Sissejuhatus
Uute energiasõidukite ühe põhiallikana on elektrisõidukite valdkonnas laialdaselt kasutatud kolmekomponentide liitiumakuid nende suure energiatiheduse ja pika tsükli pikkuse tõttu. Selle artikli eesmärk on läbi viia põhjaliku analüüsi kolmeastmeliste liitiumpatareide peamiste tehnoloogiate kohta, et edendada nende tehnoloogia pidevat arengut ja arengut.
Ternaarse liitiumpatareide tööpõhimõte
Ternaarse liitiumaku akud koosnevad peamiselt positiivsetest elektroodimaterjalidest, negatiivsetest elektroodimaterjalidest, diafragmadest ja elektrolüütidest. Laadimisprotsessi käigus vabastatakse liitiumioonid positiivsetest elektroodimaterjalidest, läbitakse läbi elektrolüüdi ja diafragmasid ning manustatakse negatiivsesse elektroodimaterjalidesse; Väljalaskeprotsessi käigus vabastatakse liitiumioonid negatiivsetest elektroodimaterjalidest, läbitakse läbi elektrolüüdi ja diafragmasid ning kinnitatakse positiivsetesse elektroodimaterjalidesse, mõistes sellega elektrienergia ladustamist ja vabanemist.
Kolmearmaste liitiumpatareide võtmematerjalid
I) positiivsed elektroodimaterjalid
Ternaarse liitiumpatareide positiivsed elektroodimaterjalid koosnevad tavaliselt kolmest elemendist: nikkel-cobalt-mangaanlased (NCM) või nikkel-cobalt-alumiinium (NCA). Erinevad elementide suhted mõjutavad aku jõudlust, näiteks energiatihedus, tsükli tööiga, ohutus jne. Kõrge nikli positiivse elektroodimaterjali energiatihedus on suurem, kuid neil on ka sellised probleemid nagu halb termiline stabiilsus ja madal ohutus. Seetõttu on positiivse elektroodide materjaliuuringute keskmes see, kuidas tagada aku ohutus, samal ajal energiatiheduse parandamine.
Ii) negatiivsed elektroodimaterjalid
Praegu kasutavad kolmekomponentsed liitiumakud peamiselt negatiivse elektroodimaterjalina grafiiti. Grafiidil on hea juhtivus ja stabiilsus, kuid selle energiatihedus on suhteliselt madal. Aku energiatiheduse parandamiseks uurivad teadlased uusi negatiivseid elektroodimaterjale, näiteks ränipõhiseid materjale ja metallilist liitiumi. Ränipõhistel materjalidel on äärmiselt kõrge teoreetiline spetsiifiline maht, kuid laadimis- ja tühjendamisprotsessi käigus toimuvad tohutute mahumuutused, mille tulemuseks on elektroodi struktuuri kahjustamine ja aku tsükli kestvust mõjutav. Metallilisel liitiumil on negatiivse elektroodimaterjalina kõrgeim teoreetiline spetsiifiline võime, kuid on selliseid probleeme nagu halb ohutus ja dendriidi kasv.
(Iii) diafragma
Diafragma on üks kolmekomponentide liitiumakude võtmekomponente. Selle ülesanne on vältida otsest kontakti positiivsete ja negatiivsete elektroodide vahel, võimaldades samas liitiumioonide läbivaatamist. Praegu on tavaliselt kasutatavad diafragmamaterjalid akude ohutuse parandamiseks peamiselt polüetüleen (PE), polüpropüleen (PP) jne. Teadlased arendavad uusi membraanimaterjale, näiteks keraamilisi diafragme ja komposiitmembraike. Nendel uutel diafragmamaterjalidel on suurem termiline stabiilsus ja mehaaniline tugevus ning need võivad tõhusalt ära hoida akude termilise põgenemise.
Iv) elektrolüüt
Elektrolüüt on liitiumioonide ülekande kandja kolmeastmeliste liitiumakude korral ja selle jõudlus mõjutab otseselt aku jõudlust. Praegu koosnevad tavaliselt kasutatavad elektrolüüdid peamiselt liitiumsooladest, orgaanilistest lahustitest ja lisanditest. Akude jõudluse parandamiseks arendavad teadlased uusi elektrolüüte, näiteks suure kontsentratsiooniga elektrolüüdid ja tahked elektrolüüdid. Suure kontsentratsiooniga elektrolüütidel on suurem ioonjuhtivus ja stabiilsus, mis võib parandada akude tsükli ja ohutust. Tahketel elektrolüütidel on suurem ohutus- ja energiatihedus ning need on ühed ternaarse liitiumpatareide tulevased arendussuunad.
Ternaarse liitiumpatareide eelised ja väljakutsed
I) eelised
1. Suure energiatihedus: Ternaarse liitiumakude energiatihedus on kõrge, mis võib vastata kruiisilaevade elektrisõidukite nõuetele.
2. Pikk tsükli eluiga: Ternaarsete liitiumakude tsükli elu on pikk, mis võib vastata elektrisõidukite kasutamise vajadustele.
3. Kiire laadimine ja tühjendamine: Ternaarse liitiumaku akudel on kiirem laadimis- ja tühjenduskiirus, mis võib lühendada elektrisõidukite laadimisaega.
4. Suhteliselt kõrge ohutus: võrreldes muud tüüpi liitiumpatareidega, on kolmekomponentsed liitiumakud suhteliselt ohutumad.
Ii) väljakutsed
1. Halb termilise stabiilsus: kõrge nikli positiivse elektroodi materjalidega on halb termilise stabiilsus ja need on altid akude termilisele põgenemisele.
2. Ohutusprobleemid: Ternaarse liitiumaku akud on ohutusõnnetustele kalduvad sellistes tingimustes nagu ülelaadimine, ülemäärane laadimine ja lühised.
3. Kõrged kulud: Ternaarse liitiumpatareide tootmiskulud on kõrged, mis piirab nende reklaamimist suuremahulistes rakendustes.
4. Tsükli eluiga tuleb parandada: kuigi ternaarsete liitiumakude tsükli eluiga on pikk, ei suuda see siiski vastata elektrisõidukite pikaajalistele kasutusvajadustele.
Ternaarse liitiumpatareide edasised arengusuundumused
I) energiatiheduse parandamine
Ternaarse liitiumaku energiatihedust saab veelgi parendada, optimeerides positiivsete elektroodide koostist ja struktuuri, arendades uusi negatiivseid elektroodimaterjale ja parandades elektrolüütide ioonjuhtivust.
Ii) parandada ohutust
Tugevdage aku termilise põgenemise mehhanismi uurimist, arendage välja uusi diafragmamaterjale ja elektrolüüte ning parandage akude ohutust.
Iii) vähendama kulusid
Vähendage kolmeastmeliste liitiumakude tootmiskulusid, optimeerides tootmisprotsesse, parandades materjali kasutamist ja vähendades toorainekulusid.
(Iv) parandage tsükli eluiga
Parandage kolmekomponentide liitiumpatareide tsükli eluiga, parandades aku projekteerimis- ja tootmisprotsesse, optimeerides laadimis- ja tühjendamisstrateegiaid jne.
Järeldus
Uute energiasõidukite ühe peamise energiaallikana on kolmekomponentide liitiumakude eelised suure energiatiheduse, pika tsükli tööea ning kiire laadimise ja tühjendamise eelised. Kuid nad seisavad silmitsi ka selliste väljakutsetega nagu halb termiline stabiilsus, ohutusprobleemid, kõrged kulud ja jalgrattaelu, mida tuleb parandada.
