如何提高鋰離子電池的能量密度? 高能量密度電池廠家推薦
高能量密度電池是現(xiàn)代儲(chǔ)能解決方案的前沿技術(shù),在為電動(dòng)汽車(chē)、無(wú)人機(jī)以及便攜式電子產(chǎn)品等各種設(shè)備供電方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這些電池以能夠在緊湊、輕便的形態(tài)下存儲(chǔ)大量能量為特點(diǎn),非常適合空間和重量受限的應(yīng)用場(chǎng)景。在本文中,我們將探討電池高能量的成因,識(shí)別該領(lǐng)域的當(dāng)前領(lǐng)先者,并討論其高性能背后的科學(xué)原理,重點(diǎn)關(guān)注實(shí)現(xiàn)如此驚人的儲(chǔ)能能力的材料和技術(shù)。
什么是高能量密度電池?
高能量密度電池是指相對(duì)于其重量(重量能量密度)或體積(體積能量密度)能夠存儲(chǔ)大量能量的電池。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),高能量密度電池能夠在更小或更輕的包裝中提供更長(zhǎng)時(shí)間的電力或存儲(chǔ)更多能量。這在電動(dòng)汽車(chē)(EV)、無(wú)人機(jī)和便攜式電子產(chǎn)品等應(yīng)用中尤為重要,因?yàn)檫@些應(yīng)用需要最大限度地提高能量存儲(chǔ)能力,同時(shí)盡可能減小尺寸和重量。
哪種電池的能量密度最高?
目前,能量密度最高的電池是鋰金屬電池(尤其是固態(tài)鋰離子或鋰硫(Li-S)電池)。這些電池仍處于研發(fā)階段,商業(yè)可行性仍在探索中,但它們已展現(xiàn)出巨大潛力。
在已商業(yè)化的電池中,鋰離子電池(Li-ion)是當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn),與其他商業(yè)選項(xiàng)相比,它提供了高能量密度。鋰離子電池中的鎳鈷錳(NCM)和鎳鈷鋁(NCA)化學(xué)成分特別以高能量密度而聞名。最好的鋰離子電池的能量密度可達(dá)250–300瓦時(shí)/千克(Wh/kg)。
能量密度最高的商用電池是固態(tài)鋰離子電池,由于使用了鋰金屬正極和固態(tài)電解質(zhì),其能量密度預(yù)計(jì)比傳統(tǒng)鋰離子電池高出約50%–100%(高達(dá)500瓦時(shí)/千克)。
為什么鋰離子電池具有高能量密度?
鋰離子電池通過(guò)鋰離子(Li?)在充電和放電期間在正極和負(fù)極之間的移動(dòng)來(lái)工作。這種離子移動(dòng)以及電子的流動(dòng)產(chǎn)生和儲(chǔ)存電能。充電時(shí),鋰離子從正極材料(通常是石墨)中提取出來(lái),通過(guò)電解質(zhì)移動(dòng)到負(fù)極。這些離子被插入到負(fù)極材料(如鋰鈷氧化物,LCO)中儲(chǔ)存能量。同時(shí),電子通過(guò)外部電路流向正極。放電時(shí),鋰離子通過(guò)電解質(zhì)從負(fù)極移回正極。離子的這種移動(dòng)產(chǎn)生電流,為設(shè)備供電。
基于鋰離子電池的工作原理,我們可以看出其高能量密度主要來(lái)自于鋰離子本身的獨(dú)特性質(zhì)、高容量的正極和負(fù)極材料,以及促進(jìn)離子傳輸?shù)母咝щ娊赓|(zhì)材料。
1、鋰的高比能量
鋰是最輕的金屬,其原子尺寸小,使得每單位質(zhì)量能夠儲(chǔ)存更多能量(高重量能量密度)。這意味著與其他電池類(lèi)型中使用的金屬(如鉛酸電池中的鉛或堿性電池中的鋅)相比,基于鋰的電池能夠以更少的重量?jī)?chǔ)存更多能量。
2、高容量電極材料
鋰離子電池中使用的負(fù)極和正極材料經(jīng)過(guò)優(yōu)化,以在不損害電池循環(huán)壽命或安全性的情況下最大化能夠儲(chǔ)存的鋰離子數(shù)量。
石墨是最常見(jiàn)的正極材料,它能夠有效地儲(chǔ)存鋰離子。硅基正極的容量甚至比石墨更高,但它們往往存在體積膨脹問(wèn)題。對(duì)于負(fù)極,鋰離子電池通常采用高容量負(fù)極材料,如鋰鈷氧化物(LCO)和鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)。這些材料能夠儲(chǔ)存大量能量。
3、高離子電導(dǎo)率(電解質(zhì))
具有高離子電導(dǎo)率的電解質(zhì)可促進(jìn)離子在正極和負(fù)極之間的移動(dòng),從而提高能量密度。
鋰離子電池通常使用促進(jìn)鋰離子在電極之間快速移動(dòng)的液態(tài)電解質(zhì)。這種高效的離子傳輸最大限度地減少了充電和放電期間的能量損失。鋰離子電池中使用的固態(tài)電解質(zhì)比許多其他電池類(lèi)型中使用的液態(tài)電解質(zhì)更高效,允許在給定體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的能量存儲(chǔ)密度(體積能量密度)。
如何提高鋰離子電池的能量密度?
提高鋰離子電池(Li-ion)的能量密度是研究的關(guān)鍵領(lǐng)域,因?yàn)樗苯佑绊戨姵氐娜萘俊⑦\(yùn)行時(shí)間和尺寸方面的性能。鋰離子電池的能量密度主要由負(fù)極、正極和電解質(zhì)中使用的材料決定。以下是從這三個(gè)角度提高能量密度的策略:
1、負(fù)極改進(jìn)
負(fù)極材料在決定鋰離子電池的整體容量方面起著至關(guān)重要的作用。負(fù)極的能量密度取決于其高效存儲(chǔ)和釋放鋰離子的能力。
高鎳負(fù)極:在層狀氧化物負(fù)極(如NMC、NCA)中增加鎳含量,可以顯著提升能量密度,因?yàn)殒嚹軌虼鎯?chǔ)比鈷更多的鋰離子。
NMC:由于其能量密度、成本和安全性之間的良好平衡,NMC成為受歡迎的選擇。對(duì)其成分和結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化可以帶來(lái)性能提升。鎳含量更高的材料(例如含有80%鎳的NCM 811)能夠提高能量密度。
2、正極改進(jìn)
正極材料在決定電池的儲(chǔ)能能力方面同樣重要。傳統(tǒng)上,石墨被用作正極材料,但有多種方法可以改進(jìn)正極,從而提高能量密度。
硅基正極:硅的理論容量遠(yuǎn)高于石墨(約為4,200 mAh/g,而石墨為372 mAh/g),這意味著硅能夠存儲(chǔ)更多的鋰離子。然而,硅正極在充放電循環(huán)中容易發(fā)生體積膨脹和機(jī)械退化,這會(huì)降低電池的循環(huán)壽命。解決這一問(wèn)題的方法包括使用硅碳復(fù)合材料、納米結(jié)構(gòu)硅或硅氧化物來(lái)減輕膨脹問(wèn)題。
鋰金屬正極:鋰金屬正極的理論容量甚至高于硅(約為3,860 mAh/g),但在循環(huán)過(guò)程中形成的枝晶會(huì)導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)并縮短循環(huán)壽命。固體電解質(zhì)和先進(jìn)的表面涂層是潛在的解決方案。
3、電解質(zhì)改進(jìn)
鋰離子電池中的電解質(zhì)促進(jìn)鋰離子在正極和負(fù)極之間的流動(dòng)。其成分可以影響電池的能量密度、穩(wěn)定性和安全性。
固體電解質(zhì):固體電解質(zhì)(如陶瓷或硫化物基電解質(zhì))可以替代液體電解質(zhì)。它們具有高離子傳導(dǎo)性、更高的安全性(不可燃)以及可能使用鋰金屬正極的潛力,從而實(shí)現(xiàn)更高的能量密度。
離子液體和聚合物電解質(zhì):離子液體是不可燃、耐高溫的電解質(zhì),有助于提高電池的安全性和穩(wěn)定性,同時(shí)可能實(shí)現(xiàn)更高的能量密度。聚合物電解質(zhì)具有柔韌性,可根據(jù)固體應(yīng)用的需求進(jìn)行定制,有助于提高安全性,并可能提高體積能量密度。
隨著對(duì)更高效、更持久的能源需求持續(xù)增長(zhǎng),開(kāi)發(fā)高能量密度電池仍然是創(chuàng)新的關(guān)鍵領(lǐng)域。從負(fù)極和正極材料的進(jìn)步到固體電解質(zhì)的潛力,研究人員正在不斷突破極限,以提高電池性能。格瑞普的高能量密度半固態(tài)電池采用先進(jìn)的高鎳NMC負(fù)極材料、硅碳正極材料和涂層隔膜技術(shù),最大能量密度高達(dá)350 Wh/kg。這使得它成為無(wú)人機(jī)、仿人機(jī)器人和消費(fèi)電子產(chǎn)品等需要輕便且高性能電源的應(yīng)用領(lǐng)域的理想選擇,其中重量是一個(gè)關(guān)鍵因素。
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