã trở thành một trong những hướng phát triển của vật liệu anode pin lithium-ion được ngành công nghiệp công nhận. Model 3 do Tesla phát hành sử dụng cực dương carbon silicon.

Trong tương lai, nếu bạn muốn tiến một bước xa hơn và vượt qua rào cản 350Wh / kg đối với tế bào đơn lẻ, các công ty cùng ngành có thể cần tập trung vào hệ thống pin loại âm kim loại lithium, nhưng điều này cũng có nghĩa là toàn bộ quy trình sản xuất pin sẽ thay đổi và sàng lọc. Có thể thấy từ một số nguyên liệu bậc ba điển hình ở Trung Quốc rằng tỷ lệ niken ngày càng cao, và tỷ lệ coban ngày càng thấp. Hàm lượng niken càng cao thì dung lượng riêng của tế bào càng cao. Ngoài ra, do nguồn coban khan hiếm nên việc tăng tỷ trọng niken sẽ làm giảm lượng coban sử dụng.

3. Mật độ năng lượng hệ thống: cải thiện hiệu suất nhóm của bộ pin
Việc phân nhóm các gói pin để kiểm tra khả năng sắp xếp các ô và mô-đun của "sư tử bao vây" pin. Cần phải lấy an toàn làm tiền đề và tận dụng tối đa từng tấc không gian.

Chủ yếu có những cách sau đây để "làm mỏng" viên pin.

Tối ưu hóa bố cục
Về kích thước bên ngoài, việc bố trí bên trong của hệ thống có thể được tối ưu hóa để giúp việc sắp xếp các thành phần bên trong bộ pin trở nên gọn gàng và hiệu quả hơn.

Tối ưu hóa cấu trúc liên kết
Chúng tôi nhận ra thiết kế giảm trọng lượng thông qua tính toán mô phỏng trên cơ sở đảm bảo độ cứng và độ tin cậy của kết cấu. Thông qua công nghệ này, có thể đạt được tối ưu hóa cấu trúc liên kết và tối ưu hóa địa hình và cuối cùng giúp đạt được các hộp pin nhẹ.

Lựa chọn vật liệu
Chúng ta có thể chọn vật liệu có mật độ thấp. Ví dụ, nắp trên của bộ pin đã dần dần được chuyển từ nắp trên bằng kim loại tấm truyền thống sang nắp trên bằng vật liệu composite, có thể giảm khoảng 35% trọng lượng. Đối với hộp bên dưới của bộ pin, giải pháp kim loại tấm truyền thống đã dần dần được chuyển thành dung dịch nhôm định hình, giúp giảm trọng lượng khoảng 40% và hiệu quả nhẹ là rõ ràng.

Thiết kế tích hợp xe

Thiết kế tích hợp của toàn bộ xe và thiết kế của toàn bộ cấu trúc xe đều được xem xét và các bộ phận cấu trúc được chia sẻ nhiều nhất có thể, chẳng hạn như thiết kế chống va chạm, để đạt được trọng lượng tối đa.

Pin là một sản phẩm rất toàn diện. Nếu bạn muốn cải thiện hiệu suất của một khía cạnh, bạn có thể hy sinh hiệu suất của các khía cạnh khác. Đây là cơ sở để hiểu về thiết kế và phát triển pin. Pin nguồn dành riêng cho xe cộ, vì vậy mật độ năng lượng không phải là thước đo duy nhất để đánh giá chất lượng của pin.