Hai chỉ số hiệu suất chính của pin lithium-ion: mật độ năng lượng và tốc độ phóng điện

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 càng cao càng tốt, cái gì cô đọng lại mới là cốt lõi. Tốc độ phóng điện là tốc độ mà năng lượng được lưu trữ và giải phóng, tốt nhất là tính bằng giây. Nó đầy hoặc được giải phóng ngay lập tức và cuộc gọi đến và đi.

Tất nhiên, đây là những lý tưởng. Trên thực tế, chúng phải tuân theo các yếu tố thực tế khác nhau. Chúng ta không thể có được năng lượng vô hạn cũng như không thể đạt được sự chuyển giao năng lượng tức thời. Làm thế nào để liên tục vượt qua những hạn chế này và đạt đến cấp độ cao hơn là một vấn đề cần được giải quyết bởi chúng tôi.

Năm, mật độ năng lượng của pin lithium-ion

Có thể nói, mật độ năng lượng chính là nút thắt lớn nhất hạn chế sự phát triển của pin lithium-ion hiện nay. Cho dù đó là điện thoại di động hay ô tô điện, mọi người đều mong muốn mật độ năng lượng của pin sẽ đạt đến một cấp độ hoàn toàn mới, do đó tuổi thọ hoặc phạm vi sử dụng pin của sản phẩm sẽ không còn là yếu tố chính gây khó khăn cho sản phẩm.

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

Từ pin axit-chì, pin niken-cadmium, pin niken-hydro, đến pin lithium-ion, mật độ năng lượng không ngừng tăng lên. 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. Thậm chí, có người nói đùa rằng sự tiến bộ của loài người đang bị mắc kẹt trong "pin". Tất nhiên, nếu một ngày nào đó có thể nhận ra việc truyền tải năng lượng toàn cầu không dây và có được năng lượng điện "không dây" ở mọi nơi (như tín hiệu điện thoại di động), thì con người sẽ không cần pin nữa và sự phát triển xã hội sẽ tự nhiên không bị mắc kẹt trên pin.

Trước tình hình hiện tại mật độ năng lượng đã trở thành một nút thắt cổ chai, các quốc gia trên thế giới đã xây dựng các mục tiêu chính sách ngành pin có liên quan, với hy vọng dẫn dắt ngành pin đạt được những bước đột phá đáng kể về mật độ năng lượng. Các mục tiêu năm 2020 do chính phủ hoặc các tổ chức công nghiệp ở Trung Quốc, Hoa Kỳ, Nhật Bản và các quốc gia khác đặt ra về cơ bản chỉ ra 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 bước đột phá lớn về 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 cụ thể là gì?

Chúng tôi đã phân tích trước đó rằng thứ hoạt động như một chất mang năng lượng điện thực sự là nguyên tố lithium trong pin. Các chất khác là "chất thải", nhưng để có được chất mang năng lượng điện ổn định, liên tục và an toàn thì không thể thiếu các chất "chất thải" này. . Ví dụ, trong pin lithium-ion, tỷ lệ khối lượng của lithium thường hơn 1% một chút và 99% còn lại là các chất khác không đảm nhận chức năng lưu trữ năng lượng. Edison có câu nói nổi tiếng rằng thành công là 99% mồ hôi cộng với 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. Không có gì sẽ làm việc mà không có nó.

Sau đó, để tăng mật độ năng lượng, điều đầu tiên chúng tôi nghĩ đến là tăng tỷ lệ lithium, đồng thời để càng nhiều ion lithium càng tốt thoát ra khỏi điện cực dương, di chuyển đến điện cực âm, rồi quay trở lại điện cực dương từ số ban đầu của điện cực âm (không thể giảm), Mang năng lượng hết lần này đến lần khác.

1. Tăng tỷ lệ hoạt chất tích cực

Việc tăng tỷ lệ các vật liệu hoạt động tích cực chủ yếu là để tăng tỷ lệ lithium. Trong cùng một hệ thống hóa học của pin, hàm lượng lithium được tăng lên (các điều kiện khác không thay đổi) và mật độ năng lượng cũng sẽ được tăng lên tương ứng. Do đó, dưới một giới hạn khối lượng và trọng lượng nhất định, chúng tôi hy vọng rằng sẽ có nhiều vật liệu hoạt động điện cực dương hơn, v.v.

2. Tăng tỷ lệ hoạt chất tiêu cực

Điều này thực sự là để đối phó với sự gia tăng của các vật liệu hoạt động tích cực và cần nhiều vật liệu hoạt động tiêu cực hơn để chứa các ion lithium đang bơi và lưu trữ năng lượng. Nếu vật liệu hoạt động của điện cực âm không đủ, các ion lithium dư thừa sẽ lắng đọng trên bề mặt điện cực âm thay vì được nhúng vào bên trong, gây ra các phản ứng hóa học không thể đảo ngược và làm suy giảm dung lượng pin.

3. Tăng công suất riêng (công suất g) của vật liệu catốt

Tỷ lệ vật liệu hoạt động điện cực dương có giới hạn trên và không thể tăng lên mà không có giới hạn. Khi tổng lượng chất hoạt động trong điện cực dương không đổi, chỉ càng nhiều ion lithium càng tốt được chiết xuất từ ​​​​điện cực dương và tham gia vào phản ứng hóa học, để tăng mật độ năng lượng. Do đó, chúng tôi hy vọng rằng tỷ lệ khối lượng của các ion lithium có thể giải phóng được so với vật liệu hoạt động của điện cực dương sẽ cao hơn, nghĩa là chỉ số dung lượng cụ thể sẽ cao hơn.

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

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

4. Tăng công suất cụ thể của vật liệu cực dương

Nói một cách tương đối, dung lượng riêng của vật liệu điện cực âm không phải là nút cổ chai chính của mật độ năng lượng của pin lithium-ion, nhưng nếu dung lượng riêng của điện cực âm được tăng thêm, điều đó có nghĩa là với khối lượng vật liệu điện cực âm ít hơn , có thể chứa nhiều ion lithium hơn, do đó Đạt được mục tiêu tăng mật độ năng lượng.

Vật liệu carbon giống như than chì được sử dụng làm điện cực âm và dung lượng riêng theo lý thuyết là 372mAh/g. Các 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 cực dương dựa trên thiếc và silicon cũng có thể tăng công suất cụ thể của cực dương lên mức rất cao. Đây là những chủ đề nóng của nghiên cứu hiện nay.

5. giảm cân

Ngoài các vật liệu hoạt động của các điện cực dương và âm, chất điện phân, chất phân tách, chất kết dính, chất dẫn điện, chất thu dòng điện, chất nền, vật liệu vỏ, v.v., là "khối lượng chết" của pin lithium-ion, chiếm tỷ trọng của toàn bộ trọng lượng pin. Khoảng 40%. Nếu có thể giảm trọng lượng của những vật liệu này mà không ảnh hưởng đến hiệu suất của pin, thì mật độ năng lượng của pin lithium-ion cũng có thể được cải thiện. Cần tiến hành nghiên cứu và phân tích chi tiết về chất điện phân, màng cách ly, chất kết dính, chất nền và dòng điện người thu gom, 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 của pin có thể tăng lên ở một mức độ nhất định.

Từ phân tích trên, có thể thấy rằng việc tăng mật độ năng lượng của pin lithium-ion là một dự án có hệ thống. Nó phải bắt đầu bằng việc cải thiện quy trình sản xuất, nâng cao hiệu suất của các vật liệu hiện có, đồng thời phát triển các vật liệu mới và hệ thống hóa học mới, đồng thời tìm kiếm các giải pháp ngắn hạn, trung hạn và dài hạn.

6. Tốc độ sạc và xả của pin lithium-ion

Tốc độ sạc-xả của pin lithium-ion xác định tốc độ chúng ta có thể lưu trữ một lượng năng lượng nhất định trong pin hoặc tốc độ chúng ta có thể giải phóng năng lượng trong pin. Tất nhiên, quá trình lưu trữ và phát hành này có thể kiểm soát được, an toàn và sẽ không ảnh hưởng đáng kể đến thời lượng pin cũng như các chỉ số hiệu suất khác.

Chỉ số phóng đại đặc biệt quan trọng khi pin được sử dụng làm chất mang năng lượng cho các công cụ điện, đặc biệt là xe điện. Hãy tưởng tượng nếu bạn đang lái một chiếc ô tô điện đi làm, và bạn phát hiện ra rằng ắc quy gần hết điện giữa chừng, hãy tìm một trạm sạc và sạc trong một giờ. Nếu nó không được sạc đầy, người ta ước tính rằng mọi thứ sẽ được thực hiện sẽ bị trì hoãn. Hoặc xe điện của bạn đang leo dốc, dù bạn có đạp ga thế nào thì xe vẫn chậm như rùa khiến bạn không thể gượng dậy được và nóng lòng muốn xuống xe.

Rõ ràng, những cảnh tượng trên là điều chúng ta không muốn thấy, nhưng nó lại là hiện trạng của pin lithium-ion. Sạc lâu và xả không được quá mạnh, nếu không pin sẽ nhanh chóng bị lão hóa và thậm chí có thể xảy ra các vấn đề về an toàn. Tuy nhiên, trong nhiều ứng dụng, tất cả chúng ta đều cần pin có hiệu suất sạc và xả tốc độ cao, vì vậy chúng ta lại bị mắc kẹt ở đây trên "pin". Để đạt được sự phát triển tốt hơn của pin lithium-ion, chúng tôi cần phải tìm ra những yếu tố nào đang hạn chế hiệu suất tốc độ của pin.

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

Hiệu suất tốc độ phóng điện của pin lithium-ion có liên quan trực tiếp đến khả năng di chuyển của các ion lithium ở các điện cực dương và âm, chất điện phân và giao diện giữa chúng. Tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển của các ion lithium (các yếu tố ảnh hưởng này cũng có thể tương đương với điện trở trong của pin) sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất tốc độ sạc-xả của pin lithium-ion. Ngoài ra, tốc độ tản nhiệt bên trong viên pin cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ hoạt động. Nếu tốc độ tản nhiệt chậm, nhiệt tích tụ trong quá trình sạc và xả tốc độ cao không thể truyền ra ngoài, điều này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự an toàn và tuổi thọ của pin lithium ion. Do đó, việc nghiên cứu và cải thiện hiệu suất tốc độ sạc-xả của pin lithium-ion chủ yếu bắt đầu từ hai khía cạnh: cải thiện tốc độ di chuyển của các ion lithium và tốc độ tản nhiệt bên trong pin.

1. Cải thiện khả năng khuếch tán ion lithium của các điện cực dương và âm

Tốc độ khử xen kẽ và xen kẽ của các ion lithium trong vật liệu hoạt động dương/âm, nghĩa là tốc độ mà các ion lithium thoát ra khỏi vật liệu hoạt động dương/âm hoặc đi vào vật liệu hoạt động từ bề mặt của điện cực dương/âm để tìm một nơi “an cư lạc nghiệp” Tốc độ nhanh như thế nào? Đây là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ sạc và xả.

Sự khuếch tán và chuyển động của các ion lithium trong các cực dương/âm về cơ bản tương tự như trong cuộc chạy marathon. Có cả người chạy chậm và người chạy nhanh. Ngoài ra, độ dài đoạn đường mỗi người chọn là khác nhau, điều này hạn chế nghiêm trọng thời gian kết thúc cuộc đua (mọi người sau khi chạy). Vì vậy, chúng tôi không muốn chạy marathon. Tốt nhất là mọi người nên chạy 100 mét. Khoảng cách đủ ngắn để mọi người có thể nhanh chóng về đích. Ngoài ra, đường băng phải đủ rộng, không chen chúc nhau, đường không quanh co, khúc khuỷu. Tốt nhất là giảm độ khó của trò chơi. Kết quả là trọng tài phát ra tiếng bíp, vạn quân lao về đích. Trò chơi kết thúc nhanh chóng và hiệu suất phóng đại rất xuất sắc.

Đối với vật liệu cực âm, chúng tôi hy vọng rằng miếng cực phải đủ mỏng, nghĩa là độ dày của vật liệu hoạt động phải nhỏ, tương đương với việc rút ngắn khoảng cách của cuộc đua, vì vậy chúng tôi hy vọng sẽ tăng mật độ nén của vật liệu cực âm càng nhiều càng tốt. Bên trong vật liệu hoạt tính phải có đủ lỗ rỗng để cho phép các ion lithium được sử dụng cho cuộc thi. Đồng thời, các “đường ray” này phải được phân bố đều, không nơi có nơi có, nơi không. Điều này đòi hỏi phải tối ưu hóa cấu trúc của vật liệu điện cực dương. Thay đổi khoảng cách và cấu trúc giữa các hạt để đạt được sự phân bố đồng đều. Hai điểm trên thực ra trái ngược nhau. Tăng mật độ đầm nén sẽ làm giảm độ dày, nhưng khoảng cách hạt sẽ trở nên nhỏ hơn và đường băng sẽ có vẻ đông đúc. Ngược lại, việc duy trì một khoảng cách hạt nhất định không có lợi cho việc làm cho vật liệu mỏng hơn. Do đó, cần phải tìm điểm cân bằng để đạt được tốc độ di chuyển ion lithium tốt nhất
Các vật liệu điện cực dương của các vật liệu khác nhau có ảnh hưởng đáng kể đến hệ số khuếch tán của các ion lithium. Do đó, việc chọn vật liệu catốt có hệ số khuếch tán ion lithium tương đối cao cũng là một hướng quan trọng để cải thiện hiệu suất tốc độ.

Ý tưởng xử lý vật liệu điện cực âm tương tự như vật liệu điện cực dương. Nó chủ yếu bắt đầu từ cấu trúc, kích thước, độ dày và các khía cạnh khác của vật liệu để giảm sự chênh lệch nồng độ của các ion lithium trong vật liệu điện cực âm và cải thiện khả năng khuếch tán của các ion lithium trong vật liệu điện cực âm. Lấy vật liệu cực dương dựa trên carbon làm ví dụ. Trong những năm gần đây, nghiên cứu về vật liệu nano-cacbon (ống nano, dây nano, quả cầu nano, v.v.), thay thế cấu trúc phân lớp cực dương truyền thống, có thể cải thiện đáng kể diện tích bề mặt cụ thể, cấu trúc bên trong và kênh khuếch tán, nhờ đó cải thiện đáng kể hiệu suất tốc độ của vật liệu điện cực âm.

2. Cải thiện độ dẫn ion của chất điện phân

Các ion liti chạy đua trong vật liệu dương/âm, nhưng bơi trong chất điện phân.

Trong các cuộc thi bơi lội, làm thế nào để giảm lực cản của nước (chất điện phân) đã trở thành chìa khóa để cải thiện tốc độ. Trong những năm gần đây, những người bơi lội thường mặc đồ cá mập. Loại áo tắm này có thể làm giảm đáng kể lực cản do nước hình thành trên bề mặt cơ thể con người, từ đó cải thiện thành tích thi đấu của vận động viên, và đã trở thành một chủ đề gây tranh cãi.

Các ion lithium cần di chuyển qua lại giữa các điện cực dương và âm, giống như bơi trong một "bể bơi" được hình thành bởi chất điện phân và vỏ pin. Độ dẫn ion của chất điện phân giống như điện trở của nước và tốc độ bơi của các ion lithium là rất lớn. Ảnh hưởng. Hiện tại, chất điện phân hữu cơ được sử dụng trong pin lithium-ion, bất kể là chất điện phân lỏng hay chất điện phân rắn, độ dẫn ion đều không cao. Điện trở của chất điện phân đã trở thành một phần quan trọng trong tổng điện trở của pin và không thể bỏ qua tác động của nó đối với hiệu suất tốc độ cao của pin lithium-ion.

Ngoài việc cải thiện độ dẫn ion của chất điện phân, cũng cần tập trung vào sự ổn định hóa học và ổn định nhiệt của chất điện phân. Khi sạc và xả ở tốc độ cao, cửa sổ điện hóa của pin có phạm vi rất rộng. Nếu độ ổn định hóa học của chất điện phân không tốt, bề mặt vật liệu điện cực dương dễ bị oxy hóa và phân hủy, ảnh hưởng đến độ dẫn ion của chất điện phân. Độ ổn định nhiệt của chất điện phân có tác động lớn đến độ an toàn và tuổi thọ của pin lithium-ion, vì rất nhiều khí được tạo ra khi chất điện phân bị phân hủy nhiệt. Một mặt, nó tiềm ẩn mối nguy hiểm đối với sự an toàn của pin. Màng SEI có tác dụng phá hủy và ảnh hưởng đến hiệu suất chu kỳ của nó.

Do đó, việc chọn chất điện phân có độ dẫn ion lithium cao, ổn định hóa học và nhiệt tốt, đồng thời phù hợp với vật liệu điện cực là một hướng quan trọng để cải thiện hiệu suất tốc độ của pin lithium ion.

3. Giảm nội trở của pin

Điều này liên quan đến một số chất khác nhau và giao diện giữa các chất và giá trị điện trở mà chúng tạo thành, nhưng tất cả đều có tác động đến sự dẫn điện của các ion/electron.

Nói chung, một chất dẫn điện được thêm vào vật liệu hoạt động điện cực dương để giảm điện trở tiếp xúc giữa vật liệu hoạt động, vật liệu hoạt động và ma trận điện cực dương/bộ thu dòng điện, cải thiện độ dẫn điện (độ dẫn ion và điện tử) của vật liệu điện cực dương , và nâng cao hiệu suất tỷ lệ. Các chất dẫn điện có hình dạng và vật liệu khác nhau đều sẽ ảnh hưởng đến điện trở trong của pin, do đó ảnh hưởng đến hiệu suất tốc độ của pin.

Các bộ thu dòng điện (các tab) của các điện cực dương và âm là chất mang để pin lithium-ion truyền năng lượng điện ra thế giới bên ngoài và giá trị điện trở của bộ thu dòng điện cũng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất tốc độ của pin . Do đó, bằng cách thay đổi vật liệu, kích thước, phương pháp chiết xuất, quy trình kết nối, v.v. của bộ thu hiện tại, hiệu suất tốc độ và vòng đời của pin lithium-ion có thể được cải thiện.

Mức độ thấm giữa chất điện phân và vật liệu dương và âm sẽ ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc tại giao diện giữa chất điện phân và điện cực, do đó ảnh hưởng đến hiệu suất tốc độ của pin. Tổng lượng chất điện phân, độ nhớt, hàm lượng tạp chất và lỗ chân lông của vật liệu dương và âm sẽ thay đổi trở kháng tiếp xúc giữa chất điện phân và điện cực, đây là hướng nghiên cứu quan trọng để cải thiện hiệu suất tốc độ.

Trong chu kỳ đầu tiên của pin lithium ion, khi các ion lithium được đưa vào điện cực âm, màng điện phân rắn (SEI) sẽ được hình thành trên điện cực âm. Mặc dù màng SEI có độ dẫn ion tốt nhưng nó vẫn sẽ khuếch tán các ion lithium. Có một trở ngại nhất định, đặc biệt là khi sạc và xả ở tốc độ cao. Khi số chu kỳ tăng lên, màng SEI sẽ tiếp tục rơi ra, bong ra và lắng đọng trên bề mặt của điện cực âm, khiến điện trở trong của điện cực âm tăng dần, điều này trở thành một yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của tốc độ chu kỳ . Do đó, việc kiểm soát sự thay đổi của màng SEI cũng có thể cải thiện hiệu suất tốc độ của pin lithium-ion trong quá trình đạp xe dài hạn.

Ngoài ra, khả năng hấp thụ chất lỏng và độ xốp của thiết bị phân tách cũng có tác động lớn hơn đến khả năng truyền qua của các ion lithium và cũng sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất tốc độ (tương đối nhỏ) của pin lithium ion ở một mức độ nhất định.

Tập đoàn JUNLEE là một nhà máy năng lượng tích hợp đầy đủ năng lượng, chuyên cung cấp Bộ lưu điện liên tục (UPS), Ắc quy axit-chì, Bộ ắc quy, Ắc quy xe điện, Ắc quy lưu trữ năng lượng, Nhà máy lưu trữ năng lượng, ắc quy Power pack Gel, Biến tần PV và Hệ thống năng lượng mặt trời.

Năng lực sản xuất đạt 200000 KVAH mỗi tháng. Sản phẩm áp dụng cho Xe điện, di động điện, hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời và gió, UPS, điện dự phòng, viễn thông, thiết bị y tế và chiếu sáng.

JUNLEE thành lập "Trung tâm nghiên cứu năng lượng" với nhiều sản phẩm Công nghệ cao hơn. Hơn 100 kỹ sư đã cung cấp các giải pháp một cửa kịp thời và hiệu quả.
Sứ mệnh của họ là phấn đấu mang lại nguồn năng lượng xanh cho thế giới.
Để tìm hiểu thêm về pin Li-ion, vui lòng tham khảo https://www.junleepower.com/