Hai chỉ số hiệu suất của pin lithium-ion: mật độ năng lượng và tốc độ sạc-xả

Phân tích ngắn gọn hai chỉ số hiệu suất của pin lithium-ion: mật độ năng lượng và tốc độ sạc-xả

Mật độ năng lượng đề cập đến lượng năng lượng có thể được lưu trữ trên một đơn vị thể tích hoặc trọng lượng. Tất nhiên, chỉ số này càng cao thì càng tốt. Mọi thứ cô đặc đều là tinh túy. Tốc độ sạc và xả là tốc độ lưu trữ và giải phóng năng lượng, tốt nhất là tính bằng giây. Nó được lấp đầy hoặc giải phóng ngay lập tức, và nó có thể đến và đi ngay khi được gọi.

Tất nhiên, đây đều là những lý tưởng, và trên thực tế, chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tố thực tế khác nhau. Chúng ta không thể có được năng lượng vô hạn, cũng như không thể nhận ra sự truyền năng lượng tức thời. Làm thế nào để liên tục bứt phá những hạn chế này và vươn tới một trình độ cao hơn là một bài toán khó mà chúng ta cần giải.

(A) Mật độ năng lượng của pin lithium-ion

Có thể nói, mật độ năng lượng là điểm nghẽn lớn nhất hạn chế sự phát triển của pin lithium-ion hiện nay. Cho dù đó là điện thoại di động hay xe điện, mọi người đều mong đợi mật độ năng lượng của pin sẽ đạt đến một cấp độ hoàn toàn mới, để tuổi thọ pin hoặc quãng đường đi được của sản phẩm sẽ không còn là yếu tố chính gây ảnh hưởng đến sản phẩm.

Từ pin axit-chì, pin niken-cadmium, pin niken-kim loại hyđrua, đến pin lithium-ion, mật độ năng lượng đã liên tục được cải thiện. Tuy nhiên, tốc độ cải thiện còn quá chậm so với tốc độ phát triển quy mô công nghiệp và mức độ nhu cầu năng lượng của con người. Một số người còn nói đùa rằng sự tiến bộ của con người đang mắc kẹt ở "cục pin". Tất nhiên, nếu một ngày nào đó, việc truyền tải điện năng trên toàn cầu có thể được thực hiện không dây và nguồn điện có thể được truyền "không dây" ở bất cứ đâu (như tín hiệu điện thoại di động), thì loài người sẽ không cần pin nữa, và sự phát triển xã hội đương nhiên sẽ không bị mắc kẹt vào pin. .

Để đối phó với hiện trạng mật độ năng lượng đã trở thành nút thắt cổ chai, các quốc gia trên thế giới đã xây dựng các mục tiêu chính sách liên quan đến ngành pin, hy vọng sẽ dẫn dắt ngành công nghiệp pin đạt được những bước đột phá đáng kể về mật độ năng lượng. Các mục tiêu năm 2020 do các chính phủ hoặc tổ chức công nghiệp ở Trung Quốc, Hoa Kỳ và Nhật Bản đặt ra về cơ bản hướng đến giá trị 300Wh / kg, tương đương với mức tăng gần gấp đôi so với cơ sở hiện tại. Mục tiêu dài hạn đến năm 2030 là đạt 500Wh / kg, thậm chí 700Wh / kg. Ngành công nghiệp pin phải có một bước đột phá lớn trong hệ thống hóa chất để đạt được mục tiêu này.

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

Chúng tôi đã phân tích trước đó rằng những gì hoạt động như một chất mang năng lượng điện thực sự là phần tử lithium trong pin, và các chất khác là "chất thải", nhưng để có được một chất mang năng lượng điện ổn định, bền vững và an toàn thì những chất "thải" này là không thể thiếu. . Ví dụ, trong pin lithium-ion, tỷ lệ khối lượng của lithium thường hơn 1% một chút, và 99% thành phần còn lại là các chất khác không đảm nhận chức năng lưu trữ năng lượng. Edison nổi tiếng đã nói rằng thành công là 99% mồ hôi và 1% tài năng. Có vẻ như nguyên tắc này được áp dụng ở mọi nơi. 1% là cây rum, và 99% còn lại là lá xanh.

Vì vậy, để cải thiện mật độ năng lượng, điều đầu tiên chúng ta nghĩ đến là tăng tỷ lệ các nguyên tố liti, đồng thời để càng nhiều ion liti chạy ra khỏi điện cực dương, di chuyển sang điện cực âm, và sau đó quay trở lại từ điện cực điện cực âm sang điện cực dương (không thể ít hơn), chu kỳ vận chuyển năng lượng.

1. Tăng tỷ lệ vật liệu hoạt động tích cực

Tăng tỷ lệ nguyên liệu hoạt động tích cực chủ yếu là tăng tỷ lệ nguyên tố liti. Trong cùng một hệ thống hóa học pin, hàm lượng của các nguyên tố lithium tăng lên (các điều kiện khác không thay đổi), và mật độ năng lượng cũng sẽ tăng lên tương ứng. Vì vậy, dưới những hạn chế về khối lượng và trọng lượng nhất định, chúng tôi hy vọng rằng có nhiều vật liệu hoạt động tích cực hơn và nhiều hơn nữa.

2. Tăng tỷ lệ vật liệu hoạt động tiêu cực

Điều này thực sự là để phù hợp với sự gia tăng của các vật liệu hoạt động tích cực, và cần nhiều vật liệu hoạt động âm hơn để chứa các ion liti bơi qua và tích trữ năng lượng. Nếu vật liệu hoạt động của điện cực âm không đủ, các ion lithium thừa sẽ được lắng đọng trên bề mặt của điện cực âm thay vì được nhúng vào bên trong, dẫn đến phản ứng hóa học không thể đảo ngược và dung lượng pin bị suy giảm.

3. Nâng cao dung tích riêng (gam dung lượng) của vật liệu làm catốt

Tỷ lệ của các nguyên liệu tích cực có giới hạn trên và không thể tăng lên vô thời hạn. Khi tổng lượng vật liệu hoạt động tích cực là không đổi, chỉ càng nhiều ion liti càng tốt mới có thể được tập trung từ điện cực dương để tham gia vào các phản ứng hóa học, nhằm cải thiện mật độ năng lượng. Do đó, chúng tôi hy vọng rằng tỷ lệ khối lượng của các ion liti có thể được làm đậm đặc so với vật liệu hoạt động tích cực cao hơn, tức là chỉ số dung lượng riêng cao hơn.

Đây là lý do tại sao chúng tôi nghiên cứu và lựa chọn các vật liệu catốt khác nhau, từ oxit liti coban đến photphat sắt liti, đến các vật liệu bậc ba, tất cả đều đang gấp rút hướng tới mục tiêu này.

Như đã phân tích trước đó, lithium coban oxit có thể đạt 137mAh / g, giá trị thực tế của lithium manganate và lithium iron phosphate đều vào khoảng 120mAh / g và mangan niken coban bậc ba có thể đạt 180mAh / g. Nếu chúng ta muốn cải tiến hơn nữa, chúng ta cần phải nghiên cứu vật liệu catốt mới và đạt được tiến bộ trong công nghiệp hóa.

4. Cải thiện dung lượng cụ thể của vật liệu cực dương

Nói một cách tương đối, dung lượng cụ thể của vật liệu điện cực âm không phải là điểm nghẽn chính của mật độ năng lượng của pin lithium-ion, nhưng nếu dung lượng cụ thể của điện cực âm được cải thiện hơn nữa, nó có nghĩa là vật liệu điện cực âm có khối lượng ít hơn có thể chứa nhiều ion liti hơn, do đó đạt được mục tiêu tăng mật độ năng lượng.

Sử dụng vật liệu carbon giống than chì làm điện cực âm, dung lượng riêng theo lý thuyết là 372mAh / g. Vật liệu carbon cứng và vật liệu carbon nano được nghiên cứu trên cơ sở này có thể tăng dung lượng cụ thể lên hơn 600mAh / g. Vật liệu anode làm từ thiếc và silicon cũng có thể tăng công suất riêng của anode lên rất cao, đây là những hướng nghiên cứu đang được quan tâm hiện nay.

5. Giảm cân

Ngoài các vật liệu hoạt động của điện cực âm và dương, chất điện phân, chất phân tách, chất kết dính, chất dẫn điện, chất thu dòng, chất nền, vật liệu vỏ, v.v., là "trọng lượng chết" của pin lithium-ion, chiếm tỷ lệ trọng lượng toàn bộ pin khoảng 40%. Nếu trọng lượng của những vật liệu này có thể giảm mà không ảnh hưởng đến hiệu suất của pin, thì điều đó cũng có thể cải thiện mật độ năng lượng của pin lithium-ion.

Để làm ầm ĩ vấn đề này, cần phải tiến hành nghiên cứu và phân tích chi tiết về chất điện phân, chất phân tách, chất kết dính, chất nền và bộ thu dòng, vật liệu vỏ, quy trình sản xuất, v.v. để tìm ra giải pháp hợp lý. Nếu tất cả các khía cạnh được cải thiện, mật độ năng lượng tổng thể của pin có thể được tăng lên ở một mức độ nhất định.

Từ những phân tích trên, có thể thấy rằng việc cải thiện mật độ năng lượng của pin lithium-ion là một dự án có hệ thống. Chúng ta nên bắt đầu từ việc cải tiến quy trình sản xuất, nâng cao hiệu suất của các vật liệu hiện có, và phát triển các vật liệu mới và hệ thống hóa chất mới. và các giải pháp lâu dài.