V dnešní energetické éře jsou lithiové baterie, jako základní součásti různých lithiových baterií, v popředí technologických inovací. Od vzkvétajícího vývoje elektrických vozidel po rozsáhlou popularitu přenosných elektronických zařízení a po kritickou podporu systémů skladování energie pro stabilitu mřížky, výkon lithiových bateriových článků přímo určuje účinnost celého systému skladování a konverze energie. V posledních letech, se stoupající globální poptávkou po čisté energii a neúnavným úsilím o udržitelný rozvoj, zažila technologie lithium bateriových článků explozivní inovace a průlomy, přinášela nové změny a příležitosti pro energetické aplikace v různých průmyslových odvětvích.
Inovace materiálu: Otevření dveří ke zlepšení výkonu
Diverzifikované zkoumání pozitivních elektrodových materiálů
Pozitivní elektrodové materiály hrají klíčovou roli v lithiových bateriových buňkách a jejich vlastnosti do značné míry určují důležité ukazatele, jako je hustota energie, výkon nabití a vypouštění a životnost cyklu buněk. Ačkoli tradiční katodové materiály oxidu lithia kobaltu mají vysokou pracovní napětí a hustotu energie a byly široce používány v časných výrobcích pro spotřební elektroniku, jejich rozsáhlá aplikace je omezena kvůli nedostatku zdrojů kobaltu, vysokými cenami a určitým bezpečnostním rizikem. V posledních letech byly ternární materiály (nikl kobalt manganový oxid lithium NCM, nikl kobalt hliník oxid lithium NCA) široce používán v oblasti elektrických vozidel kvůli jejich výhodám s vysokou hustotou energie. Například energetická hustota vysokých niklových ternárních materiálů (jako je NCM811) může dosáhnout 200-300 wh\/kg, což se výrazně zlepšilo ve srovnání s oxidem lithia kobaltu a výrazně zvyšuje rozsah elektrických vozidel. Současně prokázaly katodové materiály lithium iron fosfátu (LFP) silnou konkurenceschopnost v systémech skladování energie a některá elektrická vozidla s vysokými bezpečnostními požadavky kvůli jejich vynikající bezpečnosti, dlouhé životnosti cyklu a nízkým nákladům. S neustálým rozvojem technologie se také aktivně zkoumá výzkum modifikace nových pozitivních elektrodových materiálů, jako je oxid lithium mangan (LMO) a materiály na bázi lithium bohatých na mangany. Očekává se, že tyto materiály v budoucnu dále zlepší komplexní výkon lithiových bateriových článků a poskytnou rozmanitější volby pro různé scénáře aplikací.
Cesta změny v negativních elektrodových materiálech
Negativní elektrodové materiály také procházejí hlubokými změnami. Po dlouhou dobu byl grafit mainstreamovým materiálem pro negativní elektrodu lithiových baterií díky své dobré vodivosti, nízkému potenciálu inzerce lithia a hojné rezervy. Teoretická specifická kapacita grafitu je však relativně nízká (asi 372 mAh\/g), což ztěžuje splnění rostoucí poptávky po vysoké hustotě energie. K překonání tohoto omezení se negativní elektrodové materiály na bázi křemíku staly výzkumným hotspotem. Teoretická specifická kapacita křemíku je až 4200 mAh\/g, což je více než desetkrát větší než u grafitu. Pokud lze problém s obrovským objemovým rozšířením během nabíjení a vypouštění účinně vyřešit, výrazně zlepší hustotu energie lithiových baterií. V současné době se cyklistická stabilita a první coulombická účinnost negativních elektrodových materiálů na bázi křemíku významně zlepšily technologickými prostředky, jako je nanomaterializace, konstrukce kompozitního materiálu a kompozitní s jinými materiály (jako jsou uhlíkové materiály). Některé společnosti například vyvinuly negativní elektrodové materiály, které byly komerčně aplikovány, a zlepšily hustotu energie bateriových článků a zároveň zajistily dobrou životnost cyklu. Kromě toho se v některých aplikačních scénářích postupně objevily negativní elektrodové materiály lithium titanátu (LTO), které vyžadují extrémně vysokou bezpečnost a životnost cyklu, jako jsou například elektrárny pro skladování energie, pomocné napájecí zdroje železniční tranzit atd., Vzhledem k jejich vynikajícímu bezpečnostnímu výkonu a ultra dlouhé životnosti cyklu.
Optimalizace a modernizace elektrolytu
Elektrolyt, jako nosič pro transport iontů v lithiových bateriových článcích, má významný dopad na nabíjení a vypouštění, vlastnosti rychlosti a životnost cyklu buněk. Tradiční elektrolyty jsou složeny hlavně z lithiových solí (jako je lithium hexafluorofosfát Lipf ₆), organických rozpouštědel (jako je uhličitany) a přísad. V posledních letech se optimalizace a modernizace elektrolytů zaměřila hlavně na zlepšení lithiových solí, rozvoji nových rozpouštědel a inovativní aplikaci aditiv se v posledních letech za účelem uspokojení vývojových potřeb vysoce napěťových a vysokoenergetických a inovativních aplikací aditiv. Pokud jde o lithiové soli, vědci prozkoumali různé nové typy lithiových solí, jako je lithium difluorosulfonyl imide (LIFSI). Ve srovnání s LIFF ₆ má LIFSI vyšší vodivost, lepší tepelnou a chemickou stabilitu, která může účinně zlepšit výkon vysokoteplotního výkonu a životnost cyklu baterií. Pokud jde o rozpouštědla, může zavedení nových rozpouštědel s vysokými body varu a vysokými body vzplanutí, jako jsou rozpouštědla sulfonu, zlepšit bezpečnost a vysokoteplotní stabilitu elektrolytů. Současně přidáním aditiv s různými funkcemi, jako jsou filmové aditivy, přísady zpomalující hoření, přísady na ochranu proti přesunu atd., Může být na povrchu elektrody vytvořeno stabilní pevný elektrolytový rozhraní (SEI), aby se potlačoval výskyt vedlejších reakcí a zlepšil bezpečnost a cyklistickou výkonnost baterie. Například přidání malého množství přísad zpomalujících hoření do elektrolytu může významně snížit riziko zapálení a exploze baterie za podmínek vysoké teploty nebo nadbytku.
Strukturální inovace: Zlepšení výkonu a spolehlivosti
Inovace ve formě tvaru a balení buněk
Forma tvaru a obalu lithiových bateriových článků má významný dopad na jejich výkon, využití prostoru a přizpůsobivost aplikačních scénářů. Mezi běžné tvary bateriových článků patří válcový, čtvercový a měkký balíček. Válcové baterie byly široce používány v časných elektrických vozidlech a polích skladování energie kvůli jejich standardizovanému výrobnímu procesu, dobrému výkonu rozptylu tepla a vysoké konzistence. Například válcové baterie, jako jsou 18650 a 21700, byly široce používány v raných modelech Tesla. Cylindrické buňky však mají problém s nízkým využitím prostoru, když jsou seskupeny dohromady. Čtvercové baterie mají výhody ve využití prostoru a mohou se lépe přizpůsobit různým návrhům baterií a byly široce používány ve rozsáhlých systémech skladování energie a některých elektrických vozidlech. V posledních letech se baterie měkkých balíčků objevily ve spotřební elektronice, špičkových elektrických vozidlech a některých aplikacích, které vyžadují přísný prostor a hmotnost kvůli jejich lehkým, přizpůsobitelným a vysokým bezpečnostním prvkům. Bateriové buňky Soft Pack jsou baleny s hliníkovým plastickým filmem, který má lehčí hmotnost ve srovnání s balením kovů a méně náchylný k explozi, když je podroben vnějšímu dopadu, což má za následek vyšší bezpečnost. Mezitím mohou být baterie měkkých baterií navrženy v různých tvarech a velikostech podle různých požadavků na aplikaci, což výrazně zlepšuje využití prostoru a flexibilitu designu produktu.
Optimalizace a inovace vnitřní struktury
Ve vnitřní struktuře bateriových článků byla také provedena řada inovativních optimalizací. Například za účelem zlepšení hustoty energie a výkonu nabití baterie v bateriové buňce byla použita kombinace materiálu s vysokým obsahem niklu a negativního elektrody na bázi křemíku a tloušťka povlaku, hustota zhutnění a konstrukce elektrody elektrody byla optimalizována pro zvýšení podílu aktivního materiálu a snížení vnitřní odolnosti baterie. Současně byla provedena vylepšení při výběru a návrhu separátorů s použitím tenčích, vyšší pevnosti a dobrých materiálů vodivosti iontů, které mohou snížit celkovou tloušťku baterie, účinně zabránit pozitivním a negativním zkratům a zlepšit bezpečnost a životnost cyklu baterie. Kromě toho některé nové návrhy vnitřní struktury bateriových článků, jako je použití laminovaných struktur namísto tradičních vinutí struktury, mohou snížit odpor a polarizaci uvnitř bateriových článků, zlepšit účinnost nabíjení a vypouštění a stabilitu cyklistiky baterie. Laminovaná struktura může také zvýšit rozložení napětí uvnitř baterie buňky, snížit degradaci výkonu způsobené koncentrací napětí a tak zlepšit celkovou spolehlivost baterie.
Inovace výrobního procesu: Směrem k efektivitě, přesnosti a inteligenci
Pokročilé výrobní procesy zvyšují efektivitu a kvalitu výroby
Výrobní proces lithiových baterií má rozhodující dopad na jejich výkon a kvalitu. V posledních letech, s rozvojem inteligence a automatizace ve výrobním průmyslu, došlo k významnému pokroku ve výrobním procesu lithiových baterií. V procesu přípravy elektrody jsou přijata pokročilé techniky povlaku, jako je štěrbinový povlak a povlak čárky, které mohou dosáhnout přesnějšího řízení tloušťky a vyšší rychlosti povlaku, zlepšit účinnost výroby a zajistit uniformitu a konzistenci elektrodového povlaku, čímž se zvyšují stabilitu výkonu baterie. Aplikace automatizačního zařízení v procesu vinutí nebo laminování výrazně zlepšila účinnost výroby a kvalitu produktu. Vysoce přesné vinutí zařízení může dosáhnout pevného a rovnoměrného vinutí kusů pólů, snížit mezery uvnitř bateriové články a zlepšit hustotu energie; Automatizované stohovací zařízení může dosáhnout vysokorychlostních a vysoce přesných stohovacích operací, zajistit zarovnání a konzistenci stohování a snížit riziko zkratu baterie způsobené špatným stohováním. Kromě toho se v procesu montáže a baterií bateriových článků používají pokročilé svařovací technologie, jako je laserové svařování a ultrazvukové svařování, které mohou dosáhnout pevného připojení kovových komponent, zlepšit těsnění a spolehlivost baterie a snížit dopad tepla na vnitřní materiály bateriových článků během procesu svařování.
Konstrukce inteligentního systému monitorování výroby a kvality
Aby byly splněny přísné požadavky na kvalitu a konzistenci produktu při rozsáhlé výrobě, zavedly podniky pro výrobu lithium bateriové buňky inteligentní výrobu a vytvořily systém monitorování kvality zvuku. Nasazením velkého počtu senzorů a inteligentních detekčních zařízení na výrobní lince se během výrobního procesu shromažďují data v reálném čase, jako je teplota, tlak, proud, napětí, tloušťka povlaku, velikost elektrody atd., A tato data jsou analyzována a zpracovávána v reálném čase pomocí technologií, jako je analýza velkých dat a inteligence. Jakmile jsou během výrobního procesu detekovány abnormální situace, může systém vydávat včasná varování a automaticky upravit výrobní parametry nebo zastavit výrobu, aby se zabránilo výrobě vadných produktů. Současně využití inteligentních výrobních systémů pro hlubokou těžbu a analýzu výrobních údajů může také dosáhnout nepřetržité optimalizace a zlepšení výrobních procesů, zlepšit efektivitu výroby a snížit výrobní náklady. Například analýzou údajů o nabíjení a vypouštění velkého počtu bateriových článků a vytvořením modelu predikce výkonu baterií lze potenciální vadné bateriové články předem prověřit, což zlepší celkovou kvalitu a spolehlivost produktu. Inteligentní výrobní systémy navíc mohou také dosáhnout sledovatelnosti ve výrobním procesu. Zaznamenávají se celá informace o procesu každé baterie od zadávání surovin po dodávku hotového produktu, což usnadňuje rychlé sledování a řešení problémů s kvalitou.