El desarrollo de vehículos eléctricos está en pleno apogeo, y la batería de energía es una de las partes más importantes. Su desarrollo tiene un efecto decisivo en la vida útil de la batería y la seguridad de los vehículos eléctricos. Recientemente, a menudo escuchamos algunos términos como baterías de estado sólido, baterías de gelatina de SVOLT, celda ternaria de níquel 55 de NIO, motores IM dopados con silicio para complementar el litio y tecnología CTP/CTC. De hecho, con tantas direcciones técnicas, el propósito fundamental es mejorar la densidad de energía y la seguridad de la batería. En este artículo, el editor lo llevará a ordenar las rutas técnicas relacionadas con él.

Formas de mejorar la densidad energética y la seguridad

Los ingenieros se devanaron los sesos para aumentar la densidad de energía del paquete de baterías, utilizando dos caminos similares: aumentar la densidad de la celda de la batería y aumentar la densidad del sistema (paquete de baterías). Por supuesto, mientras se mejora la densidad de energía, la seguridad es siempre la máxima prioridad. Para mejorar la densidad energética y la seguridad de la batería, ¿qué esfuerzos han realizado la mayoría de los ingenieros y qué nuevas tecnologías están surgiendo actualmente? Ahora vamos a discutir con las últimas noticias.

Aumentar la densidad de energía de las baterías.

El núcleo de la batería se compone de tres partes, el electrodo positivo, el electrodo negativo y el electrolito entre los electrodos positivo y negativo. Para aumentar la densidad de energía, comenzamos con estos tres aspectos. Veámoslos uno por uno.

Material de cristal único de cátodo-níquel 55

El paquete de baterías de 100kWh lanzado recientemente por NIO, que es la batería "solo humo pero no fuego" anunciada previamente por CATL, ha aumentado su densidad de energía en un 37% sin cambiar el tamaño de la carcasa del paquete de baterías y casi sin aumento de peso. kilometraje de recarga. La celda ternaria de níquel 55 utilizada en la nueva batería es un factor importante para aumentar la densidad de energía. Su material de cátodo es un material monocristalino de alto voltaje. ¿Qué es un solo cristal? Antes de responder a esta pregunta, echemos un vistazo a la dirección técnica de los materiales del cátodo.

La llamada batería de litio "ternaria" se refiere a los tres elementos de níquel, cobalto y manganeso (NCM) en el material del electrodo positivo. El níquel se usa para aumentar la capacidad y el cobalto se usa para estabilizar la estructura. El papel del manganeso es reducir costos y mejorar la estabilidad estructural del material. Cuanto mayor sea la proporción de níquel y menor la proporción de cobalto y manganeso, mayor será la densidad de energía, pero se reducirá la seguridad.

Para aumentar la densidad de energía, la relación NCM se incrementó de "111 (N:C:M=1:1:1)" a "523" y luego a "811". Esta ruta siempre ha sido la dirección principal para el desarrollo de materiales de cátodo ternario. La otra dirección corresponde a la ruta monocristalina (el punto clave está aquí). El cátodo de la batería recientemente lanzado utiliza materiales de la serie 5 de cristal único. Los materiales monocristalinos son más adecuados para alto voltaje. En la actualidad, la mayoría de los materiales catódicos ternarios comercializados son materiales policristalinos esféricos secundarios de unas 10 micras formados por aglomeración de partículas primarias a nivel nanométrico. Para aquellos que no tienen el concepto de policristalino y cristal único, consulte arena de cuarzo y vidrio. Ambos son de sílice. La arena de cuarzo es un material policristalino,

Hay una gran cantidad de límites de grano en el NCM policristalino. Durante el proceso de carga y descarga de la batería, debido al cambio de la red cristalina anisotrópica, el NCM policristalino es propenso al agrietamiento del límite de grano, lo que hace que las partículas secundarias se rompan, el área de superficie específica y el par de interfaz La respuesta aumenta rápidamente, lo que lleva a un aumento en la impedancia de la batería y una rápida disminución en el rendimiento. No hay un límite de grano dentro del material ternario monocristalino, lo que puede solucionar eficazmente el problema de la fractura del límite de grano y la degradación del rendimiento que provoca. Por lo tanto, la estructura de cristal único puede lograr un voltaje más alto, no solo eso, sino que también mejora la estabilidad del ciclo del material ternario y mejora en gran medida la seguridad de la batería. Este es el material del cátodo,

¿Qué es la tecnología de "células de batería de litio dopadas con silicio"?

La densidad de los electrodos negativos de grafito de las baterías de iones de litio tradicionales es baja. Con el fin de buscar alta densidad, los nuevos materiales de electrodos negativos de carbono de silicio y oxígeno de silicio se han convertido en nuevos puntos de acceso perseguidos por las empresas. Sin embargo, el silicio-oxígeno tendrá el problema de la baja eficiencia por primera vez y la necesidad de complementar el litio. Durante la primera carga y descarga de las baterías de iones de litio líquidas, el material del electrodo y el electrolito reaccionan en la interfaz sólido-líquido para formar una capa de pasivación que cubre la superficie del material del electrodo. Esta capa de pasivación es una capa de interfaz con las características de un electrolito sólido. Es un aislante electrónico pero un excelente conductor de Li+. Li+ se puede incrustar y extraer libremente a través de la capa de pasivación. Por lo tanto, esta película de pasivación se llama " La "interfaz de electrolito sólido" (interfaz de electrolito sólido) se abrevia como película SEI (el electrodo positivo también tiene capas de formación de película, pero en esta etapa se cree que su impacto en la batería es mucho menor que la película SEI en la superficie de el electrodo negativo). El proceso de suplemento de litio del electrodo negativo de carbono de silicio consiste en recubrir previamente una capa de metal de litio en la superficie del electrodo negativo de carbono de silicio. El revestimiento está en estrecho contacto con el electrodo negativo. Después de verter el electrolito en el electrodo negativo, reaccionará con el electrodo negativo y se incrustará en las partículas del electrodo negativo. Compense los iones de litio necesarios para formar o reparar la película SEI durante la primera carga y descarga o ciclo. En comparación con el proceso de suplemento de litio de electrodo negativo difícil y de alta entrada, el proceso de suplemento de litio de electrodo positivo es mucho más simple. El proceso de suplemento de litio de electrodo positivo típico es agregar una pequeña cantidad de material de electrodo positivo de alta capacidad al proceso de homogeneización de electrodo positivo. Durante el proceso de carga, el exceso de elemento Li se extrae de estos materiales de electrodos positivos ricos en litio y se inserta en el electrodo negativo para complementar la capacidad irreversible de la primera carga y descarga. A través de este complicado proceso de reposición de litio, se puede aumentar la densidad del material del electrodo negativo. En la actualidad, no se sabe qué tipo de tecnología es IM Motors, pero básicamente es una conclusión inevitable que IM Motors utilizará esta batería de litio de alta gama.

Electrolito: batería de estado sólido

El 8 de diciembre, hora local, Quantum Scape anunció la noticia de su última batería de estado sólido y afirmó que la batería se pondrá en producción en 2024. Este tipo de baterías de estado sólido tiene una mejora significativa con respecto a las baterías de iones de litio tradicionales: pueden aumentar la autonomía de crucero de los vehículos eléctricos en un 80 %. Analicemos qué es una batería de estado sólido y cuáles son sus beneficios.

Al aumentar la densidad de energía de la batería, la seguridad de la batería es un tema que debe tenerse en cuenta. La eliminación fundamental de los peligros de seguridad de las baterías de iones de litio sigue estando en la mejora de la seguridad de los materiales de la batería. Pero para los materiales catódicos, estos dos aspectos son contradictorios. Por ejemplo, como se mencionó anteriormente, aumentar el contenido de níquel puede aumentar la densidad de energía, pero el aumento del contenido de níquel significa una menor seguridad. ¿Hay alguna forma de mejorar la seguridad de la batería desde otros aspectos, para aumentar la densidad de energía con mayor seguridad? En este momento, es necesario considerar desde la perspectiva del electrolito. Un gran número de estudios han demostrado que el electrolito líquido participa en la mayoría de las reacciones en el proceso de fuga térmica de la batería, y reduce en gran medida la temperatura de reacción inicial de la batería, lo que significa que el umbral de fuga térmica se vuelve más bajo. Por lo tanto, mejorar la seguridad de los electrolitos es una de las formas más efectivas de lograr la seguridad de las baterías. Las propiedades físicas del electrolito líquido determinan que no siempre se pueden evitar las fugas y tampoco es propicio para reducir el volumen de la batería y, por lo tanto, aumentar la densidad de energía. Por lo tanto, para mejorar la densidad de energía y la seguridad, la solidificación del electrolito se ha convertido en una tendencia. Llamamos a una batería en la que los electrodos y el electrolito son ambos baterías de estado sólido. La celda de la batería de estado sólido no contiene líquido, lo que no solo es más seguro, sino que también se puede ensamblar primero en serie y en paralelo, lo que reduce el material utilizado para la carcasa del empaque.

Al igual que las baterías de litio tradicionales, las baterías de estado sólido constan de un electrodo positivo, un electrodo negativo y un electrolito. Su estructura es más simple que las baterías de litio tradicionales, y el electrolito sólido actúa como la doble función de electrolito y separador. No existe una diferencia esencial entre el material del electrodo positivo y la batería de litio tradicional. Los materiales de ánodo son materiales de ánodo de metal de litio, materiales de ánodo de grupo de carbono y materiales de ánodo de óxido. Para las baterías de estado sólido, la investigación y el desarrollo de electrolitos de estado sólido son los más importantes. Hay muchos tipos de materiales, incluidos óxidos, sulfuros, polímeros y electrolitos sólidos compuestos.

Además de las baterías de litio líquido a gran escala y las baterías de estado sólido que se están investigando, una batería de gelatina semisólida ha entrado en el campo de visión de las personas. En diciembre de 2020, Honeyco mb Energy tomó la iniciativa en la liberación de la batería de gelatina y la aceptación de pedidos. La batería de gelatina es una batería de litio que utiliza un nuevo tipo de electrolito gelatinoso. Este electrolito tipo gel puede adaptarse mejor a la superficie del material del electrodo. Tiene las características de autocuración y retardante de llama. Al mismo tiempo, se evita la difusión de calor. Se puede decir que las baterías Jelly son una transición de baterías líquidas a baterías de estado sólido.

Mayor densidad del sistema: nueva tecnología de paquete de baterías

Además de aumentar la densidad de energía de las celdas de la batería, también es una forma de aumentar la densidad de energía de las baterías al tener más baterías en un paquete de baterías del mismo tamaño y peso. Aquí hay una breve introducción a la tecnología actual relativamente nueva de paquetes de baterías.

Retire la tecnología de empaque interno-Cell to Pack (CTP):

Generalmente, una batería no solo tiene un paquete de baterías en la parte más externa, sino también un grupo de "módulos" formados por un grupo de celdas en su interior. El llamado CTP no es modular y las celdas se empaquetan directamente. Actualmente es una opción importante para las empresas para aumentar la densidad de energía. CATL, BYD y Honeycomb Energy han lanzado la tecnología de paquetes de baterías sin módulos. La batería de hoja BYD, que fue relativamente popular hace un tiempo, se basa en baterías de fosfato de hierro y litio y utiliza un diseño sin módulos para mejorar la utilización del espacio.

Se eliminan todos los empaques internos y la subcontratación: tecnología Cell to Chassis (CTC):

En el día de la batería de Tesla, se propuso una solución de batería estructural, en la que la batería está integrada directamente en la estructura del automóvil (consulte el artículo anterior de Long Ge "Interpretación de la información del día de la batería de Tesla"). Esta tecnología de batería estructurada es similar a la tecnología CTC propuesta anteriormente por CATL. Esta tecnología integra la celda de la batería y el chasis, y luego integra el motor, el control electrónico y el sistema de alto voltaje del vehículo a través de una arquitectura innovadora. El controlador de dominio de energía optimiza la distribución de energía y reduce el consumo de energía.

Observaciones finales

A través de la introducción anterior, creemos que todos tienen una cierta comprensión de las nuevas tecnologías relacionadas con las baterías. Si bien la comercialización de baterías de estado sólido aún requiere que esperemos pacientemente, creemos que experimentaremos baterías de estado semisólido, materiales monocristalinos positivos y tecnología de suplemento de litio dopado con silicio en un futuro cercano.