O desenvolvimento de veículos elétricos está em pleno andamento, e a bateria de energia é uma das partes mais importantes. Seu desenvolvimento tem um efeito decisivo na vida útil da bateria e na segurança dos veículos elétricos. Recentemente, muitas vezes ouvimos alguns termos como baterias de estado sólido, baterias de gelatina da SVOLT, célula ternária de níquel 55 da NIO, motores IM dopados com silício para complementar o lítio e tecnologia CTP/CTC. De fato, com tantas orientações técnicas, o objetivo fundamental é melhorar a densidade de energia e a segurança da bateria. Neste artigo, o editor o levará a classificar os caminhos técnicos relacionados a ele.

Maneiras de melhorar a densidade de energia e a segurança

Os engenheiros quebraram a cabeça para aumentar a densidade de energia da bateria, usando dois caminhos semelhantes: aumentando a densidade da célula da bateria e aumentando a densidade do sistema (bateria). É claro que, ao mesmo tempo em que melhora a densidade de energia, a segurança é sempre a principal prioridade. Para melhorar a densidade de energia e a segurança da bateria, que esforços a maioria dos engenheiros fez e quais novas tecnologias estão surgindo atualmente? Agora vamos discutir com as últimas notícias.

Aumente a densidade de energia das baterias

O núcleo da bateria é composto por três partes, o eletrodo positivo, o eletrodo negativo e o eletrólito entre os eletrodos positivo e negativo. Para aumentar a densidade de energia, começamos com esses três aspectos. Vamos olhar para eles um por um.

Material de cristal único de cátodo-níquel 55

A bateria de 100kWh lançada recentemente pela NIO, que é a bateria “única fumaça, mas sem fogo” anunciada anteriormente pela CATL, aumentou sua densidade de energia em 37% sem alterar o tamanho do invólucro da bateria e quase sem aumento de peso. recarregar quilometragem. A célula ternária de níquel 55 usada na nova bateria é um fator importante no aumento da densidade de energia. Seu material de cátodo é um material de cristal único de alta tensão. O que é monocristal? Antes de responder a esta pergunta, vamos dar uma olhada na direção técnica dos materiais catódicos.

A chamada bateria de lítio "ternária" refere-se aos três elementos de níquel, cobalto e manganês (NCM) no material do eletrodo positivo. O níquel é usado para aumentar a capacidade e o cobalto é usado para estabilizar a estrutura. O papel do manganês é reduzir custos e melhorar a estabilidade estrutural do material. Quanto maior a proporção de níquel e menor a proporção de cobalto e manganês, maior a densidade de energia, mas a segurança é reduzida.

Para aumentar a densidade de energia, a relação NCM foi aumentada de "111 (N:C:M=1:1:1)" para "523" e depois para "811". Esta rota sempre foi a principal direção para o desenvolvimento de materiais de cátodos ternários. A outra direção corresponde à rota de cristal único (o ponto chave está aqui). O cátodo de bateria recém-lançado usa materiais da série 5 de cristal único. Materiais de cristal único são mais adequados para alta tensão. Atualmente, a maioria dos materiais catódicos ternários comercializados são materiais policristalinos esféricos secundários de cerca de 10 mícrons formados por aglomeração de partículas primárias de nível nano. Para quem não tem noção de policristalino e monocristal, consulte areia de quartzo e vidro. Ambos são sílica. A areia de quartzo é um material policristalino,

Há um grande número de contornos de grão no NCM policristalino. Durante o processo de carga e descarga da bateria, devido à mudança da rede cristalina anisotrópica, o NCM policristalino é propenso a rachaduras no contorno de grão, fazendo com que as partículas secundárias se quebrem, a área de superfície específica e o par de interface A resposta aumenta rapidamente, o que leva a um aumento na impedância da bateria e um rápido declínio no desempenho. Não há limite de grão dentro do material ternário de cristal único, o que pode efetivamente lidar com o problema de fratura do contorno de grão e a degradação de desempenho causada por ele. Portanto, a estrutura de cristal único pode atingir uma tensão mais alta, não apenas isso, mas também melhora a estabilidade do ciclo do material ternário e melhora muito a segurança da bateria. Este é o material do cátodo,

O que é a tecnologia "célula de bateria de lítio dopada com silício"?

A densidade dos eletrodos negativos de grafite das baterias tradicionais de íons de lítio é baixa. A fim de buscar alta densidade, novos materiais de eletrodos negativos, carbono de silício e oxigênio de silício, tornaram-se novos pontos de acesso procurados pelas empresas. No entanto, o silício-oxigênio terá pela primeira vez o problema da baixa eficiência e a necessidade de suplementar o lítio. Durante a primeira carga e descarga de baterias líquidas de íons de lítio, o material do eletrodo e o eletrólito reagem na interface sólido-líquido para formar uma camada de passivação cobrindo a superfície do material do eletrodo. Esta camada de passivação é uma camada de interface com as características de um eletrólito sólido. É um isolante eletrônico, mas um excelente condutor de Li+. O Li+ pode ser incorporado e extraído livremente através da camada de passivação. Portanto, este filme de passivação é chamado de " A "interface de eletrólito sólido" (interface de eletrólito sólido) é abreviada como filme SEI (o eletrodo positivo também possui camadas de formação de filme, mas nesta fase acredita-se que seu impacto na bateria seja muito menor do que o filme SEI na superfície do o eletrodo negativo). O processo de suplemento de lítio do eletrodo negativo de carbono de silício é pré-revestir uma camada de metal de lítio na superfície do eletrodo negativo de carbono de silício. O revestimento está em contato próximo com o eletrodo negativo. Depois que o eletrólito é derramado no eletrodo negativo, ele reagirá com o eletrodo negativo e será incorporado nas partículas do eletrodo negativo. Compensa os íons de lítio necessários para formar ou reparar o filme SEI durante a primeira carga e descarga ou ciclo. Comparado com o processo de suplemento de lítio de eletrodo negativo difícil e de alta entrada, o processo de suplemento de lítio de eletrodo positivo é muito mais simples. O processo típico de suplemento de lítio de eletrodo positivo é adicionar uma pequena quantidade de material de eletrodo positivo de alta capacidade ao processo de homogeneização de eletrodo positivo. Durante o processo de carregamento, o excesso de elemento Li é extraído desses materiais de eletrodos positivos ricos em lítio e inserido no eletrodo negativo para complementar a capacidade irreversível da primeira carga e descarga. Através deste complicado processo de reposição de lítio, a densidade do material do eletrodo negativo pode ser aumentada. Atualmente, não se sabe que tipo de tecnologia é a IM Motors, mas é basicamente uma conclusão precipitada que a IM Motors usará esta bateria de lítio de última geração.

Eletrólito—Bateria de Estado Sólido

Em 8 de dezembro, horário local, a Quantum Scape anunciou a novidade de sua mais recente bateria de estado sólido e afirmou que a bateria será colocada em produção em 2024. Esse tipo de bateria de estado sólido tem uma melhoria significativa em relação às baterias tradicionais de íons de lítio: eles podem aumentar a autonomia dos veículos elétricos em 80%. Vamos discutir o que é uma bateria de estado sólido e quais são seus benefícios.

Ao aumentar a densidade de energia da bateria, a segurança da bateria é uma questão que deve ser considerada. A eliminação fundamental dos riscos de segurança das baterias de íons de lítio ainda está na melhoria da segurança dos materiais das baterias. Mas para materiais catódicos, esses dois aspectos são contraditórios. Por exemplo, como mencionado anteriormente, aumentar o teor de níquel pode aumentar a densidade de energia, mas o aumento do teor de níquel significa menor segurança. Existe alguma maneira de aumentar a segurança da bateria de outros aspectos, de modo a aumentar a densidade de energia com mais segurança? Neste momento, é necessário considerar do ponto de vista do eletrólito. Um grande número de estudos mostrou que o eletrólito líquido participa da maioria das reações no processo de fuga térmica da bateria, e reduz bastante a temperatura de reação inicial da bateria, o que significa que o limite para fuga térmica fica mais baixo. Portanto, melhorar a segurança do eletrólito é uma das maneiras mais eficazes de alcançar a segurança da bateria. As propriedades físicas do eletrólito líquido determinam que ele nem sempre pode evitar vazamentos e também não é propício para reduzir o volume da bateria e, assim, aumentar a densidade de energia. Portanto, para melhorar a densidade de energia e a segurança, a solidificação do eletrólito tornou-se uma tendência. Chamamos uma bateria na qual os eletrodos e o eletrólito são baterias de estado sólido. A célula de bateria de estado sólido não contém líquido, o que não é apenas mais seguro, mas também pode ser montado em série e paralelo primeiro, reduzindo o material usado para o invólucro da embalagem,

Semelhante às baterias de lítio tradicionais, as baterias de estado sólido consistem em um eletrodo positivo, um eletrodo negativo e um eletrólito. Sua estrutura é mais simples que as baterias de lítio tradicionais, e o eletrólito sólido atua como a dupla função de eletrólito e separador. Não há diferença essencial entre o material do eletrodo positivo e a bateria de lítio tradicional. Os materiais anódicos são materiais anódicos metálicos de lítio, materiais anódicos de grupo de carbono e materiais anódicos de óxido. Para baterias de estado sólido, a pesquisa e desenvolvimento de eletrólitos de estado sólido são os mais importantes. Existem muitos tipos de materiais, incluindo óxidos, sulfetos, polímeros e eletrólitos sólidos compostos.

Além de baterias de lítio líquido em grande escala e baterias de estado sólido em pesquisa, uma bateria semi-sólida - bateria gelatinosa - entrou no campo de visão das pessoas. Em dezembro de 2020, Honeyco A mb Energy assumiu a liderança no lançamento da bateria de gelatina e na aceitação de pedidos. A bateria gelatinosa é uma bateria de lítio que usa um novo tipo de eletrólito gelatinoso. Este eletrólito do tipo gel pode se ajustar melhor à superfície do material do eletrodo. Tem as características de auto-cura e retardador de chama. Ao mesmo tempo, a difusão de calor é evitada. Pode-se dizer que as baterias de gelatina são uma transição de baterias líquidas para baterias de estado sólido.

Maior densidade do sistema - Nova tecnologia de bateria

Além de aumentar a densidade de energia das células da bateria, também é uma maneira de aumentar a densidade de energia das baterias ao ter mais baterias em uma bateria do mesmo tamanho e peso. Aqui está uma breve introdução à tecnologia atual de bateria relativamente nova.

Remova a tecnologia de embalagem interna-Cell to Pack (CTP):

Geralmente, uma bateria não possui apenas uma bateria na parte mais externa, mas também um grupo de "módulos" formados por um grupo de células em seu interior. O chamado CTP é a não modularização, e as células são empacotadas diretamente. Atualmente, é uma grande escolha para as empresas aumentarem a densidade de energia. CATL, BYD e Honeycomb Energy lançaram a tecnologia de bateria sem módulo. A bateria blade BYD, que era relativamente popular há algum tempo, é baseada em baterias de fosfato de ferro e lítio e usa um design sem módulo para melhorar a utilização do espaço.

Todas as embalagens internas e terceirizadas são removidas - tecnologia Cell to Chassis (CTC):

No dia da bateria da Tesla, foi proposta uma solução de bateria estrutural, na qual a bateria é diretamente embutida na estrutura do carro (consulte o artigo anterior de Long Ge "Interpretation of Tesla Battery Day Information"). Esta tecnologia de bateria estruturada é semelhante à tecnologia CTC proposta anteriormente pelo CATL. Essa tecnologia integra a célula da bateria e o chassi e, em seguida, integra o motor, o controle eletrônico e o sistema de alta tensão do veículo por meio de uma arquitetura inovadora. O controlador de domínio de energia otimiza a distribuição de energia e reduz o consumo de energia.

Observações finais

Através da introdução acima, acreditamos que todos têm uma certa compreensão das novas tecnologias relacionadas a baterias. Embora a comercialização de baterias totalmente de estado sólido ainda exija que esperemos pacientemente, acreditamos que baterias de estado semi-sólido, materiais monocristalinos positivos e tecnologia de suplemento de lítio dopado com silício serão experimentados por nós em um futuro próximo.