หัวใจของการจัดเก็บพลังงาน: ความก้าวหน้าที่ทันสมัยในเทคโนโลยีเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียม

ในคลื่นของการเร่งการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างพลังงานทั่วโลกไปสู่พลังงานหมุนเวียนแบตเตอรี่ลิเธียมซึ่งเป็นพาหะสำคัญของการจัดเก็บพลังงานที่มีประสิทธิภาพกำลังอยู่ระหว่างการเปลี่ยนแปลงทางเทคโนโลยีอย่างลึกซึ้งในส่วนประกอบหลัก - เซลล์แบตเตอรี่ลิเธียม เซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมเป็นเหมือน "หัวใจ" ของระบบแบตเตอรี่และประสิทธิภาพของพวกเขาจะกำหนดตัวชี้วัดที่สำคัญโดยตรงเช่นความหนาแน่นของพลังงานอายุการใช้งานและความปลอดภัยของแบตเตอรี่ซึ่งเกี่ยวข้องกับทิศทางการพัฒนาของการจัดเก็บพลังงานทั้งหมดและสนามแอปพลิเคชัน

1 นวัตกรรมวัสดุ: แรงผลักดันสำคัญในการฝ่าคอขวดประสิทธิภาพ

(1) วัสดุอิเล็กโทรดเชิงบวก: การย้ายจากประเพณีไปสู่นวัตกรรมที่หลากหลาย

ในวันแรก ๆ ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมในสนามอิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคเนื่องจากแพลตฟอร์มแรงดันสูงและความหนาแน่นของพลังงาน อย่างไรก็ตามความขาดแคลนราคาสูงและความเป็นพิษสูงของทรัพยากรโคบอลต์ จำกัด การส่งเสริมการขายขนาดใหญ่ ต่อจากนั้นวัสดุลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LFP) เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในทุ่งแบตเตอรี่พลังงานและการจัดเก็บพลังงานเนื่องจากความปลอดภัยสูงอายุการใช้งานที่ยาวนานและต้นทุนค่อนข้างต่ำ ทุกวันนี้วัสดุ Ternary นิกเกิลสูง (เช่น NCM811, NCA ฯลฯ ) ได้กลายเป็นฮอตสปอตการวิจัยและแอปพลิเคชัน การเพิ่ม NCM811 เป็นตัวอย่างการเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญของเนื้อหานิกเกิลได้เปิดใช้งานความหนาแน่นของพลังงานทางทฤษฎีเกิน 300Wh\/kg เกือบสองเท่าของลิเธียมฟอสเฟตลิเธียมแบบดั้งเดิมช่วยปรับปรุงความสามารถในการเก็บพลังงานของเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมอย่างมีนัยสำคัญ แรงผลักดันจากความต้องการยานพาหนะไฟฟ้าระยะยาวสัดส่วนการใช้งานยังคงเพิ่มขึ้น ในขณะเดียวกันวัสดุอิเล็กโทรดเชิงบวกใหม่เช่นลิเธียมแมงกานีสเหล็กฟอสเฟต (LMFP) ก็กำลังได้รับการพัฒนาอย่างแข็งขัน มันรวมความปลอดภัยและต้นทุนต่ำของลิเธียมเหล็กฟอสเฟตเข้ากับลักษณะแรงดันไฟฟ้าสูงของแมงกานีสออกไซด์ลิเธียมและคาดว่าจะกลายเป็นวัสดุอิเล็กโทรดเชิงบวกกระแสหลักรุ่นต่อไป

​
(2) วัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบ: การแสวงหากำลังการผลิตและเสถียรภาพที่เฉพาะเจาะจงสูงขึ้น

กราไฟท์เป็นวัสดุกระแสหลักสำหรับอิเล็กโทรดเชิงลบของเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมที่มีต้นทุนต่ำศักยภาพในการแทรกลิเธียมต่ำและประสิทธิภาพการขี่จักรยานที่ดี อย่างไรก็ตามด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่ความจุเฉพาะทางทฤษฎีของกราไฟท์ขั้วบวก (372mAh\/g) ค่อยๆกลายเป็นปัจจัย จำกัด วัสดุที่ใช้ซิลิคอนได้กลายเป็นทิศทางสำคัญสำหรับนวัตกรรมในวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบเนื่องจากความสามารถเฉพาะทางทฤษฎีสูงถึง 4200mAh\/g ซึ่งมากกว่า 10 เท่าของกราไฟท์ อย่างไรก็ตามซิลิคอนผ่านการขยายตัวของปริมาณอย่างมีนัยสำคัญ (สูงถึง 300% -400%) ในระหว่างกระบวนการชาร์จและการปลดปล่อยซึ่งนำไปสู่การบดขยี้ของวัสดุและความเสียหายต่อโครงสร้างอิเล็กโทรดซึ่งส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่ นักวิจัยได้เตรียมวัสดุคอมโพสิตซิลิกอนคาร์บอนโดยการกระจายอนุภาคนาโนซิลิกอนอย่างสม่ำเสมอในเมทริกซ์คาร์บอนโดยใช้ความยืดหยุ่นของวัสดุคาร์บอนเพื่อบัฟเฟอร์การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของซิลิกอน ตัวอย่างเช่นวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบของซิลิคอนคอมโพสิตเชิงลบที่พัฒนาโดยองค์กรบางแห่งสามารถบรรลุอายุการใช้งานรอบกว่า 1,000 ครั้งในขณะที่ยังคงความสามารถที่เฉพาะเจาะจงสูง นอกจากนี้อิเล็กโทรดเชิงลบของลิเธียมไททาเนต (LTO) ได้ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในสถานการณ์การจัดเก็บพลังงานที่มีข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสูงมากเนื่องจากประสิทธิภาพความปลอดภัยที่ยอดเยี่ยมการชาร์จอย่างรวดเร็วและความสามารถในการปลดปล่อยและอายุการใช้งานที่ยาวนานเป็นพิเศษ (สูงสุด 10,000 เท่า) แม้ว่าความหนาแน่นของพลังงานจะค่อนข้างต่ำ (ประมาณ 120-180 wh\/kg) แต่ก็ยังมีพื้นที่สำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างและวิธีการอื่น ๆ

2 การเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบโครงสร้าง: ปรับปรุงประสิทธิภาพที่ครอบคลุมของเซลล์แบตเตอรี่

(1) การพัฒนานวัตกรรมของกระบวนการเคลือบและขดลวด

ในการผลิตเซลล์แบตเตอรี่การเคลือบและขดลวดเป็นวิธีการหลักสองวิธี กระบวนการขดลวดแบบดั้งเดิมมีข้อดีของประสิทธิภาพการผลิตสูงและต้นทุนอุปกรณ์ต่ำ อย่างไรก็ตามเมื่อผลิตเซลล์แบตเตอรี่ความจุขนาดใหญ่มีแนวโน้มที่จะเกิดปัญหาเช่นการกระจายแรงที่ไม่สม่ำเสมอบนแผ่นอิเล็กโทรดและความเข้มข้นของความเครียดภายในซึ่งส่งผลต่อความสอดคล้องและความปลอดภัยของประสิทธิภาพของเซลล์แบตเตอรี่ กระบวนการเคลือบสามารถทำให้การสัมผัสระหว่างขั้วไฟฟ้าได้สม่ำเสมอมากขึ้นการกระจายปัจจุบันมีความเสถียรมากขึ้นและทำงานได้ดีในการปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานและอายุการใช้งานรอบเซลล์แบตเตอรี่โดยเฉพาะอย่างยิ่งเหมาะสำหรับสถานการณ์การใช้งานระดับสูงที่ต้องการความปลอดภัยและประสิทธิภาพสูงมาก ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมานวัตกรรมอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีลามิเนตได้ปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตอย่างมากผ่านการวิจัยและการประยุกต์ใช้อุปกรณ์ลามิเนตความเร็วสูง ตัวอย่างเช่น Honeycomb Energy ใช้เทคโนโลยีการเคลือบแบบสวิงด้วยความเร็วการเคลือบเพียงครั้งเดียวสูงถึง 0. 6s ระยะที่สองวางแผนที่จะเพิ่มความเร็วเป็น 0. 45S และระยะที่สามจะพัฒนา 0. 25S อุปกรณ์ลามิเนตความเร็วสูงพิเศษซึ่งคาดว่าจะได้รับความได้เปรียบด้านต้นทุนและประสิทธิภาพในการผลิตกระบวนการเคลือบขนาดใหญ่ในอนาคต

(2) การสำรวจและการประยุกต์ใช้โครงสร้างเซลล์ใหม่

เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แบตเตอรี่การออกแบบโครงสร้างใหม่ยังคงปรากฏต่อไป ในหมู่พวกเขาเทคโนโลยี CTP (Cell to Pack) และ CTC (Cell to Chassis) ได้รับความสนใจอย่างมาก เทคโนโลยี CTP กำจัดส่วนประกอบบางส่วนของโมดูลแบตเตอรี่แบบดั้งเดิมโดยการรวมเซลล์แบตเตอรี่เข้ากับชุดแบตเตอรี่โดยตรงลดจำนวนส่วนประกอบภายในชุดแบตเตอรี่เพิ่มการใช้พื้นที่และความหนาแน่นของพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพและเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ เทคโนโลยี CTC ดำเนินต่อไปโดยการรวมเซลล์แบตเตอรี่เข้ากับแชสซียานพาหนะโดยตรงเพื่อให้ได้การรวมกันอย่างลึกซึ้งระหว่างแบตเตอรี่และโครงสร้างของร่างกาย สิ่งนี้ไม่เพียง แต่ช่วยปรับปรุงการใช้พื้นที่และช่วงของยานพาหนะเท่านั้น แต่ยังช่วยลดน้ำหนักและต้นทุนการผลิตของยานพาหนะทั้งหมด เทสลาเป็นผู้นำในการใช้เทคโนโลยี CTC ในบางรุ่นเพิ่มช่วงของยานพาหนะ 10% -20% และเป็นผู้นำแนวโน้มการพัฒนาของอุตสาหกรรม

3 การอัพเกรดกระบวนการผลิต: สร้างความมั่นใจในคุณภาพและความสอดคล้องของเซลล์

(1) กระบวนการเตรียมอิเล็กโทรดที่มีความแม่นยำสูง

การเตรียมอิเล็กโทรดเป็นขั้นตอนสำคัญในการผลิตเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมซึ่งมีผลโดยตรงต่อความสอดคล้องของประสิทธิภาพของเซลล์ กระบวนการเคลือบอิเล็กโทรดแบบดั้งเดิมมีปัญหาเช่นความหนาของการเคลือบที่ไม่สม่ำเสมอและการกระจายอนุภาคที่ไม่สอดคล้องกันซึ่งส่งผลให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาแตกต่างกันในส่วนต่าง ๆ ของแบตเตอรี่ในระหว่างการชาร์จและการปล่อยส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพโดยรวมและอายุการใช้งาน ทุกวันนี้กระบวนการเคลือบที่มีความแม่นยำสูงเช่นการเคลือบร่องและการเคลือบถ่ายโอนมีการใช้กันอย่างแพร่หลายซึ่งสามารถควบคุมความหนาของการเคลือบอิเล็กโทรดได้อย่างแม่นยำโดยมีการควบคุมการเบี่ยงเบนภายใน± 2 μ m ช่วยปรับปรุงความสม่ำเสมอและความสม่ำเสมอของการเคลือบอิเล็กโทรดอย่างมาก ในเวลาเดียวกันเทคโนโลยีการกดลูกกลิ้งขั้นสูงควบคุมพารามิเตอร์อย่างแม่นยำเช่นความดันกดลูกกลิ้งและความเร็วเพื่อจัดเรียงอนุภาควัสดุอิเล็กโทรดอย่างแน่นหนาปรับปรุงความหนาแน่นของการบดอัดอิเล็กโทรดและเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานของเซลล์ ตัวอย่างเช่นในสายการผลิตเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมขนาดใหญ่การใช้การเคลือบร่องและเทคโนโลยีการกดม้วนที่มีความแม่นยำสูงเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานของเซลล์โดย 10%-15%และความสามารถในการเบี่ยงเบนความจุของเซลล์ชุดเดียวกันนั้นน้อยกว่า 1%

​
(2) การผลิตอัจฉริยะและการควบคุมคุณภาพ

ด้วยการพัฒนาอุตสาหกรรม 4. 0 และเทคโนโลยีการผลิตอัจฉริยะการผลิตเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมกำลังเคลื่อนไปสู่ความฉลาด ในกระบวนการผลิตอุปกรณ์ระบบอัตโนมัติและหุ่นยนต์ได้รับการแนะนำเพื่อให้บรรลุการดำเนินงานที่ไม่มีคนขับในการจัดการวัสดุการประกอบเซลล์แบตเตอรี่และด้านอื่น ๆ ลดผลกระทบของปัจจัยมนุษย์ที่มีต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์ ในเวลาเดียวกันโดยการใช้เทคโนโลยีเช่นข้อมูลขนาดใหญ่และปัญญาประดิษฐ์การรวบรวมข้อมูลแบบเรียลไทม์และการวิเคราะห์กระบวนการผลิตสามารถดำเนินการได้และรูปแบบการทำนายคุณภาพสามารถสร้างขึ้นเพื่อตรวจจับปัญหาที่อาจเกิดขึ้นในกระบวนการผลิตล่วงหน้าและบรรลุการควบคุมคุณภาพที่แม่นยำ ตัวอย่างเช่นโดยการตรวจสอบและวิเคราะห์พารามิเตอร์เช่นแรงดันไฟฟ้ากระแสและอุณหภูมิในระหว่างกระบวนการผลิตเซลล์แบตเตอรี่และการใช้อัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อทำนายตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพเช่นความจุของเซลล์และอายุการใช้งาน