В днешната ера, задвижвана от енергия, клетките на литиевата батерия, тъй като основните компоненти на различни литиеви батерии са начело на технологичните иновации. От процъфтяващото развитие на електрическите превозни средства до широко разпространената популярност на преносимите електронни устройства и до критичната поддръжка на системите за съхранение на енергия за стабилност на мрежата, работата на клетките на литиевата батерия директно определя ефективността на цялата система за съхранение и преобразуване на енергия. През последните години, с нарастващото глобално търсене на чиста енергия и безмилостното стремеж към устойчиво развитие, технологията на литиевите батерии е преживяла експлозивни иновации и пробиви, като донесе нови промени и възможности за енергийни приложения в различни индустрии.
Материални иновации: Отваряне на вратата за подобряване на производителността
Диверсифицирано изследване на положителните електродни материали
Положителните електродни материали играят решаваща роля в клетките на литиевата батерия и техните характеристики до голяма степен определят важни индикатори като енергийна плътност, заряд и изпускане и живот на цикъла на клетките. Въпреки че традиционните катодни материали на литиевия оксид имат високо работещо напрежение и енергийна плътност и са били широко използвани в ранните продукти за електроника на ранната потребителска електроника, тяхното мащабно приложение е ограничено поради недостига на кобалтови ресурси, високи цени и определени опасности за безопасността. През последните години тройни материали (никел кобалт манган оксид литий NCM, никел кобалт алуминиев оксид литий NCA) са широко използвани в областта на електрическите превозни средства поради техните предимства на високата енергийна плътност. Например, енергийната плътност на високите никелови тройни материали (като NCM811) може да достигне 200-300 WH\/kg, което е значително подобрено в сравнение с литиевия кобалтов оксид и значително увеличава обхвата на електрическите превозни средства. В същото време катодните материали от литиев желязо (LFP) демонстрират силна конкурентоспособност в системите за съхранение на енергия и някои електрически превозни средства с високи изисквания за безопасност поради отличната им безопасност, живот на дългия цикъл и ниска цена. С непрекъснатото развитие на технологиите, изследването на модификацията на нови положителни електродни материали като литиев манганов оксид (LMO) и манганни материали, богати на литий, също се изследват активно. Очаква се тези материали да подобрят допълнително цялостната работа на клетките на литиевата батерия в бъдеще и да предоставят по -разнообразен избор за различни сценарии на приложение.
Пътя на промяна в отрицателните електродни материали
Отрицателните електродни материали също се подлагат на дълбоки промени. Дълго време графитът е основният материал за отрицателния електрод на литиевите батерии поради добрата си проводимост, ниският потенциал за вмъкване на литий и изобилните резерви. Теоретичният специфичен капацитет на графита обаче е сравнително нисък (около 372mAh\/g), което затруднява посрещането на нарастващото търсене на висока енергийна плътност. За да се преодолее това ограничение, отрицателните електродни материали, базирани на силиций, са се превърнали в изследователска гореща точка. Теоретичният специфичен капацитет на силиций е до 4200mAh\/g, което е повече от десет пъти по -голям от този на графита. Ако проблемът с огромното разширяване на обема по време на зареждане и изхвърляне може да бъде ефективно решен, това ще подобри значително енергийната плътност на клетките на литиевата батерия. Понастоящем стабилността на колоезденето и първата куломбична ефективност на отрицателните електродни материали на основата на силиций са значително подобрени чрез технологични средства като наноматериализация, дизайн на композитен материал и композитни с други материали (като въглеродни материали). Например, някои компании са разработили силиконови въглеродни композитни отрицателни електродни материали, които са били приложени в търговската мрежа, подобрявайки енергийната плътност на клетките на батерията, като същевременно осигуряват добър живот на цикъла. В допълнение, отрицателните електродни материали от литиев титанат (LTO) постепенно се появяват в някои сценарии на приложение, които изискват изключително висок живот и живот на цикъла, като електроцентрали за съхранение на енергия, спомагателни захранвания на железопътния транзит и др., Поради отличната им ефективност на безопасността и ултра дългия живот на цикъла.
Оптимизация и надграждане на електролит
Електролитът, като носител за транспортиране на йони в клетките на литиевата батерия, оказва значително влияние върху характеристиките на зареждане и изхвърляне, характеристиките на скоростта и живота на цикъла на клетките. Традиционните електролити са съставени главно от литиеви соли (като литиев хексафлуорофосфатен LIPF ₆), органични разтворители (като карбонати) и добавки. През последните години, за да задоволят нуждите на развитието на батериите с високо напрежение и високоенергийна плътност, оптимизацията и модернизирането на електролитите се фокусират главно върху подобряването на литиевите соли, развитието на нови разтворители и иновативното приложение на добавките. По отношение на литиевите соли, изследователите са изследвали различни нови видове литиеви соли, като литиев дифлуоросулфонил имид (LIFSI). В сравнение с LIFF ₆, LIFSI има по-висока проводимост, по-добра термична и химическа стабилност, което може ефективно да подобри високотемпературните характеристики и живота на цикъла на батериите. По отношение на разтворителите, въвеждането на нови разтворители с високи точки на кипене и високи точки на светкавица, като сулфонни разтворители, може да подобри стабилността на безопасността и високата температура на електролитите. В същото време, чрез добавяне на добавки с различни функции, като добавки за формиране на филми, добавки за забавяне на пламъка, добавки за защита от зареждане и др. Например, добавянето на малко количество добавки за забавяне на пламъка към електролита може значително да намали риска от запалване на батерията и експлозия при условия на висока температура или надплащане.
Структурна иновация: подобряване на производителността и надеждността
Иновация във формата на клетките и опаковката
Формата на формата и опаковката на клетките на литиевата батерия оказва значително влияние върху тяхната производителност, използване на пространството и адаптивност към сценариите на приложение. Общите форми на клетките на батерията включват цилиндрични, квадратни и меки опаковки. Цилиндричните клетки на батерията се използват широко в ранните електрически превозни средства и полета за съхранение на енергия поради техния стандартизиран производствен процес, добри характеристики на разсейване на топлина и висока консистенция. Например, цилиндричните клетки на батерията като 18650 и 21700 са широко използвани в ранните модели на Tesla. Въпреки това, цилиндричните клетки имат проблем с използването на ниско пространство, когато са групирани заедно. Клетките на квадратната батерия имат предимства в използването на пространството и могат по-добре да се адаптират към различни дизайни на батерията и са били широко използвани в мащабни системи за съхранение на енергия и някои електрически превозни средства. През последните години батерията на батерията с мек пакет се появиха в потребителската електроника, електрически превозни средства от висок клас и някои приложения, които изискват строго пространство и тегло поради своите леки, адаптивни и високи функции за безопасност. Клетките на батерията с мек пакет са опаковани с алуминиево-пластичен филм, който е по-лек по тегло в сравнение с опаковането на метални обвивки и по-малко предразположени към експлозия, когато се подлага на външно въздействие, което води до по-голяма безопасност. Междувременно батерията на мекия пакет могат да бъдат проектирани в различни форми и размери според различни изисквания за приложение, като значително подобряват използването на пространството и гъвкавостта на дизайна на продукта.
Вътрешна структура оптимизация и иновации
Поредица от иновативни оптимизации също са извършени във вътрешната структура на клетките на батерията. Например, за да се подобри енергийната плътност и характеристиката на заряда на батерията, се използва комбинация от висок никел положителен електроден материал и отрицателен електрод на базата на силиций, а дебелината на покритието, плътността на уплътняването и дизайна на електродна структура на електрода бяха оптимизирани, за да се увеличи съотношението на активния материал и да се намали вътрешното съпротивление на батерията. В същото време са направени подобрения при селекцията и проектирането на сепаратори, като се използват по -тънка, по -висока якост и добри материали за сепаратор на проводимост на йони, които могат да намалят общата дебелина на батерията, ефективно да предотвратят положителни и отрицателни къси вериги и да подобрят безопасността и живота на цикъла на батерията. В допълнение, някои нови дизайни на вътрешна структура на батерията, като използване на ламинирани структури вместо традиционни намотки, могат да намалят съпротивлението и поляризацията вътре в клетките на батерията, да подобрят ефективността на зареждането и изхвърлянето и стабилността на циклирането на батерията. Ламинираната структура също може да направи разпределението на напрежението вътре в клетката на батерията по -равномерно, да намали разграждането на производителността, причинено от концентрацията на напрежението, и по този начин да подобри общата надеждност на батерията.
Иновации в производствения процес: Към ефективност, прецизност и интелигентност
Разширените производствени процеси повишават ефективността и качеството на производството
Процесът на производство на клетките на литиевата батерия оказва решаващо влияние върху тяхната производителност и качество. През последните години с развитието на интелигентност и автоматизация в производствената индустрия е постигнат значителен напредък в производствения процес на клетките на литиевата батерия. В процеса на подготовка на електрода се приемат усъвършенствани техники за покритие, като покритие на процепа и покритие на запетая, които могат да постигнат по -прецизно управление на дебелината на покритието и по -висока скорост на покритие, да подобрят ефективността на производството и да гарантират равномерността и консистенцията на покритието на електрода, като по този начин повишават стабилността на работата на батерията. Прилагането на оборудване за автоматизация в процеса на намотка или ламиниране значително подобри ефективността на производството и качеството на продукта. Оборудването с висока прецизно намотка може да постигне плътно и равномерно намотка на парчета полюс, да намали пролуките вътре в клетката на батерията и да подобри плътността на енергията; Автоматизираното оборудване за подреждане може да постигне високоскоростни и високоточни операции за подреждане, като гарантира подравняването и консистенцията на подреждането и намалява риска от късо съединение на батерията, причинени от лошо подреждане. В допълнение, усъвършенстваните технологии за заваряване като лазерно заваряване и ултразвуково заваряване се използват в процеса на сглобяване и опаковане на клетките на батерията, които могат да постигнат твърда връзка на метални компоненти, да подобрят уплътнението и надеждността на батерията и да намалят въздействието на топлината върху вътрешните материали на клетките на батерията по време на процеса на заваряване.
Изграждане на интелигентна система за мониторинг на производството и качеството
За да изпълнят строгите изисквания за качеството и последователността на продукта в мащабното производство, предприятията за производство на литиеви батерии въведоха интелигентна технология за производство и изградиха система за наблюдение на качеството на звука. Чрез внедряване на голям брой сензори и интелигентни устройства за откриване на производствената линия, данните в реално време се събират по време на производствения процес, като температура, налягане, ток, напрежение, дебелина на покритието, размер на електрода и др., И тези данни се анализират и обработват в реално време, използвайки технологии като анализ на големи данни и изкуствен интелект. След като по време на производствения процес се открият ненормални ситуации, системата може да издаде навременни предупреждения и автоматично да коригира производствените параметри или да спре производството, за да избегне производството на дефектни продукти. В същото време използването на интелигентни производствени системи за дълбок добив и анализ на производствените данни може също да постигне непрекъсната оптимизация и подобряване на производствените процеси, да подобри ефективността на производството и да намали производствените разходи. Например, чрез анализ на данните за заряда и изпускане на голям брой клетки на батерията и установяване на модел за прогнозиране на производителността на батерията, потенциалните дефектни клетки на батерията могат да бъдат прегледани предварително, подобрявайки цялостното качество и надеждност на продукта. В допълнение, интелигентните производствени системи също могат да постигнат проследяване в производствения процес. Цялата информация за процеса на всяка клетка на батерията от закупуване на суровини до доставка на готовия продукт, което улеснява бързото проследяване и отстраняване на проблеми с качеството.