Cómo son la trayectoria tecnológica y las perspectivas de la batería de litio de 500 wh kg
Avances en el desarrollo de la batería de 500 wh kg
En 2021, Enpower anunció una batería de bolsa metálica de litio de 520wh kg
Aunque CATL lanzó la batería de materia condensada durante el Salón del Automóvil de Shanghái en abril, afirmando que la densidad de energía de la célula de la batería puede alcanzar hasta 500 wh kg de batería, pero otros fueron los primeros en realizar la batería de 500 wh kg. Enpower desarrolló con éxito una batería de metal de litio de 520 wh kg ya en octubre de 2021.
Utilizando tecnología de control de interfaz de electrodos de metal de litio y una fórmula única de electrolito/masa, la capacidad es de 3,6 Ah, el peso es de unos 26,5 g, la tensión media es de 3,85 V y el rango de tensión de trabajo es de 3,0-4,3 V.
Amprius anuncia una batería de petaca de silicio de 500 wh kg para principios de 2023
Amprius anunció su batería de litio de nuevo desarrollo en marzo de 2023. Tras las pruebas realizadas por un laboratorio externo, la densidad energética superó los 500 wh kg de batería. Con un SOC de 30%, la densidad de energía volumétrica alcanza los 1300wh/L.
Esta célula utiliza un ánodo basado en silicio, el rango de tensión de trabajo es de 2,4-4,37V, y el cátodo también es un ternario de alto contenido en níquel. Sin embargo, debido a su bajo voltaje, sólo 3,45V, la energía específica de >500 wh kg de batería necesita ser superior a 65% de la masa del material del cátodo.
Su densidad superficial positiva es muy alta, lo que da lugar a un bajo rendimiento de la tasa, la tasa de descarga es de 0,1C, y la tasa de corte de carga es de sólo 0,01C. Además, debido al pequeño tamaño de la célula de la batería y a la elevada relación de masas de la lámina de cobre y la lámina de aluminio del colector de corriente, es probable que se utilice la tecnología de lámina de cobre compuesta y lámina de aluminio compuesta para reducir el peso, a fin de aumentar mejor la relación de masas del material activo del cátodo.
En abril de 2023, CATL anunció la batería de materia condensada de 500 wh kg
CATL presentó la batería de materia condensada en el Salón del Automóvil de Shanghái en abril de 2023, con una densidad energética máxima de 500wh/kg, combinando electrolitos biónicos de estado condensado de alta potencia, cátodo de alta energía específica, nuevo ánodo, separadores y procesos de producción optimizados.
Entendido literalmente, el nuevo tipo de ánodo y la optimización del proceso de producción, si se quiere alcanzar la energía específica de 500wh/kg, es muy probable que se utilice el ánodo de metal de litio. Se dice que las baterías de materia condensada batería de polímero de litio, se van a aplicar a los aviones eléctricos, la seguridad es lo primero, y la seguridad de las baterías ternarias de alto contenido en níquel es preocupante.
Para alcanzar la densidad energética de 500 wh kg de batería, además del ternario de alto níquel, el cobalto de litio de alto voltaje y el manganeso rico en litio de alta capacidad son también vías opcionales. El rendimiento de seguridad de la primera puede ser peor que el del alto níquel, y el de la segunda es ligeramente mejor.
Tras una serie de análisis y modificaciones por parte de expertos, la capacidad del primer gramo de descarga del material de manganeso rico en litio alcanzó los 300mAh/g, la tensión media se situó en torno a los 3,45V, y la capacidad específica teórica del material alcanzó los 1035wh/kg.
Siempre que el material del cátodo represente más de 50%, se puede alcanzar la densidad energética de una batería completa de 500 wh kg de batería. Aunque la densidad de los materiales de manganeso ricos en litio es un poco inferior a la de los materiales ternarios, es relativamente fácil alcanzar una relación de masa de 50%.
Valor de investigación de la batería de 500 wh kg
La batería de 500 wh kg debe realizarse mediante una optimización extrema de los materiales y el diseño de la batería.
En cuanto a los materiales, los actuales materiales de cátodo de las pilas de litio son todos en forma de Li+M+Óxido: En primer lugar, como el ánodo no contiene litio, debe haber litio en el material del cátodo. En segundo lugar, como se trata de una reacción redox, debe haber un estado de valencia variable, por lo que debe haber un metal de transición.
El litio y los metales de transición son ambos positivos, y la valencia de los metales de transición es relativamente alta, generalmente alrededor de +3, por lo que se necesitan al menos 2 átomos de O. De este modo, el material catódico adecuado debe ser como mínimo LiMO2. Por lo tanto, en el caso de una transferencia máxima de 1 mol de Li, la capacidad en gramos del material estratificado es la más alta, y es la primera opción para las baterías de alta energía específica.
A modo de comparación, el material espinela LiMn2O4 equivale a transferir sólo 0,5 moles de litio (Li0,5MnO2), por lo que la capacidad teórica es baja. Sin embargo, LiFePO4 aumenta el peso de PO2, por lo que la capacidad específica teórica también es relativamente baja. A través del análisis anterior se ha sabido que el LCO de alto voltaje y el ternario de alta capacidad y alto níquel del material estratificado pueden alcanzar una densidad energética de 500wh/kg.
Sin embargo, la seguridad de estos dos materiales es muy deficiente. La temperatura de descomposición térmica y liberación de oxígeno será inferior a 150°C, y la temperatura máxima de fuga térmica puede alcanzar más de 800°C. Por lo tanto, aunque se puede conseguir una alta energía específica, no se puede garantizar una alta seguridad, y es necesario desarrollar nuevos sistemas de materiales.
Los expertos han propuesto que los elementos multielectrónicos y ligeros son direcciones importantes para que las baterías de iones de litio alcancen una elevada energía específica. Los materiales ricos en litio a base de manganeso consiguen una gran capacidad mediante transferencia poliatómica, y de hecho también podemos conseguir una gran capacidad utilizando elementos más ligeros. La más radical de estas vías es la batería de litio-aire, es decir, la reacción del Li con el O2, pero su reversibilidad es especialmente pobre.
En resumen, incluso sin tener en cuenta el valor comercial, la investigación y el desarrollo de la batería de 500 wh kg tiene mucho valor académico. Puede ampliar continuamente los límites de los materiales de alta capacidad y mejorar las deficiencias de los materiales mediante la investigación y el desarrollo para lograr sistemas de baterías de alta energía específica, bajo coste y alta seguridad.
Perspectivas de aplicación de la batería de 500 wh kg
con el apoyo de la tecnología CTP, la autonomía de crucero de los vehículos eléctricos puros ha superado los 1.000 km. Entre ellos, está lista para entregarse la versión con batería Jikrypton 001 Kirin, con una energía de 140kwh y una autonomía de 1032km. La energía específica de la célula de la batería es de 285wh/kg, y la densidad energética del paquete de baterías es de unos 205wh/kg.
Se puede observar que la energía específica de la célula de la batería es inferior a 300wh/kg, lo que ya cumple los requisitos de la vida útil de la batería de los vehículos eléctricos durante miles de kilómetros. Para los vehículos eléctricos, sobre la premisa de satisfacer la duración de la batería, el coste y la seguridad son más importantes para los consumidores. En otras palabras, mientras se satisfagan las necesidades básicas, la duración de la batería es suficiente.
Seguir aumentando la duración de la batería sobre esta base tendrá efectos marginales decrecientes y no mejorará significativamente la experiencia del usuario. Aunque la batería de 500 wh kg garantice una alta energía específica y una elevada seguridad, es difícil equilibrar coste, potencia, vida útil, etc., por lo que la esperanza de uso en el automóvil es relativamente escasa.
Además del uso en automoción, los productos electrónicos 3C son también escenarios de aplicación muy importantes de la batería de 500 wh kg. Las pequeñas baterías de petaca desarrolladas por empresas como Enpower y Amprius también están más cerca de los escenarios de uso 3C. Sin embargo, el escenario 3C en 10 principales fabricantes de baterías de litio 3C de consumo presta más atención a la densidad energética volumétrica, por lo que las perspectivas de los materiales a base de silicio son mejores que las del litio metálico.
Además, las aeronaves civiles y militares son los escenarios de aplicación más adecuados para la batería de 500 wh kg, que no requieren una elevada relación volumen-capacidad, pero sí elevados requisitos de relación masa-energía. Además, las aeronaves civiles tripuladas (eVOLT) son también un mercado importante, incluidos los coches voladores.
Farasis ha cooperado con fabricantes de aviones eléctricos de renombre internacional ya en 2021. Se han fabricado en serie los productos de baterías para eVTOL, equipados con baterías de 285wh/kg. El tiempo de vuelo es de 43 minutos, la velocidad de vuelo es de 320 km/h y la distancia de vuelo es de 250 km. Se ha completado la prueba de vuelo del avión eléctrico tripulado.
CATL anunció en abril de 2023 que la densidad energética de la batería de materia condensada de la empresa alcanza los 500 wh kg de batería, y está cooperando en el desarrollo del proyecto de avión tripulado eléctrico civil.
Estas empresas utilizan principalmente batería ternaria de litio. Porque eVOLT valora factores como la seguridad, el rendimiento a baja temperatura, la densidad energética y la velocidad de carga y descarga instantánea. Partiendo de estos puntos, se puede igualar el ternario.
Conclusión
La batería de 500 wh kg es imprescindible para las rutas de baterías avanzadas de China, Estados Unidos, Japón y otros países, y hasta ahora se han hecho los progresos correspondientes. Aunque la probabilidad de que una batería de 500 wh kg se aplique en el campo de las baterías de potencia es muy baja, durante el proceso de desarrollo se acumularán muchos conocimientos y experiencia.
Puede allanar el camino para la próxima generación de baterías de alta energía específica, y también puede utilizarse en sistemas existentes para reducir costes y mejorar la seguridad. La comercialización de la batería de 500 wh kg puede compensar la falta de densidad energética y ayudar a que las baterías de litio se eleven en el vasto cielo.
