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Análisis exhaustivo de la densidad energética de las baterías de litio

EV battery energy density

Con el mismo consumo de energía, bajo el mismo volumen y peso del paquete de baterías estrictamente limitados, el kilometraje máximo de un vehículo eléctrico de nueva energía depende principalmente de la densidad energética de la batería.

Capacidad de resistencia = Capacidad disponible ÷Consumo de energía

EV battery design

¿Qué es la densidad de energía?

La densidad energética es la cantidad de energía almacenada por unidad de volumen o peso. La densidad energética es la cantidad de energía eléctrica liberada por unidad de volumen o peso de la pila. La densidad energética de la batería puede dividirse en dos dimensiones: densidad energética de peso y densidad energética de volumen.

Densidad energética del peso de la batería = Capacidad de la batería X Plataforma de descarga/peso, la unidad básica es Wh/kg (vatios hora/kg)

Densidad energética del volumen de la batería = Capacidad de la batería × Plataforma de descarga/volumen, la unidad básica es WH/L (W/L)

Cuanto mayor es la densidad energética de una batería, más electricidad se almacena por unidad de volumen o peso.

¿Qué es la densidad energética de una célula?

La densidad energética de la batería suele apuntar a dos conceptos diferentes, uno es la densidad energética de una sola célula, otro es la densidad energética del sistema de baterías.

La célula es la unidad más pequeña de un sistema de baterías. M celdas para formar un módulo, N módulos para formar un paquete de baterías, que es la estructura básica de las baterías de Escooter y vehículos.

La densidad energética de una sola célula, como su nombre indica, es la densidad energética de una sola célula.

Célula de batería de litio superior

De acuerdo con el programa «Made in China 2025», el plan de desarrollo de la batería eléctrica es claro: para 2020, la densidad energética de la batería alcanzará los 300 Wh/kg; para 2025, la densidad energética de la batería alcanzará los 400 Wh/kg; y para 2030, la densidad energética de la batería alcanzará los 500 Wh/kg. Se refiere a la densidad de energía a nivel de una sola célula.

¿Qué es la densidad energética del sistema?

La densidad energética del sistema se refiere a la cantidad de energía almacenada por peso o volumen de todo el sistema de baterías una vez completada la combinación de unidades. Debido a que el sistema de la batería contiene sistema de gestión de la batería (BMS) , sistema de gestión térmica , los circuitos de alta y baja tensión ocupan parte del peso del sistema de baterías y del espacio interno, por lo que la densidad energética del sistema de baterías es inferior a la densidad energética simple.

Densidad de energía del sistema = electricidad del sistema de baterías/peso del sistema de baterías o volumen del sistema de baterías

¿Qué es lo que limita la densidad energética de las baterías de iones de litio?

El sistema de materiales de la química de la batería es el principal factor

En general, los cuatro componentes de una batería de litio son fundamentales: el ánodo, el cátodo, el electrolito y el diafragma. El polo positivo y negativo es el lugar donde se produce la reacción química, y se puede ver su importante posición.

Todos sabemos que la densidad energética de Paquete de baterías NCM es mucho mayor que la de Paquete de baterías LFP . ¿Por qué?

La mayoría de los materiales para cátodos de baterías de iones de litio existentes son principalmente grafito, con una capacidad teórica de 372mAh/g. La capacidad teórica del material anódico lifepo4 es de sólo 160mAh/g, mientras que la del material NCM es de unos 200mAh/g.

Según la teoría del cubo, el nivel de agua está determinado por la parte más corta del barril, y el límite inferior de la densidad energética de la batería de iones de litio depende del material del ánodo.

La plataforma de voltaje del fosfato de hierro de litio es de 3,2 V, y el índice de NCM es de 3,7V. la diferencia entre ambos es del 16%.

Por supuesto, además del sistema químico, el nivel de los procesos de producción, como la densidad de compactación, el grosor de la lámina, etc. también afectará a la densidad de energía. En general, cuanto mayor es la densidad de compactación, mayor es la capacidad de la batería en el espacio limitado, por lo que la densidad de compactación del material principal también se considera uno de los indicadores de referencia de la densidad energética de la batería.

La mayor ventaja de la batería de litio NCM es su alta densidad de energía, su densidad de almacenamiento de energía suele ser superior a 200 Wh/kg, en comparación con el fosfato de hierro de litio 90-120 Wh/kg, este rendimiento es más amigable con el diseño ligero.

Nuestra venta caliente 72V 30Ah , 60V 60Ah Batería de scooter eléctrico y 36V 15Ah , 48V 20Ah Ebike litio se ensamblan con la batería de litio NCM. Así que esto puede explicar, por qué la mayoría Batería de litio para e-bicis , Batería de litio para e-scooter es más propensa a aplicar la batería NCM. En el mismo volumen, la batería NCM puede cumplir una mayor capacidad.

¿Qué puede hacer para aumentar su densidad energética?

La adopción de un nuevo sistema de materiales, el ajuste fino de estructura de la batería de litio y la mejora de capacidad de fabricación son las tres etapas de los ingenieros de I+D. A continuación, explicaremos desde la célula y el sistema dos dimensiones.

La densidad energética del monómero depende principalmente de la ruptura del sistema químico.

01 aumentar el tamaño de la batería

Los fabricantes de baterías pueden aumentar la capacidad de las celdas aumentando el tamaño de la batería original. El ejemplo más conocido: Tesla, el primer coche eléctrico que utilizó la batería 18650 de Panasonic, está recibiendo una nueva batería 21700.

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02 Revolución del sistema químico

Como ya se ha mencionado, la densidad energética de una batería está controlada por el material del ánodo y del cátodo. En la actualidad, la densidad energética de los materiales del cátodo es mucho mayor que la de los materiales del ánodo, por lo que es necesario mejorar los materiales del ánodo para mejorar la densidad energética.

Ánodo de alto contenido en níquel

El material NCM se refiere a la familia de óxido de níquel, cobalto y manganato de litio, podemos cambiar la proporción de níquel, cobalto y manganeso para cambiar el rendimiento de las baterías.

Cuanto mayor sea el contenido de níquel, mayor será la capacidad específica de la célula. Además, debido a la escasez de recursos de cobalto, el aumento de la proporción de níquel reducirá el uso del cobalto.

Lithiuim Battery Material Proportion

Cátodo de carbón de silicio

La capacidad específica de los materiales catódicos basados en el silicio puede alcanzar los 4200mAh/g, que es mucho más alta que la capacidad específica teórica de los materiales catódicos de grafito de 372mAh/g.

En la actualidad, el uso de materiales compuestos de silicio-carbono para mejorar la densidad energética de las baterías, ha sido reconocido como una de las direcciones de desarrollo de las baterías de iones de litio. El Model 3 de Tesla utiliza un cátodo de carbono de silicio.

En el futuro, si se quiere ir un paso más allá, para superar el nivel de 350WH/kg de una sola célula, la industria tendrá que centrarse en los sistemas de baterías de litio-metal-negativo, pero esto también significa que todo el proceso de producción de baterías cambia y se perfecciona.

03 Densidad energética del sistema: Mejora de la eficiencia del paquete

El paquete de baterías pone a prueba la capacidad de los «leones de asedio» de la batería para alinear las celdas y los módulos individuales para aprovechar al máximo cada centímetro de espacio bajo la premisa de la seguridad.

Optimizar el diseño

Desde el punto de vista de las dimensiones externas, la disposición interna del sistema puede optimizarse para que las partes internas del paquete de baterías sean más compactas y eficientes.

Optimización de la topología

Bajo la premisa de garantizar la rigidez, la resistencia y la fiabilidad estructural, el diseño de la reducción de peso se realiza mediante el cálculo de la simulación. Gracias a esta tecnología, se puede realizar la optimización de la topología y la forma, y finalmente ayudar a realizar la ligereza de la caja de la batería.

Esta tecnología es la más aplicada durante batería de litio a medida especialmente los paquetes de baterías de gran tamaño, por ejemplo Paquete de baterías de 72V 200Ah para vehículos eléctricos por ejemplo, a través de esta tecnología se puede reducir el peso en un 10% aproximadamente.

Personalización de la batería de litio

Diseño todo en uno

El diseño integrado de todo el vehículo y el diseño global de la estructura de todo el vehículo, en la medida de lo posible para compartir componentes estructurales, como el diseño anticolisión, para lograr la máxima ligereza.

La batería es un producto muy completo, se quiere mejorar un aspecto del rendimiento, puede ser a expensas de otros aspectos del rendimiento, esta es la comprensión del diseño y desarrollo de la batería. Por lo tanto, la densidad energética no es la única medida de la calidad de la batería, sino una de las medidas del paquete de baterías.

SmartPropel Escritor original:Nancy