V današnji dobi energije so litijeve baterijske celice kot osrednje sestavne dele različnih litijevih baterij v ospredju tehnoloških inovacij. Od cvetočega razvoja električnih vozil do široke priljubljenosti prenosnih elektronskih naprav in kritične podpore sistemov za shranjevanje energije za stabilnost omrežja pa delovanje litijevih baterijskih celic neposredno določa učinkovitost celotnega sistema za shranjevanje in pretvorbo energije. V zadnjih letih je z naraščajočim globalnim povpraševanjem po čisti energiji in neusmiljenim zasledovanjem trajnostnega razvoja tehnologija litijevih baterijskih celic doživela eksplozivne inovacije in preboje, kar je prineslo nove spremembe in priložnosti za uporabo v različnih panogah.
Materialna inovacija: odpiranje vrat za izboljšanje uspešnosti
Raznoliko raziskovanje pozitivnih elektrod
Pozitivni materiali elektrode igrajo ključno vlogo v litijevih baterijskih celicah, njihove značilnosti pa v veliki meri določajo pomembne kazalnike, kot so gostota energije, učinkovitost naboja in odvajanje ter življenjska doba celic. Čeprav imajo tradicionalni litijevi kobaltni oksidni katodni materiali visoko delovno napetost in gostoto energije in so bili pogosto uporabljeni v izdelkih zgodnje potrošniške elektronike, je njihova obsežna uporaba omejena zaradi pomanjkanja virov kobalta, visokih cen in nekaterih nevarnosti za varnost. V zadnjih letih so se na področju visokih prednosti energije pogosto uporabljali Ternarni materiali (nikelj kobalt manganski oksid litij NCM, nikelj kobalt aluminijev oksid NCA) na področju električnih vozil. Na primer, gostota energije visokih nikljevih terminskih materialov (na primer NCM811) lahko doseže 200-300 WH\/kg, kar se v primerjavi z litijevim kobaltnim oksidom znatno izboljša in močno poveča obseg električnih vozil. Hkrati so katodni materiali litijevega železovega fosfata (LFP) pokazali močno konkurenčnost v sistemih za shranjevanje energije in nekaterih električnih vozil z visokimi varnostnimi zahtevami zaradi odlične varnosti, življenjske dobe dolgega cikla in nizkih stroškov. Z nenehnim napredkom tehnologije se aktivno raziskujejo tudi raziskave o spreminjanju novih pozitivnih elektrod, kot so litijev manganov oksid (LMO) in materiali, ki temeljijo na litiju, ki temeljijo na manganu. Pričakuje se, da bodo ti materiali v prihodnosti še izboljšali celovito delovanje litijevih baterijskih celic in zagotovili bolj raznolike odločitve za različne scenarije uporabe.
Pot sprememb v materialih z negativnimi elektrodami
Tudi negativni materiali elektrod so doživeli globoke spremembe. Grafit je že dolgo glavni material za negativno elektrodo litijevih baterij zaradi dobre prevodnosti, nizkega potenciala vstavitve litija in obilnih rezerv. Vendar je teoretična specifična zmogljivost grafita razmeroma nizka (približno 372mAh\/g), kar otežuje zadovoljevanje vse večjega povpraševanja po visoki energijski gostoti. Da bi premagali to omejitev, so negativni materiali na osnovi silicijevega materiala postali raziskovalna žarišče. Teoretična specifična zmogljivost silicija znaša kar 4200mAh\/g, kar je več kot desetkrat več kot pri grafitu. Če je problem velike širitve volumna med polnjenjem in izpustom učinkovito rešiti, bo močno izboljšala energijsko gostoto litijevih baterijskih celic. Trenutno sta se kolesarska stabilnost in prva kulombična učinkovitost negativnih elektrod na osnovi silicijeva bistveno izboljšala s tehnološkimi sredstvi, kot so nanomaterializacija, kompozitni material in sestavljen z drugimi materiali (kot so ogljikovi materiali). Nekatera podjetja so na primer razvila silicijeve ogljikove kompozitne negativne elektrode, ki so bili komercialno uporabljeni, kar izboljšuje energijsko gostoto baterijskih celic, hkrati pa zagotavlja dobro življenjsko dobo cikla. Poleg tega so se v nekaterih scenarijih uporabe postopoma pojavljali negativni materiali litijevega titanata (LTO), ki zahtevajo izjemno visoko varnost in življenjsko dobo, kot so elektrarne z energijo, pomožne napajalnice železniškega tranzita itd.
Optimizacija in nadgradnja elektrolita
Elektrolit kot nosilec za transport ionov v litijevih baterijskih celicah pomembno vpliva na učinkovitost polnjenja in odvajanja, značilnosti hitrosti in življenjsko dobo celic. Tradicionalni elektroliti so sestavljeni predvsem iz litijevih soli (na primer litijev heksafluorofosfat lipf ₆), organska topila (kot so karbonati) in aditivi. V zadnjih letih so se za zadovoljevanje razvojnih potreb visokonapetostnih in visokoenergijskih gostot baterij za optimizacijo in nadgradnjo elektrolitov osredotočali predvsem na izboljšanje litijevih soli, razvoj novih topil in inovativno uporabo aditivov. Glede na litijeve soli so raziskovalci raziskovali različne nove vrste litijevih soli, kot je litijev difluorosulfonilni imid (LIFSI). V primerjavi z LIFF ₆ ima LIFSI večjo prevodnost, boljšo toplotno in kemično stabilnost, kar lahko učinkovito izboljša visokotemperaturno delovanje in življenjsko dobo baterij. Glede na topila lahko uvedba novih topil z visokimi vrelišči in visokimi bliskovitimi točkami, kot so sulfonska topila, izboljšajo varnost in visokotemperaturno stabilnost elektrolitov. Hkrati lahko z dodajanjem dodatkov z različnimi funkcijami, kot so dodatki za oblikovanje filmov, dodatki za zaviralce plamena, dodatki za zaščito pred donajem itd., Se lahko na elektrodni površini oblikuje stabilen trdni elektrolitni vmesnik (SEI), da zavirajo pojav stranskih reakcij in izboljšajo varnost in cikliranje baterije. Na primer, dodajanje majhne količine zaostalih dodatkov za plamen v elektrolit lahko znatno zmanjša tveganje za vžig baterije in eksplozijo v pogojih z visoko temperaturo ali prekomernim pogojem.
Strukturna inovacija: izboljšanje uspešnosti in zanesljivosti
Inovacije v obliki celic in embalaži
Oblika in embalažna oblika litijevih baterijskih celic pomembno vpliva na njihovo zmogljivost, izkoriščenost prostora in prilagodljivost scenarijem uporabe. Običajne oblike baterijskih celic vključujejo valjasti, kvadratni in mehki paket. Cilindrične baterijske celice so bile pogosto uporabljene v zgodnjih električnih vozilih in poljih za shranjevanje energije zaradi njihovega standardiziranega proizvodnega procesa, dobre zmogljivosti odvajanja toplote in visoke konsistence. Na primer, cilindrične baterijske celice, kot sta 18650 in 21700, so bile pogosto uporabljene v zgodnjih Teslinih modelih. Vendar imajo cilindrične celice problem z nizko uporabo prostora, če so združene. Kvadratne baterijske celice imajo prednosti pri uporabi prostora in se lahko bolje prilagodijo različnim modelom akumulatorjev in se pogosto uporabljajo v obsežnih sistemih za shranjevanje energije in nekaterih električnih vozilih. V zadnjih letih so se v potrošniški elektroniki, električnih vozilih in nekaterih aplikacijah, ki zahtevajo strog prostor in težo zaradi njihovih lahkih, prilagodljivih in visokih varnostnih lastnosti, pojavile mehke paketne baterijske celice. Mehke paketne baterijske celice so pakirane z aluminijevim plastičnim filmom, ki je lažje teže v primerjavi s kovinsko embalažo lupine in manj nagnjeno k eksploziji, če jih podvržemo zunanji udarci, kar ima za posledico večjo varnost. Medtem je mogoče mehke paketne baterijske celice oblikovati v različnih oblikah in velikostih glede na različne zahteve uporabe, kar močno izboljša uporabo prostora in prilagodljivost oblikovanja izdelka.
Optimizacija notranje strukture in inovacije
V notranji strukturi baterijskih celic je bila izvedena tudi vrsta inovativnih optimizacij. Na primer, da bi izboljšali energijsko gostoto in zmogljivost odvajanja baterije v baterijski celici, smo uporabili kombinacijo visokega nikljevega pozitivnega materiala in negativnega materiala na osnovi silicija, debelina prevleke, gostota zbiranja in oblikovanje elektrode elektrode pa je bila optimizirana za povečanje deleža aktivnega materiala in zmanjšanje notranje upor baterije. Hkrati so bile izboljšane pri izbiri in oblikovanju ločevalcev z uporabo tanjših, večje trdnosti in dobrih materialov za ločevanje prevodnosti ionov, ki lahko zmanjšajo celotno debelino baterije, učinkovito preprečujejo pozitivne in negativne kratke vezje ter izboljšajo življenjsko dobo in življenjsko dobo baterije. Poleg tega lahko nekatere nove notranje strukturne zasnove baterijskih celic, na primer uporaba laminiranih struktur namesto tradicionalnih vijugastih struktur, zmanjšajo odpornost in polarizacijo znotraj baterijskih celic, izboljšajo učinkovitost polnjenja in odvajanja ter kolesarsko stabilnost baterije. Laminirana struktura lahko tudi porazdelitev napetosti znotraj baterijske celice bolj enakomerna, zmanjša razgradnjo zmogljivosti, ki jo povzroči koncentracija napetosti, in tako izboljša splošno zanesljivost baterije.
Inovacije proizvodnega procesa: k učinkovitosti, natančnosti in inteligenci
Napredni proizvodni procesi povečujejo učinkovitost in kakovost proizvodnje
Proces proizvodnje litijevih baterijskih celic odločilno vpliva na njihovo delovanje in kakovost. V zadnjih letih je bil z razvojem inteligence in avtomatizacije v proizvodni industriji dosežen pomemben napredek v proizvodnem procesu litijevih baterijskih celic. V postopku pripravljanja elektrode so sprejete napredne tehnike prevleke, kot sta reza in prevleka z vejicami, ki lahko dosežejo natančnejši nadzor debeline prevleke in večjo hitrost prevleke, izboljšajo učinkovitost proizvodnje in zagotovijo enotnost in konsistentnost elektrodnega premaza ter tako povečajo stabilnost zmogljivosti baterijske celice. Uporaba opreme za avtomatizacijo v postopku navijanja ali laminiranja je močno izboljšala učinkovitost proizvodnje in kakovost izdelka. Oprema z visoko natančnostjo vijuganja lahko doseže tesno in enakomerno navijanje kosov, zmanjša vrzeli znotraj baterijske celice in izboljša gostoto energije; Samodejna oprema za zlaganje lahko doseže hitre in visoko natančne operacije zlaganja, tako da zagotovi poravnavo in doslednost zlaganja ter zmanjša tveganje za kratke vezje baterije, ki jih povzroča slabo zlaganje. Poleg tega se v postopku sestavljanja in embalaže baterijskih celic uporabljajo napredne tehnologije varjenja, kot sta lasersko varjenje in ultrazvočno varjenje, ki lahko doseže trdno povezavo kovinskih komponent, izboljšajo tesnjenje in zanesljivost baterije ter zmanjšajo vpliv toplote na notranje materiale med varilnim procesom.
Izdelava inteligentnega sistema za spremljanje in kakovosti
Za izpolnjevanje strogih zahtev za kakovost in doslednost izdelka v obsežni proizvodnji so podjetja Litijeve baterijske celice uvedla inteligentno proizvodno tehnologijo in zgradila sistem za spremljanje kakovosti zvoka. Z uvajanjem velikega števila senzorjev in inteligentnih naprav za zaznavanje na proizvodni liniji se podatki v realnem času zbirajo med proizvodnim procesom, kot so temperatura, tlak, tok, napetost, debelina prevleke, velikost elektrode itd., In ti podatki se analizirajo in obdelujejo v realnem času z uporabo tehnologij, kot so velika analiza podatkov in umetna analiza. Ko se med proizvodnim postopkom odkrijejo nenormalne situacije, lahko sistem izda pravočasno opozorila in samodejno prilagodi proizvodne parametre ali ustavi proizvodnjo, da se izogne proizvodnji okvarjenih izdelkov. Hkrati lahko uporaba inteligentnih proizvodnih sistemov za globoko rudarjenje in analiza proizvodnih podatkov doseže tudi nenehno optimizacijo in izboljšanje proizvodnih procesov, izboljšanje učinkovitosti proizvodnje in zmanjšanje stroškov proizvodnje. Na primer, z analizo podatkov o polnjenju in praznjenju velikega števila baterijskih celic in vzpostavitvijo modela napovedovanja zmogljivosti baterijskih celic lahko potencialne okvarjene baterijske celice vnaprej pregledate, kar izboljša splošno kakovost in zanesljivost izdelka. Poleg tega lahko inteligentni proizvodni sistemi dosežejo tudi sledljivost v proizvodnem procesu. Zabeležene so celotne informacije o postopku vsake baterijske celice od nabave surovin do dostave končnega izdelka, kar olajša hitro sledenje in odpravljanje težav s kakovostjo.