Die Entwicklung von Elektrofahrzeugen ist in vollem Gange, und die Power-Batterie ist einer der wichtigsten Teile. Seine Entwicklung hat entscheidenden Einfluss auf die Batterielebensdauer und Sicherheit von Elektrofahrzeugen. In letzter Zeit hören wir oft Begriffe wie Festkörperbatterien, SVOLT-Geleebatterien, NIOs Nickel-55-Ternärzelle, IM-Motoren, die mit Silizium dotiert sind, um Lithium zu ergänzen, und CTP/CTC-Technologie. Bei so vielen technischen Richtungen besteht der grundlegende Zweck darin, die Energiedichte und Sicherheit der Batterie zu verbessern. In diesem Artikel führt Sie der Redakteur, um die damit verbundenen technischen Pfade zu sortieren.

Möglichkeiten zur Verbesserung der Energiedichte und Sicherheit

Die Ingenieure zerbrachen sich den Kopf, um die Energiedichte des Batteriepacks zu erhöhen, und zwar auf zwei ähnlichen Wegen: Erhöhung der Dichte der Batteriezelle und Erhöhung der Dichte des Systems (Batteriepack). Bei der Verbesserung der Energiedichte steht die Sicherheit natürlich immer an erster Stelle. Welche Anstrengungen haben die meisten Ingenieure unternommen, um die Energiedichte und Sicherheit der Batterie zu verbessern, und welche neuen Technologien entstehen derzeit? Jetzt werden wir mit den neuesten Nachrichten diskutieren.

Erhöhen Sie die Energiedichte von Batterien

Der Batteriekern besteht aus drei Teilen, der positiven Elektrode, der negativen Elektrode und dem Elektrolyten zwischen der positiven und der negativen Elektrode. Um die Energiedichte zu erhöhen, gehen wir von diesen drei Aspekten aus. Schauen wir sie uns nacheinander an.

Kathode-Nickel 55 Einkristallmaterial

Der kürzlich von NIO herausgebrachte 100-kWh-Akkupack, der zuvor von der CATL angekündigte „nur Rauch, aber kein Feuer“-Akku, hat seine Energiedichte um 37 % erhöht, ohne die Größe des Akkupackgehäuses zu verändern und fast ohne Gewichtszunahme. Meilen aufladen. Die in der neuen Batterie verwendete ternäre Nickel-55-Zelle ist ein wichtiger Faktor zur Erhöhung der Energiedichte. Sein Kathodenmaterial ist ein Hochspannungs-Einkristallmaterial. Was ist Einkristall? Bevor wir diese Frage beantworten, werfen wir einen Blick auf die technische Richtung der Kathodenmaterialien.

Die sogenannte „ternäre“ Lithiumbatterie bezieht sich auf die drei Elemente Nickel, Kobalt und Mangan (NCM) im Material der positiven Elektrode. Nickel wird zur Erhöhung der Kapazität und Kobalt zur Stabilisierung der Struktur verwendet. Die Rolle von Mangan besteht darin, die Kosten zu senken und die strukturelle Stabilität des Materials zu verbessern. Je höher der Nickelanteil und je niedriger der Kobalt- und Mangananteil, desto größer die Energiedichte, aber die Sicherheit sinkt.

Um die Energiedichte zu erhöhen, wurde das NCM-Verhältnis von „111 (N:C:M=1:1:1)“ auf „523“ und dann auf „811“ erhöht. Dieser Weg war schon immer die Hauptrichtung für die Entwicklung von ternären Kathodenmaterialien. Die andere Richtung entspricht der Einkristallroute (der Schlüsselpunkt ist hier). Die neu auf den Markt gebrachte Batteriekathode verwendet Einkristallmaterialien der 5er-Serie. Einkristallmaterialien sind für Hochspannung besser geeignet. Gegenwärtig sind die meisten der kommerzialisierten ternären Kathodenmaterialien sekundäre kugelförmige polykristalline Materialien von etwa 10 Mikron, die durch Agglomeration von Primärpartikeln im Nanobereich gebildet werden. Für diejenigen, die keine Vorstellung von polykristallinen und Einkristallen haben, verweisen wir auf Quarzsand und Glas. Beide sind Kieselerde. Quarzsand ist ein polykristallines Material,

Im polykristallinen NCM gibt es eine große Anzahl von Korngrenzen. Während des Lade- und Entladevorgangs der Batterie neigt das polykristalline NCM aufgrund der anisotropen Kristallgitteränderung zu Korngrenzenrissen, wodurch die Sekundärpartikel brechen, die spezifische Oberfläche und das Grenzflächenpaar schnell ansteigen, was dazu führt zu einem Anstieg der Batterieimpedanz und einem schnellen Leistungsabfall. Es gibt keine Korngrenze innerhalb des einkristallinen ternären Materials, wodurch das Problem des Korngrenzenbruchs und der dadurch verursachten Leistungsverschlechterung effektiv gelöst werden kann. Daher kann die Einkristallstruktur nicht nur eine höhere Spannung erreichen, sondern verbessert auch die Zyklusstabilität des ternären Materials und verbessert die Sicherheit der Batterie stark. Dies ist das Kathodenmaterial,

Was ist die „Silizium-dotierte Lithium-Batteriezelle“-Technologie?

Die Dichte der Graphit-Negativelektroden herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien ist gering. Um eine hohe Dichte zu erreichen, sind neue Materialien für negative Elektroden, Siliziumkohlenstoff und Siliziumsauerstoff, zu neuen Hotspots geworden, die von Unternehmen verfolgt werden. Silizium-Sauerstoff wird jedoch erstmals das Problem der geringen Effizienz und der Notwendigkeit haben, Lithium zu ergänzen. Während des ersten Ladens und Entladens von flüssigen Lithium-Ionen-Batterien reagieren das Elektrodenmaterial und der Elektrolyt an der Fest-Flüssig-Grenzfläche, um eine Passivierungsschicht zu bilden, die die Oberfläche des Elektrodenmaterials bedeckt. Diese Passivierungsschicht ist eine Grenzflächenschicht mit den Eigenschaften eines Festelektrolyten. Es ist ein elektronischer Isolator, aber ein ausgezeichneter Leiter von Li+. Li+ kann frei eingelagert und durch die Passivierungsschicht extrahiert werden. Daher wird dieser Passivierungsfilm als " "Festelektrolyt-Grenzfläche" (Festelektrolyt-Grenzfläche) wird als SEI-Film abgekürzt (die positive Elektrode hat auch Filmbildungsschichten, aber in diesem Stadium wird angenommen, dass ihr Einfluss auf die Batterie weitaus geringer ist als der SEI-Film auf der Oberfläche von die negative Elektrode). Das Lithium-Ergänzungsverfahren für die negative Silizium-Kohlenstoff-Elektrode besteht darin, eine Schicht aus Lithiummetall auf der Oberfläche der negativen Silizium-Kohlenstoff-Elektrode vorzubeschichten. Die Beschichtung steht in engem Kontakt mit der negativen Elektrode. Nachdem der Elektrolyt in die negative Elektrode gegossen wurde, reagiert er mit der negativen Elektrode und wird in die negativen Elektrodenpartikel eingebettet. Gleichen Sie die Li-Ionen aus, die zum Bilden oder Reparieren des SEI-Films während des ersten Ladens und Entladens oder Zyklus benötigt werden. Verglichen mit dem schwierigen Lithium-Ergänzungsprozess für die negative Elektrode mit hohem Input ist der Lithium-Ergänzungsprozess für die positive Elektrode viel einfacher. Der typische Positivelektroden-Lithium-Ergänzungsprozess besteht darin, dem Positivelektroden-Homogenisierungsprozess eine kleine Menge an Positivelektrodenmaterial mit hoher Kapazität hinzuzufügen. Während des Ladevorgangs wird das überschüssige Li-Element aus diesen lithiumreichen positiven Elektrodenmaterialien extrahiert und in die negative Elektrode eingefügt, um die irreversible Kapazität der ersten Ladung und Entladung zu ergänzen. Durch diesen komplizierten Vorgang des Nachfüllens von Lithium kann die Dichte des negativen Elektrodenmaterials erhöht werden. Derzeit ist nicht bekannt, um welche Technologie es sich bei IM Motors handelt, aber es ist im Grunde eine ausgemachte Sache, dass IM Motors diesen High-End-Lithium-Akku verwenden wird.

Elektrolyt – Festkörperbatterie

Am 8. Dezember Ortszeit gab Quantum Scape die Nachricht von seiner neuesten Festkörperbatterie bekannt und gab an, dass die Batterie 2024 in Produktion gehen wird. Diese Art von Festkörperbatterien hat eine deutliche Verbesserung gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien: sie können die Reichweite von Elektrofahrzeugen um 80 % erhöhen. Lassen Sie uns diskutieren, was eine Festkörperbatterie ist und welche Vorteile sie hat.

Während die Energiedichte der Batterie erhöht wird, ist die Sicherheit der Batterie ein Thema, das berücksichtigt werden muss. Die grundsätzliche Beseitigung der Sicherheitsrisiken von Lithium-Ionen-Batterien liegt noch in der Verbesserung der Sicherheit von Batteriematerialien. Für Kathodenmaterialien sind diese beiden Aspekte jedoch widersprüchlich. Wie bereits erwähnt, kann beispielsweise eine Erhöhung des Nickelgehalts die Energiedichte erhöhen, aber die Erhöhung des Nickelgehalts bedeutet eine geringere Sicherheit. Gibt es eine Möglichkeit, die Sicherheit der Batterie unter anderen Aspekten zu verbessern, um die Energiedichte zuverlässiger zu erhöhen? Zu diesem Zeitpunkt ist es notwendig, aus der Perspektive des Elektrolyten zu betrachten. Eine Vielzahl von Studien hat gezeigt, dass der flüssige Elektrolyt an den meisten Reaktionen im Thermal Runaway-Prozess der Batterie beteiligt ist. und reduziert die anfängliche Reaktionstemperatur der Batterie stark, was bedeutet, dass die Schwelle für thermisches Durchgehen niedriger wird. Daher ist die Verbesserung der Elektrolytsicherheit eine der effektivsten Möglichkeiten, um die Batteriesicherheit zu erreichen. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften des flüssigen Elektrolyten kann ein Auslaufen nicht immer vermieden werden und es ist auch nicht förderlich, das Volumen der Batterie zu reduzieren und damit die Energiedichte zu erhöhen. Um die Energiedichte und Sicherheit zu verbessern, ist daher die Verfestigung des Elektrolyten zu einem Trend geworden. Wir nennen eine Batterie, bei der sowohl die Elektroden als auch der Elektrolyt Festkörperbatterien sind. Die Festkörperbatteriezelle enthält keine Flüssigkeit, was nicht nur sicherer ist, sondern auch zuerst in Reihe und parallel montiert werden kann, wodurch das für die Verpackungshülle verwendete Material reduziert wird.

Ähnlich wie herkömmliche Lithiumbatterien bestehen Festkörperbatterien aus einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode und einem Elektrolyten. Seine Struktur ist einfacher als herkömmliche Lithiumbatterien, und der Festelektrolyt fungiert als Doppelfunktion von Elektrolyt und Separator. Es gibt keinen wesentlichen Unterschied zwischen dem Material der positiven Elektrode und der herkömmlichen Lithiumbatterie. Die Anodenmaterialien sind Lithiummetallanodenmaterialien, Anodenmaterialien der Kohlenstoffgruppe und Oxidanodenmaterialien. Bei Festkörperbatterien sind die Forschung und Entwicklung von Festkörperelektrolyten am wichtigsten. Es gibt viele Arten von Materialien, darunter Oxide, Sulfide, Polymere und zusammengesetzte Festelektrolyte.

Neben großen Flüssig-Lithium-Batterien und Festkörperbatterien, die in der Forschung sind, ist eine halbfeste Batterie – Jelly-Batterie – in das Blickfeld der Menschen getreten. Im Dezember 2020 hat Honeyco mb Energy übernahm die Führung bei der Freigabe der Jelly-Batterie und der Annahme von Bestellungen. Die Geleebatterie ist eine Lithiumbatterie, die einen neuen Typ von geleeartigem Elektrolyt verwendet. Dieser gelartige Elektrolyt kann sich besser an die Oberfläche des Elektrodenmaterials anpassen. Es hat die Eigenschaften von Selbstheilung und Flammschutz. Gleichzeitig wird eine Wärmediffusion verhindert. Jelly-Batterien können als Übergang von Flüssigbatterien zu Festkörperbatterien bezeichnet werden.

Erhöhte Systemdichte – neue Akkupack-Technologie

Neben der Erhöhung der Energiedichte von Batteriezellen ist es auch eine Möglichkeit, die Energiedichte von Batterien zu erhöhen, indem mehr Batterien in einem Batteriepack gleicher Größe und gleichen Gewichts untergebracht werden. Hier ist eine kurze Einführung in die derzeit relativ neue Batteriepack-Technologie.

Entfernen Sie die interne Verpackungs-Cell to Pack (CTP)-Technologie:

Im Allgemeinen hat eine Batterie nicht nur einen Batteriepack am äußersten Teil, sondern auch eine Gruppe von "Modulen", die durch eine Gruppe von Zellen im Inneren gebildet werden. Das sogenannte CTP ist keine Modularisierung, und die Zellen werden direkt verpackt. Es ist derzeit eine wichtige Wahl für Unternehmen, die Energiedichte zu erhöhen. CATL, BYD und Honeycomb Energy haben alle eine modullose Batteriepack-Technologie auf den Markt gebracht. Die vor einiger Zeit relativ beliebte BYD-Blade-Batterie basiert auf Lithium-Eisenphosphat-Batterien und verwendet ein modulfreies Design, um die Raumnutzung zu verbessern.

Alle internen Verpackungen und Auslagerungen werden entfernt – Cell-to-Chassis (CTC)-Technologie:

Am Batterietag von Tesla wurde eine strukturelle Batterielösung vorgeschlagen, bei der die Batterie direkt in die Fahrzeugstruktur eingebaut wird (siehe den vorherigen Artikel von Long Ge „Interpretation of Tesla Battery Day Information“). Diese strukturierte Batterietechnologie ähnelt der zuvor von der CATL vorgeschlagenen CTC-Technologie. Diese Technologie integriert die Batteriezelle und das Chassis und integriert dann den Motor, die elektronische Steuerung und das Hochspannungssystem des Fahrzeugs durch eine innovative Architektur. Der Power Domain Controller optimiert die Energieverteilung und reduziert den Energieverbrauch.

Abschließende Bemerkungen

Durch die obige Einführung glauben wir, dass jeder ein gewisses Verständnis für neue batteriebezogene Technologien hat. Obwohl die Kommerzialisierung von All-Solid-State-Batterien uns noch geduldiges Warten abverlangt, glauben wir, dass Semi-Solid-State-Batterien, positive monokristalline Materialien und siliziumdotierte Lithium-Ergänzungstechnologie von uns in naher Zukunft erfahren werden.