Za podmínky, že stejná spotřeba energie, objem a hmotnost sady baterií jsou přísně omezeny, jediný maximální dojezd nového energetického vozidla závisí především na hustotě energie baterie. Jaká je tedy hustota energie baterie?
Hustota energie je množství energie uložené v jednotce prostoru nebo jednotkové hmotnosti hmoty. Hustota energie baterie je množství elektrické energie uvolněné průměrným jednotkovým objemem nebo hmotností baterie, která se obecně dělí na dvě dimenze: hmotnostní hustotu energie a objemovou hustotu energie.
Hmotnostní hustotu energie baterie lze jednoduše vypočítat pomocí tohoto vzorce: Nominální napětí (V) * Jmenovitá kapacita (Ah) / Hmotnost baterie (kg) = specifická energie nebo hustota energie (Wh/kg).
Hustota energie různých typů dobíjecích baterií je následující:
- Energetická hustota olověné baterie se pohybuje mezi 50-70 Wh/kg;
- Energetická hustota nikl-kadmiové baterie se pohybuje mezi 50-80 Wh/kg;
- Energetická hustota nikl-metal hydridové baterie se pohybuje mezi 60-140 Wh/kg;
- Energetická hustota lithium-iontové baterie se pohybuje mezi 150-300 Wh/kg;
Olověné baterie mají nízkou hustotu energie. Pokud se používají k ujetí rodinného auta na více než 200 km, vyžaduje to téměř 1 tunu baterií, což je příliš těžké na to, aby se dalo použít jako zdroj energie pro elektromobily. Dalším důvodem je, že Pb je toxické, není šetrné k životnímu prostředí a výkonnost cyklu olověných baterií je špatná. Vzhledem k tomu, že energetická hustota lithium-iontových baterií je asi 150~300Wh/kg, což je mnohem více než u olověných baterií, stejně jako výkon cyklu, takže lithium-iontové baterie jsou nejlepší volbou pro vývoj nových energetická elektrická vozidla.
V současné době existují na trhu dvě hlavní technické cesty pro lithiové baterie s vysokou energetickou hustotou: Ekonomické LiFePO4 baterie a Lithium-nikl Mangan Cobalt Oxide (NMC) baterie střední až vysoké třídy. V roce 2015 byly LiFePO4 baterie hlavním proudem trhu. V té době se energetická hustota většiny LiFePO4 bateriových systémů na trhu pohybovala kolem 70-90Wh/kg, zatímco energetická hustota baterií NMC byla mnohem vyšší a dosahovala 130Wh/kg. Aby se rychle otevřel trh s osobními automobily, který je citlivý na dojezd, čínská vláda nejprve navrhla vzít hustotu energie baterie jako referenční ukazatel v nové dotační politice energetických vozidel v roce 2016. Čím vyšší hustota energie, tím více dotací. Struktura trhu LiFePO4 baterií a baterií NMC se začala měnit a velké automobilky začaly baterie NMC ve velkém nahrazovat. Od června 2019, se zrušením dotací a vysokými výrobními náklady na lithiové baterie NMC, se LiFePO4 baterie vrátily jako hlavní energetické řešení na trhu. Aby se všichni velcí výrobci baterií přizpůsobili vývoji trhu, zahájili dvoulinkovou strategii LiFePO4 + NMC. Nyní baterie LiFePO4 dosáhla energetické hustoty 210 Wh/kg.
Co omezuje energetickou hustotu lithiových baterií
Lithiová baterie má čtyři klíčové části: anodu, katodu, elektrodu a membránu, které všechny ovlivňují hustotu energie baterie. A elektrody jsou místa, kde dochází k chemickým reakcím. Klíčem ke zlepšení energetické hustoty baterií je vývoj nových materiálů elektrod a zlepšení výrobních procesů.
Z výše uvedeného můžeme vědět, že hustota energie lithiových baterií složených z LiFeO4 a ternárního materiálu Ni Co Mn se velmi liší. Rozdílné poměry Ni, Co a Mn v ternárních materiálech také způsobí rozdíly ve výkonu baterie. Čím vyšší je podíl Ni, tím vyšší je měrná kapacita baterie. Baterie s vysokým Ni kladným katodovým systémem, které jsou v současné době propagovány, mají hustotu energie mezi 240-300Wh/kg (objemová hustota energie 560Wh/L-650Wh/L).
Hlavním proudem materiálu anody na trhu lithiových baterií je hlavně grafit (materiál na bázi uhlíku), ale současné ukládání energie materiálů na bázi uhlíku se blíží teoretické horní hranici. Specifická kapacita anodových materiálů na bázi křemíku může dosáhnout 4200mAh/g, což je mnohem více než teoretická specifická kapacita grafitových anod 372mAh/g. Se zavedením křemíkové uhlíkové anody se energetická hustota bateriového článku zvýší na 300-400Wh/kg (objemová hustota energie 630Wh/L-750Wh/L), čímž se stane účinnou náhradou za grafitovou anodu.
U lithium-iontových baterií vysoká hustota energie znamená, že na jednotku objemu je více aktivního Li+ a pravděpodobněji tvoří ostré lithiové dendrity. Je snadné proniknout membránou a způsobit zkrat nebo explozi baterie. Proto, když usilujeme o vysokou energetickou hustotu, musíme také posílit bezpečnostní ochranná opatření:
- Vylepšete materiál anody a katody, přidejte do elektrolytu retardér hoření atd.;
- Věnujte pozornost stavu používání baterie, posilujte ochrannou konstrukci, konstrukci zpomalující hoření, nadproudovou ochranu atd.;
- Neustále upgradujte řízení systému BMS.