Lo sviluppo dei veicoli elettrici è in pieno svolgimento e la batteria di alimentazione è una delle parti più importanti. Il suo sviluppo ha un effetto decisivo sulla durata della batteria e sulla sicurezza dei veicoli elettrici. Di recente, sentiamo spesso alcuni termini come batterie allo stato solido, batterie gelatinose di SVOLT, cella ternaria al nichel 55 di NIO, motori IM drogati con silicio per integrare il litio e tecnologia CTP/CTC. Infatti, con tante indicazioni tecniche, lo scopo fondamentale è migliorare la densità energetica e la sicurezza della batteria. In questo articolo, l'editor ti porterà a sistemare i percorsi tecnici ad esso correlati.

Modi per migliorare la densità di energia e la sicurezza

Gli ingegneri si sono scervellati per aumentare la densità di energia del pacco batteria, utilizzando due percorsi simili: aumentare la densità della cella della batteria e aumentare la densità del sistema (pacchetto batteria). Naturalmente, mentre si migliora la densità energetica, la sicurezza è sempre la priorità assoluta. Al fine di migliorare la densità energetica e la sicurezza della batteria, quali sforzi ha compiuto la maggior parte degli ingegneri e quali nuove tecnologie stanno emergendo attualmente? Ora discuteremo con le ultime notizie.

Aumenta la densità di energia delle batterie

Il nucleo della batteria è composto da tre parti, l'elettrodo positivo, l'elettrodo negativo e l'elettrolita tra gli elettrodi positivo e negativo. Per aumentare la densità di energia, iniziamo con questi tre aspetti. Diamo un'occhiata a loro uno per uno.

Catodo-Nickel 55 materiale monocristallo

Il pacco batteria da 100 kWh recentemente rilasciato da NIO, che è la batteria "solo fumo ma nessun fuoco" precedentemente annunciato dal CATL, ha aumentato la sua densità di energia del 37% senza modificare le dimensioni del guscio del pacco batteria e quasi nessun aumento di peso. ricaricare il chilometraggio. La cella ternaria in nichel 55 utilizzata nella nuova batteria è un fattore importante per aumentare la densità di energia. Il suo materiale catodico è un materiale monocristallino ad alta tensione. Cos'è il cristallo singolo? Prima di rispondere a questa domanda, diamo un'occhiata alla direzione tecnica dei materiali catodici.

La cosiddetta batteria al litio "ternaria" si riferisce ai tre elementi di nichel, cobalto e manganese (NCM) nel materiale dell'elettrodo positivo. Il nichel viene utilizzato per aumentare la capacità e il cobalto viene utilizzato per stabilizzare la struttura. Il ruolo del manganese è quello di ridurre i costi e migliorare la stabilità strutturale del materiale. Maggiore è il rapporto di nichel e minore è il rapporto di cobalto e manganese, maggiore è la densità di energia, ma la sicurezza è ridotta.

Per aumentare la densità di energia, il rapporto NCM è stato aumentato da "111 (N:C:M=1:1:1)" a "523" e poi a "811". Questo percorso è sempre stato la direzione principale per lo sviluppo di materiali catodici ternari. L'altra direzione corrisponde alla via del cristallo singolo (il punto chiave è qui). Il catodo della batteria appena rilasciato utilizza materiali della serie 5 a cristallo singolo. I materiali a cristallo singolo sono più adatti per l'alta tensione. Attualmente, la maggior parte dei materiali catodici ternari commercializzati sono materiali policristallini sferici secondari di circa 10 micron formati dall'agglomerazione di particelle primarie di livello nanometrico. Per coloro che non hanno il concetto di policristallino e monocristallo, fare riferimento a sabbia di quarzo e vetro. Entrambi sono silice. La sabbia di quarzo è un materiale policristallino,

Ci sono un gran numero di bordi di grano nell'NCM policristallino. Durante il processo di carica e scarica della batteria, a causa del cambiamento anisotropico del reticolo cristallino, l'NCM policristallino è soggetto a rotture del bordo del grano, causando la rottura delle particelle secondarie, della superficie specifica e della coppia di interfaccia La risposta aumenta rapidamente, il che porta ad un aumento dell'impedenza della batteria e un rapido calo delle prestazioni. Non vi è alcun bordo di grano all'interno del materiale ternario monocristallino, che può affrontare efficacemente il problema della frattura del bordo di grano e il degrado delle prestazioni da esso causato. Pertanto, la struttura a cristallo singolo può ottenere una tensione più elevata, non solo, ma migliora anche la stabilità del ciclo del materiale ternario e migliora notevolmente la sicurezza della batteria. Questo è il materiale del catodo,

Che cos'è la tecnologia delle "batterie al litio drogate con silicio"?

La densità degli elettrodi negativi di grafite delle tradizionali batterie agli ioni di litio è bassa. Al fine di perseguire l'alta densità, i nuovi materiali per elettrodi negativi silicio carbonio e silicio ossigeno sono diventati nuovi hotspot perseguiti dalle imprese. Tuttavia, il silicio-ossigeno avrà per la prima volta il problema della bassa efficienza e la necessità di integrare il litio. Durante la prima carica e scarica delle batterie liquide agli ioni di litio, il materiale dell'elettrodo e l'elettrolita reagiscono all'interfaccia solido-liquido per formare uno strato di passivazione che copre la superficie del materiale dell'elettrodo. Questo strato di passivazione è uno strato di interfaccia con le caratteristiche di un elettrolita solido. È un isolante elettronico ma un ottimo conduttore di Li+. Li+ può essere incorporato ed estratto liberamente attraverso lo strato di passivazione. Pertanto, questo film di passivazione si chiama " "Solid electrolyte interface" (interfaccia elettrolita solido) è abbreviato come pellicola SEI (l'elettrodo positivo ha anche strati di formazione di pellicola, ma in questa fase si ritiene che il suo impatto sulla batteria sia di gran lunga inferiore alla pellicola SEI sulla superficie di l'elettrodo negativo). Il processo di integrazione del litio con elettrodo negativo al carbonio al silicio consiste nel pre-rivestire uno strato di metallo al litio sulla superficie dell'elettrodo negativo al carbonio al silicio. Il rivestimento è a stretto contatto con l'elettrodo negativo. Dopo che l'elettrolita è stato versato nell'elettrodo negativo, reagirà con l'elettrodo negativo e sarà incorporato nelle particelle dell'elettrodo negativo. Compensare gli ioni di litio necessari per formare o riparare il film SEI durante la prima carica e scarica o ciclo. Rispetto al processo di integrazione al litio con elettrodo negativo difficile e ad alto input, il processo di integrazione al litio con elettrodo positivo è molto più semplice. Il tipico processo di integrazione di litio con elettrodo positivo consiste nell'aggiungere una piccola quantità di materiale per elettrodo positivo ad alta capacità al processo di omogeneizzazione dell'elettrodo positivo. Durante il processo di carica, l'elemento Li in eccesso viene estratto da questi materiali per elettrodi positivi ricchi di litio e inserito nell'elettrodo negativo per integrare la capacità irreversibile della prima carica e scarica. Attraverso questo complicato processo di ricostituzione del litio, è possibile aumentare la densità del materiale dell'elettrodo negativo. Al momento, non è noto che tipo di tecnologia sia IM Motors, ma è fondamentalmente una conclusione scontata che IM Motors utilizzerà questa batteria al litio di fascia alta.

Elettrolito: batteria allo stato solido

L'8 dicembre, ora locale, Quantum Scape ha annunciato la notizia della sua ultima batteria a stato solido e ha dichiarato che la batteria sarà messa in produzione nel 2024. Questo tipo di batterie a stato solido presenta un miglioramento significativo rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio: possono aumentare dell'80% l'autonomia di crociera dei veicoli elettrici. Discutiamo cos'è una batteria a stato solido e quali sono i suoi vantaggi.

Mentre si aumenta la densità di energia della batteria, la sicurezza della batteria è un problema che deve essere considerato. L'eliminazione fondamentale dei rischi per la sicurezza delle batterie agli ioni di litio è ancora nel miglioramento della sicurezza dei materiali delle batterie. Ma per i materiali catodici, questi due aspetti sono contraddittori. Ad esempio, come accennato in precedenza, l'aumento del contenuto di nichel può aumentare la densità di energia, ma l'aumento del contenuto di nichel significa una minore sicurezza. C'è un modo per migliorare la sicurezza della batteria da altri aspetti, in modo da aumentare la densità di energia in modo più sicuro? In questo momento, è necessario considerare dal punto di vista dell'elettrolito. Un gran numero di studi ha dimostrato che l'elettrolita liquido partecipa alla maggior parte delle reazioni nel processo di fuga termica della batteria, e riduce notevolmente la temperatura di reazione iniziale della batteria, il che significa che la soglia per l'instabilità termica diventa più bassa. Pertanto, il miglioramento della sicurezza dell'elettrolito è uno dei modi più efficaci per ottenere la sicurezza della batteria. Le proprietà fisiche dell'elettrolita liquido determinano che non può sempre evitare perdite e inoltre non è favorevole a ridurre il volume della batteria e quindi aumentare la densità di energia. Pertanto, al fine di migliorare la densità di energia e la sicurezza, la solidificazione dell'elettrolita è diventata una tendenza. Chiamiamo una batteria in cui gli elettrodi e l'elettrolita sono entrambi batterie allo stato solido. La cella della batteria allo stato solido non contiene liquido, che non solo è più sicuro, ma può anche essere assemblata prima in serie e in parallelo, riducendo il materiale utilizzato per il guscio di imballaggio,

Simile alle tradizionali batterie al litio, le batterie allo stato solido sono costituite da un elettrodo positivo, un elettrodo negativo e un elettrolita. La sua struttura è più semplice delle tradizionali batterie al litio e l'elettrolita solido svolge la doppia funzione di elettrolita e separatore. Non vi è alcuna differenza essenziale tra il materiale dell'elettrodo positivo e la tradizionale batteria al litio. I materiali dell'anodo sono materiali per anodi metallici al litio, materiali per anodi del gruppo di carbonio e materiali per anodi di ossido. Per le batterie allo stato solido, la ricerca e lo sviluppo di elettroliti allo stato solido sono le più importanti. Esistono molti tipi di materiali, inclusi ossidi, solfuri, polimeri ed elettroliti solidi compositi.

Oltre alle batterie al litio liquido su larga scala e alle batterie allo stato solido in fase di ricerca, una batteria semi-solida-gelatina è entrata nel campo visivo delle persone. A dicembre 2020, Honeyco mb Energy ha preso l'iniziativa nel rilasciare la batteria di gelatina e nell'accettare gli ordini. La batteria Jelly è una batteria al litio che utilizza un nuovo tipo di elettrolita gelatinoso. Questo elettrolita di tipo gel può adattarsi meglio alla superficie del materiale dell'elettrodo. Ha le caratteristiche di autorigenerante e ritardante di fiamma. Allo stesso tempo, viene impedita la diffusione del calore. Si può dire che le batterie Jelly rappresentino una transizione dalle batterie liquide alle batterie allo stato solido.

Densità di sistema aumentata: nuova tecnologia del pacco batteria

Oltre ad aumentare la densità di energia delle celle della batteria, è anche un modo per aumentare la densità di energia delle batterie avendo più batterie in un pacco batteria della stessa dimensione e peso. Ecco una breve introduzione all'attuale tecnologia relativamente nuova del pacco batteria.

Rimuovere l'imballaggio interno: la tecnologia Cell to Pack (CTP):

Generalmente una batteria non ha solo un pacco batterie nella parte più esterna, ma anche un gruppo di "moduli" formato da un gruppo di celle all'interno. Il cosiddetto CTP non è modulare e le celle sono impacchettate direttamente. Attualmente è una scelta importante per le aziende aumentare la densità di energia. CATL, BYD e Honeycomb Energy hanno tutti lanciato la tecnologia del pacco batteria senza modulo. La batteria a lama BYD, che era relativamente popolare qualche tempo fa, si basa su batterie al litio ferro fosfato e utilizza un design senza moduli per migliorare l'utilizzo dello spazio.

Tutti gli imballaggi interni e l'outsourcing vengono rimossi: tecnologia Cell to Chassis (CTC):

Il giorno della batteria di Tesla, è stata proposta una soluzione di batteria strutturale, in cui la batteria è direttamente integrata nella struttura dell'auto (vedi il precedente articolo di Long Ge "Interpretazione delle informazioni sulla giornata della batteria di Tesla"). Questa tecnologia strutturata della batteria è simile alla tecnologia CTC precedentemente proposta dal CATL. Questa tecnologia integra la cella della batteria e il telaio, quindi integra il motore, il controllo elettronico e il sistema ad alta tensione del veicolo attraverso un'architettura innovativa. Il controller di dominio di alimentazione ottimizza la distribuzione dell'alimentazione e riduce il consumo di energia.

Osservazioni conclusive

Attraverso l'introduzione di cui sopra, crediamo che tutti abbiano una certa comprensione delle nuove tecnologie relative alle batterie. Sebbene la commercializzazione di batterie completamente a stato solido richieda ancora un'attesa paziente, riteniamo che le batterie semisolide, i materiali monocristallini positivi e la tecnologia di integrazione del litio drogata con silicio saranno sperimentati da noi nel prossimo futuro.