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实现更好的锂离子电池的五条关键途径

2022年10月26日编辑器的选择电力电子/电源管理

目前的锂离子电池基于石墨阳极、液体电解质和正极材料(如NMC和LFP),通常被认为已经达到了性能极限。然而,从电池材料到电池设计,仍有几种途径可以进一步提高性能和成本。

目前的锂离子电池基于石墨阳极、液体电解质和正极材料(如NMC和LFP),通常被认为已经达到了性能极限。然而,从电池材料到电池设计,仍有几种途径可以进一步提高性能和成本。

从石墨到硅的转变

硅阳极有望显著提高能量密度和性能,提供了一个令人兴奋的替代现有的石墨阳极。虽然硅材料已经在阳极中使用了<5 wt%的少量,但由于其固有的体积膨胀和由此产生的稳定性和循环寿命问题,超越其作为添加剂的用途已经被证明是困难的。然而,硅阳极技术在过去的10到15年里稳步改进,允许电池在阳极中使用5%到100%的硅。

阴极合成新方法

未来的锂离子电池很可能会使用类似的一套正极材料,目前已经可以在市场上买到。LNMO或与LFP相关的LMFP可以被视为例外,尽管它们都不会改善能量密度,但在高性能和低成本之间做出了不同的权衡。富含li - mn的NMC阴极可以提供适度的能量密度提高,但商业开发有限且缓慢。阴极材料的改进通常是渐进式的。相反,阴极技术和创新的最大转变可能源于它们的合成方式。目前的合成技术需要在相对较长的时间(天)内保持高温,同时还需要大量的试剂和水,导致制造成本高和对环境的影响。Nano One Materials和6K Energy是两家致力于将合成正极材料的新方法商业化的公司。

Nano One Materials利用一种基于溶液的“一锅”方法来生产涂层阴极材料。该公司与阴极制造商Pulead建立了合作关系,并于2022年早些时候与巴斯夫签署了一项开发协议。6K能源公司利用微波等离子体反应器来生产阴极材料,尽管他们也能够合成硅阳极和固体电解质材料。

固体电解质和新的电解质配方

虽然固体电解质在电解液技术方面受到了很大的关注,但新添加剂和电解质配方的使用可以为液体电解质系统提供持续的增量改进。例如,New Dominion Enterprises正在开发基于磷腈和磷氮化合物的电解质添加剂和溶剂,以帮助提高安全性和性能。具体来说,他们的电解质添加剂材料可以提高热稳定性,降低蒸汽压,促进SEI的形成。从长远来看,该公司的目标是用他们的电解质系统完全取代传统使用的有机溶剂,并可能显著提高安全性。

然而,许多电动汽车制造商的圣杯电池技术仍然是固态电池,它可以通过用固体电解质取代目前使用的易燃液体电解质来显著提高安全性。此外,固体电解质还提供了使用锂金属阳极的潜力,这可以将能量密度提高到1000 Wh/l以上。固体电解质系统在稳定性、循环寿命、可制造性甚至安全性方面的挑战意味着不同电解质系统之间的竞争仍在继续。

节省空间的电池组

特别是对于电动汽车,电池组的设计为提高性能提供了另一个关键途径。许多汽车公司已经宣布采用电池包式设计,以消除与模块外壳相关的材料,优化包装效率,最终有助于提高能量密度,并提高电池与汽车的集成程度。在2022年早些时候,CATL宣布其LFP包可以达到160 Wh/kg和290 Wh/l,开始与NMC同行竞争。最大限度地提高能量密度可以帮助减轻廉价LFP电池的主要缺点,为更便宜的远程电池提供一条途径。然而,这些类型的电池设计的缺点是降低了可用性,这可能会限制它们在商用车中的使用。

更智能的电池管理系统

电池管理系统(BMS)的改进可以为提高电池性能的多个方面提供一条途径,而无需解决与材料开发相关的挑战。例如,Qnovo强调了其BMS软件和分析可以同时帮助提高安全性、循环寿命和充电时间,并增加电池的可用容量。该公司通过结合电池使用数据和电池阻抗测量来实现这一目标,这些数据可以为锂离子电池的物理模型提供信息,进而用于优化操作和充电协议。

除了电动汽车,改进后的BMS对智能手机或电动工具等其他终端用途也非常有价值。一加10T宣称能在19分钟内充满1到100%电量,这在一定程度上是由更智能的充电算法以及更高效的热管理实现的。除了这种快速充电功能,一加还宣传其循环寿命为1600次,超过了LCO和消费电子电池宣传的典型循环寿命。虽然电池的开发通常包括在能量密度、循环寿命、快速充电和安全性等关键性能特征之间的权衡,但BMS的改进可以切实改善所有这些性能。

最终,有许多方法可以提高电池性能和成本。虽然一些发展可能只会带来增量效益,但它们的结合将使锂离子电池的性能继续稳步前进。

欲了解更多信息,请访问www.idtechex.com




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