De ontwikkeling van elektrische voertuigen is in volle gang en de power-accu is een van de belangrijkste onderdelen. De ontwikkeling ervan heeft een beslissende invloed op de levensduur van de batterij en de veiligheid van elektrische voertuigen. De laatste tijd horen we vaak termen zoals solid-state batterijen, SVOLT's jelly batterijen, NIO's Nickel 55 ternary Cell, IM Motors gedoteerd met silicium als aanvulling op lithium, en CTP/CTC-technologie. In feite, met zoveel technische richtlijnen, is het fundamentele doel om de energiedichtheid en veiligheid van de batterij te verbeteren. In dit artikel neemt de redacteur u mee om de technische paden te ordenen die ermee verband houden.

Manieren om de energiedichtheid en veiligheid te verbeteren

Ingenieurs pijnigden hun hersens om de energiedichtheid van het batterijpakket te verhogen, waarbij ze twee vergelijkbare wegen gebruikten: het verhogen van de dichtheid van de batterijcel en het verhogen van de dichtheid van het systeem (batterijpakket). Natuurlijk, terwijl de energiedichtheid wordt verbeterd, heeft veiligheid altijd de hoogste prioriteit. Welke inspanningen hebben de meeste ingenieurs geleverd en welke nieuwe technologieën zijn momenteel in opkomst om de energiedichtheid en veiligheid van de batterij te verbeteren? Nu zullen we bespreken met het laatste nieuws.

Verhoog de energiedichtheid van batterijen

De batterijkern bestaat uit drie delen, de positieve elektrode, de negatieve elektrode en de elektrolyt tussen de positieve en negatieve elektroden. Om de energiedichtheid te vergroten, starten we met deze drie aspecten. Laten we ze een voor een bekijken.

Kathode-nikkel 55 eenkristalmateriaal

Het 100 kWh-batterijpakket dat onlangs door NIO is uitgebracht, de "enige rook maar geen vuur" -batterij die eerder door de CATL is aangekondigd, heeft zijn energiedichtheid met 37% verhoogd zonder de grootte van de batterijbehuizing te veranderen en bijna geen gewichtstoename. kilometerstand opladen. De ternaire nikkel 55-cel die in de nieuwe batterij wordt gebruikt, is een belangrijke factor bij het verhogen van de energiedichtheid. Het kathodemateriaal is een eenkristalmateriaal met hoog voltage. Wat is eenkristal? Laten we, voordat we deze vraag beantwoorden, eens kijken naar de technische richting van kathodematerialen.

De zogenaamde "ternaire" lithiumbatterij verwijst naar de drie elementen nikkel, kobalt en mangaan (NCM) in het positieve elektrodemateriaal. Nikkel wordt gebruikt om de capaciteit te vergroten en kobalt wordt gebruikt om de structuur te stabiliseren. De rol van mangaan is om de kosten te verlagen en de structurele stabiliteit van het materiaal te verbeteren. Hoe hoger de nikkelverhouding en hoe lager de kobalt- en mangaanverhouding, hoe groter de energiedichtheid, maar de veiligheid neemt af.

Om de energiedichtheid te verhogen, is de NCM-verhouding verhoogd van "111 (N:C:M=1:1:1)" naar "523" en vervolgens naar "811". Deze route is altijd de belangrijkste richting geweest voor de ontwikkeling van ternaire kathodematerialen. De andere richting komt overeen met de eenkristalroute (het belangrijkste punt is hier). De nieuw uitgebrachte batterijkathode maakt gebruik van materialen uit de monokristallijne 5-serie. Eenkristalmaterialen zijn meer geschikt voor hoogspanning. Momenteel zijn de meeste gecommercialiseerde ternaire kathodematerialen secundaire sferische polykristallijne materialen van ongeveer 10 micron gevormd door agglomeratie van primaire deeltjes op nanoniveau. Voor degenen die geen idee hebben van polykristallijn en eenkristal, verwijzen wij u naar kwartszand en glas. Beide zijn silica. Kwartszand is een polykristallijn materiaal,

Er zijn een groot aantal korrelgrenzen in het polykristallijne NCM. Tijdens het laad- en ontlaadproces van de batterij, als gevolg van de anisotrope kristalroosterverandering, is de polykristallijne NCM vatbaar voor korrelgrensscheuren, waardoor de secundaire deeltjes breken, het specifieke oppervlak en het interfacepaar. De respons neemt snel toe, wat leidt tot een stijging van de batterij-impedantie en een snelle afname van de prestaties. Er is geen korrelgrens binnen het eenkristal ternaire materiaal, dat het probleem van korrelgrensbreuk en de daardoor veroorzaakte prestatievermindering effectief kan aanpakken. Daarom kan de eenkristalstructuur een hogere spanning bereiken, niet alleen dat, maar ook de cyclusstabiliteit van het ternaire materiaal verbeteren en de veiligheid van de batterij aanzienlijk verbeteren. Dit is het kathodemateriaal,

Wat is de "silicium-gedoteerde lithiumbatterijcel"-technologie?

De dichtheid van grafiet-negatieve elektroden van traditionele lithium-ionbatterijen is laag. Om een ​​hoge dichtheid na te streven, zijn nieuwe negatieve elektrodematerialen, siliciumkoolstof en siliciumzuurstof, nieuwe hotspots geworden die door ondernemingen worden nagestreefd. Silicium-zuurstof zal echter voor het eerst het probleem hebben van een laag rendement en de noodzaak om lithium aan te vullen. Tijdens de eerste lading en ontlading van vloeibare lithium-ionbatterijen reageren het elektrodemateriaal en de elektrolyt op het vast-vloeistofgrensvlak om een ​​passiveringslaag te vormen die het oppervlak van het elektrodemateriaal bedekt. Deze passiveringslaag is een grenslaag met de eigenschappen van een vast elektrolyt. Het is een elektronische isolator maar een uitstekende geleider van Li+. Li+ kan vrij worden ingebed en geëxtraheerd door de passiveringslaag. Daarom heet deze passiveringsfilm " "Solide elektrolytinterface" (solide elektrolytinterface) wordt afgekort als SEI-film (de positieve elektrode heeft ook lagen filmvorming, maar in dit stadium wordt aangenomen dat de impact ervan op de batterij veel minder is dan de SEI-film op het oppervlak van de negatieve elektrode). Het proces van lithium-aanvulling met silicium-koolstof-negatieve elektrode is om een ​​laag lithiummetaal vooraf te coaten op het oppervlak van de negatieve silicium-koolstof-elektrode. De coating staat in nauw contact met de negatieve elektrode. Nadat de elektrolyt in de negatieve elektrode is gegoten, zal deze reageren met de negatieve elektrode en worden ingebed in de negatieve elektrodedeeltjes. Compenseer de Li-ionen die nodig zijn om de SEI-film te vormen of te repareren tijdens de eerste lading en ontlading of cyclus. Vergeleken met het moeilijke en krachtige lithiumsupplementproces met negatieve elektrode, is het lithiumsupplementproces met positieve elektrode veel eenvoudiger. Het typische lithiumsupplementproces met positieve elektrode is het toevoegen van een kleine hoeveelheid positief elektrodemateriaal met hoge capaciteit aan het homogenisatieproces van de positieve elektrode. Tijdens het laadproces wordt het overtollige Li-element uit deze lithiumrijke positieve elektrodematerialen gehaald en in de negatieve elektrode ingebracht om de onomkeerbare capaciteit van de eerste lading en ontlading aan te vullen. Door dit gecompliceerde proces van het aanvullen van lithium kan de dichtheid van het negatieve elektrodemateriaal worden verhoogd. Op dit moment is niet bekend wat voor soort technologie IM Motors is, maar het is in feite een uitgemaakte zaak dat IM Motors deze high-end lithiumbatterij zal gebruiken.

Elektrolyt—Solid-state batterij

Op 8 december, lokale tijd, kondigde Quantum Scape het nieuws aan van zijn nieuwste solid-state batterij en verklaarde dat de batterij in 2024 in productie zal worden genomen. Dit soort solid-state batterijen heeft een aanzienlijke verbetering ten opzichte van traditionele lithium-ionbatterijen: ze kunnen het rijbereik van elektrische voertuigen met 80% vergroten. Laten we bespreken wat een solid-state batterij is en wat de voordelen ervan zijn.

Terwijl de energiedichtheid van de batterij wordt verhoogd, is de veiligheid van de batterij een punt waarmee rekening moet worden gehouden. De fundamentele eliminatie van de veiligheidsrisico's van lithium-ionbatterijen is nog steeds de verbetering van de veiligheid van batterijmaterialen. Maar voor kathodematerialen zijn deze twee aspecten tegenstrijdig. Zoals eerder vermeld, kan het verhogen van het nikkelgehalte bijvoorbeeld de energiedichtheid verhogen, maar de toename van het nikkelgehalte betekent een lagere veiligheid. Is er een manier om de veiligheid van de batterij van andere aspecten te verbeteren, om de energiedichtheid zekerder te verhogen? Op dit moment is het noodzakelijk om te overwegen vanuit het perspectief van elektrolyt. Een groot aantal onderzoeken heeft aangetoond dat de vloeibare elektrolyt deelneemt aan de meeste reacties in het thermische op hol geslagen proces van de batterij, en vermindert de initiële reactietemperatuur van de batterij aanzienlijk, wat betekent dat de drempel voor thermische runaway lager wordt. Daarom is het verbeteren van de veiligheid van elektrolyten een van de meest effectieve manieren om de veiligheid van batterijen te bereiken. De fysieke eigenschappen van het vloeibare elektrolyt bepalen dat het lekkage niet altijd kan voorkomen en het is ook niet bevorderlijk voor het verminderen van het volume van de batterij en dus het verhogen van de energiedichtheid. Om de energiedichtheid en veiligheid te verbeteren, is het stollen van de elektrolyt daarom een ​​trend geworden. We noemen een batterij waarin de elektroden en elektrolyt beide solid-state batterijen zijn. De solid-state batterijcel bevat geen vloeistof, wat niet alleen veiliger is, maar ook eerst in serie en parallel kan worden geassembleerd, waardoor het materiaal dat voor de verpakking wordt gebruikt, wordt verminderd,

Net als bij traditionele lithiumbatterijen, bestaan ​​solid-state batterijen uit een positieve elektrode, een negatieve elektrode en een elektrolyt. De structuur is eenvoudiger dan traditionele lithiumbatterijen en de vaste elektrolyt fungeert als de dubbele functie van elektrolyt en separator. Er is geen essentieel verschil tussen het positieve elektrodemateriaal en de traditionele lithiumbatterij. De anodematerialen zijn lithiummetaalanodematerialen, koolstofgroepanodematerialen en oxideanodematerialen. Voor vastestofbatterijen zijn het onderzoek en de ontwikkeling van vastestofelektrolyten het belangrijkst. Er zijn veel soorten materialen, waaronder oxiden, sulfiden, polymeren en samengestelde vaste elektrolyten.

Naast grootschalige vloeibare lithiumbatterijen en solid-state batterijen die worden onderzocht, is een halfvaste batterij-geleibatterij het gezichtsveld van mensen binnengekomen. In december 2020, Honeyco mb Energy nam het voortouw bij het vrijgeven van de geleibatterij en het aannemen van bestellingen. De gelei-batterij is een lithiumbatterij die een nieuw type gelei-achtige elektrolyt gebruikt. Dit gel-type elektrolyt past beter op het oppervlak van het elektrodemateriaal. Het heeft de kenmerken van zelfherstellend en vlamvertragend. Tegelijkertijd wordt warmtediffusie voorkomen. Jelly-batterijen kunnen worden beschouwd als een overgang van vloeibare batterijen naar solid-state batterijen.

Verhoogde systeemdichtheid - Nieuwe batterijtechnologie

Naast het verhogen van de energiedichtheid van batterijcellen, is het ook een manier om de energiedichtheid van batterijen te verhogen door meer batterijen in een batterijpakket van dezelfde grootte en hetzelfde gewicht te hebben. Hier volgt een korte introductie van de huidige relatief nieuwe batterijtechnologie.

Verwijder de interne verpakking-Cell to Pack (CTP) technologie:

Over het algemeen heeft een batterij niet alleen een batterijpakket aan de buitenkant, maar ook een groep "modules" gevormd door een groep cellen binnenin. De zogenaamde CTP is niet-modularisatie en de cellen worden direct verpakt. Het is momenteel een belangrijke keuze voor bedrijven om de energiedichtheid te verhogen. CATL, BYD en Honeycomb Energy hebben allemaal moduleloze batterijtechnologie gelanceerd. De BYD-bladebatterij, die een tijdje geleden relatief populair was, is gebaseerd op lithium-ijzerfosfaatbatterijen en gebruikt een modulevrij ontwerp om het gebruik van de ruimte te verbeteren.

Alle interne verpakkingen en outsourcing zijn verwijderd-Cell to Chassis (CTC) technologie:

Op Tesla's batterijdag werd een structurele batterijoplossing voorgesteld, waarbij de batterij direct in de autostructuur wordt ingebouwd (zie het vorige artikel van Long Ge "Interpretatie van Tesla Battery Day Information"). Deze gestructureerde batterijtechnologie is vergelijkbaar met de CTC-technologie die eerder door de CATL werd voorgesteld. Deze technologie integreert de batterijcel en het chassis en integreert vervolgens de motor, de elektronische besturing en het hoogspanningssysteem van het voertuig via een innovatieve architectuur. De power domain controller optimaliseert de stroomverdeling en vermindert het energieverbruik.

Slotopmerkingen

Door de bovenstaande introductie zijn wij van mening dat iedereen een zeker begrip heeft van nieuwe batterijgerelateerde technologieën. Hoewel we nog steeds geduldig moeten wachten op de commercialisering van volledig solid-state batterijen, zijn we van mening dat we in de nabije toekomst ervaring zullen hebben met semi-solid-state batterijen, positieve monokristallijne materialen en met silicium gedoteerde lithium-supplementtechnologie.