Mật độ năng lượng là gì?
Mật độ năng lượng (Energydensity) chỉ 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 của thể tích 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 được lưu trữ trên một đơn vị thể tích hoặc trọng lượng.
Mật độ năng lượng của 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 pin là đơn vị nhỏ nhất của hệ thống pin. M pin tạo thành một mô-đun và N mô-đun tạo thành một bộ pin. Đây là cấu tạo cơ bản của bình điện xe.
Mật độ năng lượng của một ô, như tên của nó, là mật độ năng lượng của một cấp độ ô.
Theo "Made in China 2025", kế hoạch phát triển pin năng lượng được xác định: vào năm 2020, mật độ năng lượng của pin sẽ đạt 300Wh/kg; năm 2025 mật độ năng lượng pin đạt 400Wh/kg; vào năm 2030, mật độ năng lượng của pin sẽ đạt 500Wh/kg. Điều này đề cập đến mật độ năng lượng của một cấp độ tế bào.
Mật độ năng lượng của 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 so với trọng lượng hoặc thể tích của toàn bộ hệ thống pin sau khi quá trình kết hợp monome hoàn tất. Do hệ thống pin chứa 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 = công suất hệ thống pin / trọng lượng hệ thống pin HOẶC thể tích hệ thống pin
Điều gì giới hạn mật độ năng lượng của pin lithium?
Hệ thống hóa chất 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. Cực dương và cực âm là nơi xảy ra các phản ứng hóa học, tương đương với hai mạch Thận và Du, và trạng thái 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?
Hầu hết các vật liệu cực dương hiện tại cho pin lithium-ion là than chì và dung lượng gam lý thuyết của than chì là 372 mAh/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 ternary là 3,7V. So sánh hai giai đoạn, mật độ năng lượng cao và sự khác biệt 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 sẽ 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 cho mật độ năng lượng của pin.
Trong tập thứ tư của "Great Power Heavy Equipment II", CATL đã sử dụng lá đồng 6 micron và sử dụng công nghệ tiên tiến để tăng mật độ năng lượng.
Nếu bạn có thể bám từng dòng, hãy đọc nó và đọc nó cho đến đây. Xin chúc mừng, sự hiểu biết của bạn về pin đã đạt đến một cấp độ.
Làm thế nào để tăng 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 tay dài”. Dưới đây, chúng tôi sẽ giải thích từ hai chiều của monome và hệ thống.
——Mật độ năng lượng của monome, chủ yếu phụ thuộc vào sự đột phá của hệ thống hóa học
1. Tăng kích thước pin
Các nhà sản xuất pin có thể đạt được hiệu quả mở rộng dung lượng bằng cách tăng kích thước pin ban đầu. Ví dụ quen thuộc nhất là Tesla, hãng xe điện nổi tiếng là hãng đầu tiên sử dụng pin 18650 của Panasonic, sẽ thay thế bằng pin 21700 mới.
Tuy nhiên, sự “béo phì” hay “lớn lên” của pin chỉ là cách chữa trị tạm thời, không phải là cách chữa trị vĩnh viễn. Phương pháp rút lương từ đáy ấm là tìm ra công nghệ then chốt để tăng mật độ năng lượng từ các vật liệu tích cực và tiêu cực cấu thành tế bào pin và thành phần chất điện phân.
2. Thay đổi hệ thống hóa chất
Như đã đề cập trước đó, mật độ năng lượng của pin bị hạn chế bởi các điện cực dương và âm của pin. Do mật độ năng lượng của vật liệu điện cực âm hiện tại lớn hơn nhiều so với mật độ năng lượng của điện cực dương nên việc tăng mật độ năng lượng đòi hỏi phải liên tục nâng cấp vật liệu điện cực dương.
cực âm niken cao
Vật liệu ternary thường đề cập đến họ lớn của niken coban mangan oxit lithium oxit. Chúng ta có thể thay đổi hiệu suất của pin bằng cách thay đổi tỷ lệ của ba nguyên tố niken, coban và mangan.
Silicon carbon cực dương 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 tăng mật độ năng lượng của pin đã trở thành một trong những hướng phát triển của vật liệu cực dương pin lithium-ion được công nhận trong ngành. Model 3 do Tesla phát hành sử dụng cực dương carbon silicon.
Trong tương lai, nếu bạn muốn tiến thêm một bước nữa - phá vỡ ngưỡng 350Wh/kg cho các tế bào đơn lẻ, các đối tác trong ngành có thể cần tập trung vào hệ thống pin âm kim loại lithium, nhưng điều này cũng có nghĩa là toàn bộ quy trình sản xuất pin phải thay đổi và cần mẫn. Có thể thấy từ một số vật liệu ternary điển hình, tỷ lệ niken ngày càng cao và tỷ lệ coban ngày càng thấp. Hàm lượng niken càng cao thì dung lượng riêng của cell pin 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: nâng cao hiệu quả của bộ pin
Bài kiểm tra nhóm về bộ pin là khả năng bố trí các ô và mô-đun đơn lẻ của các "sư tử bao vây" pin. Cần lấy an toàn làm tiền đề và tận dụng tối đa từng tấc đất.
Chủ yếu có các cách sau để "thu gọn" viên pin.
Tối ưu hóa cấu trúc bố cục
Từ khía cạnh kích thước, bố cục bên trong của hệ thống có thể được tối ưu hóa để làm cho các thành phần bên trong của bộ pin trở nên nhỏ gọn và hiệu quả hơn.
Tối ưu hóa cấu trúc liên kết
Chúng tôi thực hiện thiết kế giảm trọng lượng với tiền đề đảm bảo độ cứng và độ tin cậy của kết cấu thông qua tính toán mô phỏng. 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 tủ pin nhẹ.
lựa chọn vật liệu
Chúng ta có thể chọn vật liệu mật độ thấp. Ví dụ, vỏ hộp pin đã dần thay đổi từ vỏ kim loại tấm truyền thống sang vỏ vật liệu composite, có thể giảm khoảng 35% trọng lượng. Về hộp dưới của bộ pin, nó đã dần thay đổi từ giải pháp kim loại tấm truyền thống sang giải pháp cấu hình nhôm, giảm khoảng 40% trọng lượng và hiệu quả nhẹ là rõ ràng.
Thiết kế xe tích hợp
Thiết kế tích hợp của toàn bộ chiếc xe và thiết kế cấu trúc của toàn bộ chiếc xe được xem xét toàn diện, và các bộ phận cấu trúc được chia sẻ và 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 một khía cạnh của hiệu suất, bạn có thể hy sinh các khía cạnh khác của hiệu suất. 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.