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 lượng và mật độ năng lượng thể tích.

Mật độ năng lượng của 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 càng có nhiều điện năng được lưu trữ trên một đơn vị thể tích hoặc trọng lượng.

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.
Một tế bào là đơn vị nhỏ nhất của một hệ thống pin. Các tế bào M 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 ô, như tên cho thấy, là mật độ năng lượng ở cấp độ của một ô.

Mật độ năng lượng hệ thống là gì?
Mật độ năng lượng của hệ thống đề cập đến trọng lượng hoặc thể tích của toàn bộ hệ thống pin sau khi quá trình kết hợp monome hoàn tất. Do hệ thống pin bao gồm hệ thống quản lý pin, hệ thống quản lý nhiệt, 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 = mức sạc hệ thống pin/trọng lượng hệ thống pin HOẶC thể tích hệ thống pin

Chính xác thì điều gì giới hạn mật độ năng lượng của pin lithium?

Hóa học đằng sau pin là lý do chính.

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

Vật liệu cực dương của pin lithium-ion hiện tại chủ yếu là than chì và dung lượng gam lý thuyết của than chì là 372mAh/g. Dung lượng gram lý thuyết của vật liệu cực âm lithium iron 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 catốt.

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

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

CATL đã sử dụng lá đồng 6 micron và cải thiện mật độ năng lượng bằng cách sử dụng công nghệ tiên tiến.

Nếu bạn có thể bám từng dòng, hãy đọc đến tận đây. Xin chúc mừng, sự hiểu biết của bạn về pin đã đạt đến 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 duyên”. Dưới đây, chúng tôi sẽ giải thích từ hai bình diện của đơn thể và hệ thống.

——Mật độ năng lượng cá nhân, chủ yếu dựa vào đột phá trong hệ thống hóa học

1. Tăng dung lượng 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, tế bào “mập” hay “dài” chỉ là giải pháp tạm thời chứ không phải là nguyên nhân tận gốc. Phương pháp rút tiền lương từ đáy ấm là tìm ra công nghệ then chốt để cải thiện mật độ năng lượng từ vật liệu điện cực dương và âm và các thành phần điện phân cấu thành bộ phận pin.

2. Thay đổi hệ thống hóa chất
Như đã đề cập trước đó, mật độ năng lượng của pin được kiểm soát bởi các điện cực dương và âm của pin. Vì mật độ năng lượng của vật liệu điện cực âm cao hơn nhiều so với 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
Các vật liệu ternary thường đề cập đến đại gia đình các oxit manganat lithium coban niken. Chúng ta có thể thay đổi hiệu suất của pin bằng cách thay đổi tỷ lệ niken, coban và mangan.

Silicon carbon anode trong hình

Công suất cụ thể của vật liệu cực dương dựa trên silicon có thể đạt tới 4200mAh/g, cao hơn nhiều so với công suất cụ thể theo lý thuyết của cực dương than chì là 372mAh/g, vì vậy nó đã trở thành vật liệu thay thế mạnh mẽ cho cực dương than chì.

Hiện tại, 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 cực dương pin lithium-ion được ngành công nhận. Model 3 do Tesla phát hành sử dụng cực dương carbon silicon.

Trong tương lai, nếu bạn muốn tiến thêm một bước và vượt qua rào cản 350Wh/kg cho các ô 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 vật liệu ternary điển hình ở Trung Quốc, tỷ lệ niken ngày càng cao và tỷ lệ coban ngày càng thấp. Hàm lượng niken càng cao thì dung lượng cụ thể của tế bào càng cao. Ngoài ra, do sự khan hiếm của nguồn coban, việc tăng tỷ lệ niken sẽ làm giảm lượng coban được sử dụng.

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

Chủ yếu có các cách sau để "thu gọn" viên pin.

Tối ưu hóa bố cục
Về kích thước bên ngoài, sự sắp xếp bên trong của hệ thống có thể được tối ưu hóa để làm cho việc sắp xếp các thành phần bên trong bộ pin nhỏ gọn và hiệu quả hơn.

Tối ưu hóa cấu trúc liên kết

Chúng tôi hiện thực hóa thiết kế giảm trọng lượng thông qua tính toán mô phỏng trên tiền đề 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 hộp pin nhẹ.

lựa chọn vật liệu
Chúng ta có thể chọn vật liệu mật độ thấp. Ví dụ, nắp trên của bộ pin đã dần được chuyển đổi 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 dưới của bộ pin, giải pháp tấm kim loại truyền thống đã dần được chuyển thành giải pháp cấu hình nhôm, giúp giảm khoảng 40% trọng lượng và hiệu quả nhẹ là rõ ràng.

Thiết kế tích hợp xe
Thiết kế tích hợp của toàn bộ chiếc xe và thiết kế của toàn bộ cấu trúc xe được xem xét và các bộ phận kết cấu được chia sẻ nhiều nhất có thể, chẳng hạn như thiết kế chống va chạm, để đạt được trọng lượng nhẹ 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 thiết kế và phát triển pin. Pin nguồn được dành riêng cho xe cộ, vì vậy mật độ năng lượng không phải là thước đo duy nhất để đánh giá chất lượng pin.