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锂电池能量密度剖析,怎样进步锂电池能量密度?

W88LARGE  |  点击量:3687次  |  2020年10月26日  

摘要
能量密度(Energydensity)是指在单位必定的空间或质量物质中贮存能量的巨细。电池的能量密度也便是电池均匀单位体积或质量所释放出的电能。电池的能量密度一般分分量能量密度和体积能量密度两个维度。

什么是能量密度?

能量密度(Energydensity)是指在单位必定的空间或质量物质中贮存能量的巨细。电池的能量密度也便是电池均匀单位体积或质量所释放出的电能。电池的能量密度一般分分量能量密度和体积能量密度两个维度。


电池分量能量密度=电池容量×放电渠道/分量,根本单位为Wh/kg(瓦时/千克)


电池体积能量密度=电池容量×放电渠道/体积,根本单位为Wh/L(瓦时/升)


电池的能量密度越大,单位体积、或分量内存储的电量越多。


什么是单体能量密度?


电池的能量密度常常指向两个不同的概念,一个是单体电芯的能量密度,一个是电池系统的能量密度。


电芯是一个电池系统的最小单元。M个电芯组成一个模组,N个模组组成一个电池包,这是车用动力电池的根本结构。


单体电芯能量密度,望文生义是单个电芯等级的能量密度。


依据《我国制造2025》清晰了动力电池的开展规划:2020年,电池能量密度到达300Wh/kg;2025年,电池能量密度到达400Wh/kg;2030年,电池能量密度到达500Wh/kg。这儿指的便是单个电芯等级的能量密度。


什么是系统能量密度?


系统能量密度是指单体组合完成后的整个电池系统的电量比整个电池系统的分量或体积。因为电池系统内部包括电池办理系统,热办理系统,凹凸压回路等占有了电池系统的部分分量和内部空间,因而电池系统的能量密度都比单体能量密度低。


系统能量密度=电池系统电量/电池系统分量OR电池系统体积


终究是什么约束了锂电池的能量密度?


电池背面的化学系统是首要原因难逃其咎。


一般来说,锂电池的四个部分十分要害:正极,负极,电解质,膈膜。正负极是产生化学反应的当地,相当于任督二脉,重要位置可见一斑。咱们都知道以三元锂为正极的电池包系统能量密度要高于以磷酸铁锂为正极的电池包系统。这是为什么呢?


现有的锂离子电池负极资料多以石墨为主,石墨的理论克容量372mAh/g。正极资料磷酸铁锂理论克容量只要160mAh/g,而三元资料镍钴锰(NCM)约为200mAh/g。


依据木桶理论,水位的凹凸决议于木桶最矮处,锂离子电池的能量密度下限取决于正极资料。


磷酸铁锂的电压渠道是3.2V,三元的这一目标则是3.7V,两相比较,能量密度高低立分:16%的差额。


当然,除了化学系统,出产工艺水平如压实密度、箔材厚度等,也会影响能量密度。一般来说,压实密度越大,在有限空间内,电池的容量就越高,所以主材的压实密度也被看做电池能量密度的参阅目标之一。


在《大国重器II》第四会集,宁德年代选用了6微米铜箔,运用先进的工艺水平,进步了能量密度。


假如你能坚持每行读下来一向读到这儿。祝贺,你对电池的了解现已上了一个层次。


怎样进步能量密度呢?


新资料系统的选用、锂电池结构的精调、制造才能的进步是研制工程师“多财善贾”的三块舞台。下面,咱们会从单体和系统两个维度进行解说。


——单体能量密度,首要依托化学系统的打破


1、增大电池规范


电池厂家能够经过增大本来电池规范来到达电量扩容的效果。咱们最了解的比如莫过于:首先运用松下18650电池的闻名电动车企特斯拉将换装新款21700电池。


可是电芯“变胖”或许“长个”仅仅治标,并不治本。釜底抽薪的办法,是从构成电池单元的正负极资料以及电解液成分中,找到进步能量密度的要害技能。


2、化学系统革新


前面说到,电池的能量密度受制于由电池的正负极。因为现在负极资料的能量密度远大于正极,所以进步能量密度就要不断晋级正极资料。


高镍正极


三元资料通指镍钴锰酸锂氧化物大家族,咱们能够经过改动镍、钴、锰这三种元素的份额来改动电池的功能。


在图硅碳负极


硅基负极资料的比容量能够到达4200mAh/g,远高于石墨负极理论比容量的372mAh/g,因而成为石墨负极的有力替代者。


现在,用硅碳复合资料来进步电池能量密度的办法,已是业界公认的锂离子电池负极资料开展方向之一。特斯拉发布的Model3就选用了硅碳负极。


在未来,假如想要百尺竿头更进一步——打破单体电芯350Wh/kg的关口,业界同行们或许需求着眼于锂金属负极型的电池系统,不过这也意味着整个电池制造工艺的更迭与精进。中几种典型三元资猜中能够看出,镍的占比越来越高,钴的占比越来越低。镍的含量越高,意味着电芯的比容量就越高。别的,因为钴资源稀缺,进步镍的份额,将下降的下降钴的运用量。


3、系统能量密度:进步电池包的成组功率


电池包的成组检测的是电池“攻城狮“们对单体电芯和模组排兵布阵的才能,需求以安全性为条件,最大程度地运用每一寸空间。


电池包的“减肥”首要有以下几种办法。


优化排布结构


从外形规范方面,能够优化系统内部的安置,让电池包内部零部件排布愈加紧凑高效。


拓扑优化


咱们经过仿真核算在保证刚强度及结构牢靠性的条件下,完成减重规划。经过该技能,能够完成拓扑优化和描摹优化终究协助完成电池箱体轻量化。


选材


咱们能够挑选低密度资料,如电池包上盖现已从传统的钣金上盖逐渐转变为复合资料上盖,能够减重约35%。针对电池包下箱体,现已从传统的钣金计划逐渐转变为铝型材的计划,减分量约40%,轻量化效果显着。


整车一体化规划


整车一体化规划与整车结构规划通盘考虑,尽或许同享、共用结构件,例如防磕碰规划,完成极致的轻量化


电池是一个很全方位的产品,你要进步某一方面的功能,或许会献身其他方面的功能,这是电池规划研制的了解根底。动力电池归于车载专用,因而能量密度不是衡量电池质量的仅有规范。

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